基于HYPERWORKS 對(duì)拉桿進(jìn)行有限元分析的研究

1、結(jié)構(gòu)分析的計(jì)算機(jī)方法題 目：基于hyperworks 對(duì)拉桿進(jìn)行有限元分析的研究姓 名： 學(xué) 號(hào)：201103710070班 級(jí)：2011級(jí)機(jī)械（2）班指導(dǎo)老師： 2012年8月31日基于hyperworks 對(duì)拉桿進(jìn)行有限元分析的研究1 問(wèn)題的描述拉桿如圖1所示，其中d1=20mm，d2=50mm，l0=200mm，l1=250mm，l2=450mm，r=15mm，p=4500n，材料為q235，楊氏模量e=2.1e11n/m2。拉桿的左右端面上施加載荷p，在拉桿的對(duì)稱中心平面上施加軸對(duì)稱約束，在靜力分析下，求載荷下的應(yīng)力和變形，并進(jìn)行強(qiáng)度校核和剛度分析。 拉桿的結(jié)構(gòu)圖 1拉桿的結(jié)構(gòu)d1d2

2、l0l1l2rp20502002504501535000單位：長(zhǎng)度單位為mm，壓力p 的單位為n。工作載荷：拉桿的左右端面上施加載荷p。邊界條件：在拉桿的對(duì)稱中心平面上施加軸對(duì)稱約束。分析內(nèi)容：靜力分析在拉力p的作用下，拉桿的應(yīng)力和變形，并進(jìn)行強(qiáng)度校核和剛度分析。2 分析模型采用的單元類型：三維實(shí)體單元psolid劃分的單元數(shù)：7776劃分的節(jié)點(diǎn)數(shù)：9793加載的約束：在拉桿的軸中間平面上約束其所有節(jié)點(diǎn)的x身向平動(dòng)加載的載荷：在拉桿的兩個(gè)端面的節(jié)點(diǎn)上分別加載向外的拉力，每個(gè)節(jié)點(diǎn)加的力為241.37n。3 模型的創(chuàng)建過(guò)程3.1 cad模型的創(chuàng)建本文的cad模型的創(chuàng)建將使用的是pro4.0版軟件進(jìn)

3、行創(chuàng)建。3.2 cae模型的創(chuàng)建3.2.1 導(dǎo)入文件（1）將三維cad的模型保存為lagan.igs文件。（2）啟動(dòng)hypermesh：選擇optistruct模板，進(jìn)入hypermesh程序窗口。hypermesh程序主界面如圖1所示。圖1 模板選擇（3）程序運(yùn)行后，在下拉“file”的下拉菜單中選擇“import”，在標(biāo)簽區(qū)選擇導(dǎo)入類型為“import geometry”,同時(shí)在標(biāo)簽區(qū)點(diǎn)擊“select files”對(duì)應(yīng)的圖形按鈕，從彈出的文件選擇對(duì)話框中，找到并打開(kāi)“l(fā)agan.igs”,文件，點(diǎn)擊“import”按鈕，將幾何模型導(dǎo)入到“hypermesh”中，導(dǎo)入界面及模型如下圖2所示

4、。圖2 導(dǎo)入幾何模型（4）幾何模型的編輯。由于拉桿的幾何形狀比較規(guī)則，并且中心對(duì)稱，因此在進(jìn)行網(wǎng)格劃分過(guò)程中，可能只畫出全部網(wǎng)格的1/8，然后再進(jìn)行三次鏡像即可。首先進(jìn)行幾何切分。1）曲面形體實(shí)體化。點(diǎn)擊頁(yè)面菜單“geom”，在“geom”頁(yè)面菜單對(duì)應(yīng)的面板中點(diǎn)擊“solids”按鈕，在彈出的子面板中選擇“surfs”，然后選擇圖形區(qū)的任意表面，則所實(shí)體被選擇，點(diǎn)擊“create”,然后點(diǎn)擊“return”，如圖35所示。圖3 geom頁(yè)面菜單及對(duì)應(yīng)的面板圖4 solids按鈕命令對(duì)彈出的子模板圖5 實(shí)體化操作界面2）臨時(shí)節(jié)點(diǎn)的創(chuàng)建。點(diǎn)擊頁(yè)面菜單“geom”，在“geom”頁(yè)面菜單對(duì)應(yīng)的面板中

5、點(diǎn)擊“nodes”按鈕，在彈出的子面板中選擇“on line”，選擇如圖6所示的5根線，點(diǎn)擊“create”，然后點(diǎn)擊“return”，這樣就創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)完成。圖6 臨時(shí)節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建操作界面3）節(jié)點(diǎn)編號(hào)顯示。點(diǎn)擊頁(yè)面菜單“tool”，在“tool”頁(yè)面菜單對(duì)應(yīng)的面板中點(diǎn)“numbers”在彈出的子面板中鉤選“number display”，點(diǎn)擊“nodes”，在彈出列表中選擇“all”點(diǎn)擊“on”按鈕，將節(jié)點(diǎn)顯示出來(lái)，然后點(diǎn)擊“return”按鈕。如圖7和圖8所示。圖7 tool 頁(yè)面菜單及其對(duì)應(yīng)的面板圖8 節(jié)點(diǎn)編號(hào)顯示操作界面4）幾何模型切割。點(diǎn)擊頁(yè)面菜單“geom”，在“geom”頁(yè)面菜單對(duì)應(yīng)的面

6、板中點(diǎn)擊“solid edit”按鈕，在彈出的子面板中選擇“trim with plane/surf”選項(xiàng)，點(diǎn)擊“with plane”下的“solids”，在彈出的選項(xiàng)里面選擇“all”，點(diǎn)擊下面的“n1”，然后依次點(diǎn)擊如圖8所示1，2 ，3，8號(hào)節(jié)點(diǎn)，點(diǎn)擊“trim”，完成實(shí)體第一次分割，如圖9所示。其切割原理：前面的三個(gè)點(diǎn)（n1,n2,n3）確定一個(gè)工作平面，然后過(guò)最后一個(gè)點(diǎn)（b）點(diǎn)平行于所定義的平面。結(jié)果是，實(shí)體在過(guò)b點(diǎn)的平面處分割，完成第一次切割（黃色線條所示平面為切割面）。同理，運(yùn)用這個(gè)方法進(jìn)行4次的分割，得到圖10所示的12個(gè)組成部分。圖9 實(shí)體的第一次切割操作界面圖10 實(shí)體的

7、第四次切割操作界面。5）臨時(shí)節(jié)點(diǎn)的清除。點(diǎn)擊頁(yè)面菜單“geom”，在“geom”頁(yè)面菜單對(duì)應(yīng)的面板中點(diǎn)擊“temp nodes”按鈕，在彈出的子面板中點(diǎn)擊“clear all”按鈕，點(diǎn)擊“return”按鈕，清除所有的臨時(shí)節(jié)點(diǎn)。6）多余實(shí)體的隱藏。將多余的部分隱藏，按下快捷鍵f5，進(jìn)入“mask”面板，選擇“mask”選項(xiàng)，點(diǎn)擊向下三角，選擇“solids”，在圖形區(qū)選擇多余的部分，點(diǎn)擊“mask”按鈕，點(diǎn)擊“return”按鈕，將多余的實(shí)體隱藏，只保留圖11所示的1/8部分。圖11 實(shí)體隱藏操作界面（5）材料屬性及單元屬性的創(chuàng)建。選擇下拉菜單“materials”，選擇“create”，在彈

8、出的材料定義對(duì)話面板中單擊“mat name=”，并輸入“steel”，設(shè)置下面的顏色，選擇紅色。點(diǎn)擊“card image=”選擇“mat1”，然后點(diǎn)擊“create/edit”按鍵，進(jìn)入材料屬性定義面板，輸入材料參數(shù)，如圖12和圖13所示。圖12 材料創(chuàng)建操作界面圖13 定義材料為侶的操作界面選擇下拉菜單“propertise”，選擇“create”，在彈出的對(duì)話面板中單擊“prop name=”并輸入“1”，設(shè)置下面的“color”為藍(lán)色。點(diǎn)擊“card image=”，選擇“psolid”,點(diǎn)擊“material=”為“steel”輸入圖14所示參數(shù)，然后“create”完成單元屬性定

9、義。圖14 單元屬性創(chuàng)建操作界面（6）劃分網(wǎng)格。為了得到較好的有限元模型，采用對(duì)幾何模型進(jìn)行分段劃分網(wǎng)格，拉桿中間較細(xì)部分為一段，圓角部分可以分為兩段，最后拉桿的最外部分為一段。1）二維臨時(shí)組的創(chuàng)建。點(diǎn)擊工具欄中的“components”工具按鈕，選擇“create”在面板中單擊“compname=”并輸入“2d-1”,點(diǎn)擊“color”為黃色，點(diǎn)擊“property=”按鈕，選擇“1”，點(diǎn)擊“create”按鈕，然后點(diǎn)擊“return”按鈕，如圖15所示。圖15 臨時(shí)2d-1組創(chuàng)建界面2）臨時(shí)節(jié)點(diǎn)的創(chuàng)建，如第一次創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)一樣，然后顯示節(jié)點(diǎn)數(shù)，將細(xì)桿部分時(shí)行分割，如圖16所示。圖16 細(xì)軸局部

10、切割操作界面3）細(xì)軸二維輔助單元的創(chuàng)建。點(diǎn)擊狀態(tài)欄中“set current component”，在彈出的子面板中選擇剛剛創(chuàng)建的“2d-1”組，將其設(shè)為當(dāng)前組件。點(diǎn)擊頁(yè)面菜單“2d”，在“2d”頁(yè)面菜單對(duì)應(yīng)的面板中點(diǎn)擊“atuomesh”按鈕，在彈出的子面板中設(shè)置“elemsize=2.000”，如圖17所示。在圖形區(qū)選擇細(xì)桿的一端面點(diǎn)擊“mesh”按鈕，調(diào)整所有邊上的數(shù)字（單擊鼠標(biāo)左鍵數(shù)字會(huì)增加，單擊鼠標(biāo)右鍵數(shù)字會(huì)減少），使網(wǎng)絡(luò)較為規(guī)則，點(diǎn)擊“return”按鈕，再次點(diǎn)擊“return”按鈕。完成后的網(wǎng)格如圖18所示。圖17 細(xì)軸端面二維網(wǎng)格劃分操作界面圖18 生成的細(xì)軸端部二維輔助網(wǎng)格4

11、）二維輔助單元的投影復(fù)制。點(diǎn)擊頁(yè)面菜單“tool”，在“tool”頁(yè)面菜單對(duì)應(yīng)的面板中點(diǎn)擊“project”按鈕，在彈出的子面板中再選擇“to plane”選項(xiàng)，點(diǎn)擊向下的三角，選擇“elems”，選擇剛劃分的“2d”網(wǎng)格，再點(diǎn)擊“elems”按鈕，在彈出的菜單中選擇“duplicate”以及“original component”；點(diǎn)擊“to plane”下的“n1”依次選擇16，17，18，16號(hào)節(jié)點(diǎn)，點(diǎn)擊“along vector”下的“n1”，依次選擇18號(hào)節(jié)點(diǎn)和與之對(duì)應(yīng)的端部網(wǎng)格的最下角節(jié)點(diǎn)，點(diǎn)擊“project”按鈕，然后點(diǎn)擊“return”按鈕，這樣就將細(xì)軸端部的網(wǎng)格投影到了16

12、，17，18號(hào)節(jié)點(diǎn)所在的扇形面上，投影后的結(jié)果如圖19所示圖19 投影后的二維網(wǎng)格5）3d組的創(chuàng)建。如創(chuàng)建2d一樣?！皀ame=”為“3d-1”，“color”為黃色。6）細(xì)軸三維網(wǎng)格劃分。點(diǎn)擊頁(yè)面菜單“3d”，點(diǎn)擊“l(fā)ine drag”，在面板中選擇“drag elems”，選擇剛剛創(chuàng)建的二維網(wǎng)格，“l(fā)ine list”選擇細(xì)軸下部的邊界線，如圖20所示，點(diǎn)擊“drag”，然后點(diǎn)擊“return”。圖20 line drag生成的實(shí)體單元7）圓角部分網(wǎng)格的劃分。點(diǎn)擊“3d”選擇“solid map”，在面板中選擇“general”選項(xiàng)，“source geom”選擇“surf”，選擇16，1

13、7，18號(hào)節(jié)點(diǎn)所在的扇形面；“dest geom”，選“surf”，選擇圓角切分形成的扇形面，“along geom”選“l(fā)ines”，依次選擇連接兩個(gè)面的兩根圓弧和直線如圖21所示點(diǎn)擊“elems to drag”，點(diǎn)擊“elems”，選擇16，17，18號(hào)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)格，然后點(diǎn)擊“mesh”，完成3d網(wǎng)格。圖21 solid map生成的弧形段實(shí)體單元8）圓角后半部分和端部中心部分單元的創(chuàng)建。在剛剛創(chuàng)建的3d網(wǎng)格末端創(chuàng)建一個(gè)臨時(shí)的2d網(wǎng)格。點(diǎn)擊“tools”，選擇“faces”，在彈出的面板中選擇“elements”，選擇上一步創(chuàng)建的最右端一層實(shí)體單元如圖22所示，點(diǎn)擊“find faces”

14、按鍵，完成2d臨時(shí)網(wǎng)格。圖22 創(chuàng)建臨時(shí)表面單元操作界面以剛剛創(chuàng)建的臨時(shí)表面網(wǎng)格為基礎(chǔ)，向右拉伸一個(gè)三維網(wǎng)格，些操作跟細(xì)軸部分拉伸一樣。結(jié)果如圖23所示 圖23 line drag生成的端部中間單元9）端部外圍單元的創(chuàng)建。點(diǎn)擊“geom”，選擇“surface edit”，在子面板中選擇“trim with nodes”，“two nodes”分別選擇剛剛生成3d單元的右上部最外端部沿軸向的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，點(diǎn)擊“return”。將“2d-1”設(shè)為當(dāng)前組件。將桿端右上角區(qū)域劃分網(wǎng)格，調(diào)整數(shù)字，使網(wǎng)格規(guī)則，該操作與第一次創(chuàng)建網(wǎng)格一樣，結(jié)果如圖24所示。圖24 automesh網(wǎng)格劃分操作界面將“3d-1

15、”設(shè)為當(dāng)前工作組件，點(diǎn)擊“3d”，選擇“spin”，子面板中選擇“x-axis”，點(diǎn)擊“b”，鼠標(biāo)選擇軸線上任意一個(gè)點(diǎn)，作為回轉(zhuǎn)基點(diǎn)，“angle”輸入“90”，“on spin”輸入“6”，其基本設(shè)置如圖25所示，點(diǎn)擊“spin+”完成。圖25 spin命令參數(shù)設(shè)置10）單元移動(dòng)。點(diǎn)擊“tools”上的“organize”按鈕，在子面板上選擇“spin elements”，再點(diǎn)擊“elems”按鈕，從彈出的選項(xiàng)中選擇“by collect”，從列表中選擇“3d-1”、“solidmap”組，點(diǎn)擊“dest componet=”，選擇“3d-1”組，點(diǎn)擊“move”，完成單元移動(dòng)。如圖26所示

16、圖26 organize命令操作界面11）輔助單元及components的刪除。在“tools”中選擇“deleted”在子面板中選擇“comps”然后點(diǎn)擊“comps”，在列表中選擇“solidmap”、“2d-1”和“faces”，點(diǎn)擊“select”，返回上一級(jí)，點(diǎn)擊“delete entity”，完成。12）模型的鏡像。點(diǎn)擊“tools”上的“reflect”按鈕，在子面板中選擇“elems”，然后點(diǎn)擊“elems”按鈕，選擇“all”，再次點(diǎn)擊“duplicate”,選擇“original comp”；點(diǎn)擊模型表面任意不共線的四個(gè)點(diǎn)，點(diǎn)擊“reflect”完成第一次鏡像，如圖27所示

17、，同理再鏡像二次，得到最后的圖28圖27 第一次鏡像的模型圖28 第三次鏡像的模型13）刪除臨時(shí)節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)合并。臨時(shí)節(jié)點(diǎn)的方法與上面的一樣，這里不作詳細(xì)介紹。點(diǎn)擊“tools”中的“edges”按鍵，點(diǎn)擊“elems”選擇“all”，在“tolerance”里面輸入“1”，點(diǎn)擊“preview equiv”按鈕，然后點(diǎn)擊“equivalence”，再點(diǎn)“return”，如圖29所示。圖29 edges操作界面（7）載荷、約束的創(chuàng)建。點(diǎn)擊工具欄中的“l(fā)oadcollectors”工具按鈕，選擇“create”，“l(fā)oadcol name=”輸入“spc”，“color”為紅色，點(diǎn)擊“create

18、”。再次在“l(fā)oadcol name=”輸入“force”，“color”為綠色，點(diǎn)擊“create”，完成載荷的創(chuàng)建，如圖30所示。圖30 load collectors創(chuàng)建界面（8）添加約束和載荷。在鍵盤中點(diǎn)“g”設(shè)“spc”為當(dāng)前載荷，然后點(diǎn)擊“anslysis”，在“anslysis”頁(yè)面中點(diǎn)擊“constraints”，在子面板中選擇“create”點(diǎn)擊向下三角按鈕從彈出的選項(xiàng)中選擇“nodes”，在圖形區(qū)選擇中心對(duì)稱面上的所有節(jié)點(diǎn)，具體設(shè)置如圖31設(shè)置。圖31約束施加操作界面在鍵盤上點(diǎn)擊“g”,設(shè)“force”為當(dāng)前載荷。然后點(diǎn)擊“anslysis”選擇“force”，再選擇“create”，進(jìn)行設(shè)置（注意力的方向），具體如圖32所示。圖32 左右端面力施加操作界面(9)載荷工況的創(chuàng)建。點(diǎn)擊“anslysis”，在面板中選擇