對六方孔頭用螺釘扳手受力分析及對機械結構和有限元分析

1、對六方孔頭用螺釘扳手受力分析及對機械結構和有限元分析簡介201030101034 李冠序 通過幾周的虛擬樣機學習，我深刻的體會到了這是一門對于機械專業(yè)的學生十分有用并且十分有趣的學科，其通過計算機軟件與工程師之間的有機交流，使得一些在過去十分棘手的問題可以在計算機上迎刃而解。使得處理問題的效率與準確度大幅提升，是我們在今后生產(chǎn)工作中的得力助手機械結構分析結構分析是對物體應力分析的基礎，通過對結構的準確分析可以預見力對機械結構的影響。如果機械結構的分析不準確，會造成應力分析偏差，對以后的實際操作將造成難以估量的損失甚至是危險。以下將對機械結構分析作出簡介：當機械或工程結構工作時，結構將受到載荷的

2、作用。在載荷（外力）作用下，若結構內(nèi)部任意兩點之間發(fā)生相對位移，這樣的物體叫做變形體，它與材料的物理性質密切相關。當載荷超過一定限度時，結構將會發(fā)生過度變形或破壞。為保證機械或工程結構的正常工作，一般需要考慮如下要求：強度要求在規(guī)定載荷作用下，結構應當不被破壞，即結構應有足夠的抵抗破壞的能力。剛度要求在載荷作用下，結構即使有足夠的強度，但若變形過大，仍不能正常工作。因此剛度要求就是指結構應有足夠的抵抗變形的能力。穩(wěn)定性要求即結構應有足夠的保持原有平衡形態(tài)的能力。此外，在有些情況下，需要考慮結構在外載作用下的變形或破壞過程，以保證工程設計的要求，如發(fā)射裝置中的變形緩沖結構或易碎蓋等。針對機械或工

3、程結構進行計算分析，考察其是否滿足上述基本要求是結構分析的主要任務。有限元分析有限元分析是用較簡單的問題代替復雜問題后再求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對每一單元假定一個合適的(較簡單的）近似解，然后推導求解這個域總的滿足條件(如結構的平衡條件），從而得到問題的解。這個解不是準確解，而是近似解，因為實際問題被較簡單的問題所代替。由于大多數(shù)實際問題難以得到準確解，而有限元不僅計算精度高，而且能適應各種復雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。 有限元是那些集合在一起能夠表示實際連續(xù)域的離散單元。有限元的概念早在幾個世紀前就已產(chǎn)生并得到了應用，例如用多邊形（有限個直線單元

4、）逼近圓來求得圓的周長，但作為一種方法而被提出，則是最近的事。有限元法最初被稱為矩陣近似方法，應用于航空器的結構強度計算，并由于其方便性、實用性和有效性而引起從事力學研究的科學家的濃厚興趣。經(jīng)過短短數(shù)十年的努力，隨著計算機技術的快速發(fā)展和普及，有限元方法迅速從結構工程強度分析計算擴展到幾乎所有的科學技術領域，成為一種豐富多彩、應用廣泛并且實用高效的數(shù)值分析方法。有限元方法與其他求解邊值問題近似方法的根本區(qū)別在于它的近似性僅限于相對小的子域中。20世紀60年代初首次提出結構力學計算有限元概念的克拉夫教授形象地將其描繪為：“有限元法=Rayleigh Ritz法+分片函數(shù)”，即有限元法是Rayle

5、igh Ritz法的一種局部化情況。不同于求解滿足整個定義域邊界條件的允許函數(shù)的Rayleigh Ritz法，有限元法將函數(shù)定義在簡單幾何形狀的單元域上，且不考慮整個定義域的復雜邊條件，這是有限元法優(yōu)于其他近似方法的原因之一。對于不同物理性質和數(shù)學模型的問題，有限元求解法的基本步驟是相同的，只是具體公式推導和運算求解不同。有限元求解問題的基本步驟通常為： 第一步：問題及求解域定義：根據(jù)實際問題近似確定求解域的物理性質和幾何區(qū)域。 第二步：求解域離散化：將求解域近似為具有不同有限大小和形狀且彼此相連的有限個單元組成的離散域，習慣上稱為有限元網(wǎng)絡劃分。顯然單元越?。ňW(wǎng)絡越細）則離散域的近似程度越好

6、，計算結果也越精確，但計算量及誤差都將增大，因此求解域的離散化是有限元法的核心技術之一。 第三步：確定狀態(tài)變量及控制方法：一個具體的物理問題通常可以用一組包含問題狀態(tài)變量邊界條件的微分方程式表示，為適合有限元求解，通常將微分方程化為等價的泛函形式。 第四步：單元推導：對單元構造一個適合的近似解，即推導有限單元的列式，其中包括選擇合理的單元坐標系，建立單元試函數(shù)，以某種方法給出單元各狀態(tài)變量的離散關系，從而形成單元矩陣。 為保證問題求解的收斂性，單元推導有許多原則要遵循。 對工程應用而言，重要的是應注意每一種單元的解題性能與約束。例如，單元形狀應以規(guī)則為好，畸形時不僅精度低，而且有缺秩的危險，將

7、導致無法求解。 第五步：總裝求解：將單元總裝形成離散域的聯(lián)合方程組，反映對近似求解域的離散域的要求，即單元函數(shù)的連續(xù)性要滿足一定的連續(xù)條件?？傃b是在相鄰單元結點進行，狀態(tài)變量及其導數(shù)（可能的話）連續(xù)性建立在結點處。 第六步：聯(lián)立方程組求解和結果解釋：有限元法最終導致聯(lián)立方程組。聯(lián)立方程組的求解可用直接法、迭代法和隨機法。求解結果是單元結點處狀態(tài)變量的近似值。對于計算結果的質量，將通過與設計準則提供的允許值比較來評價并確定是否需要重復計算。 簡言之，有限元分析可分成三個階段，前置處理、計算求解和后置處理。前置處理是建立有限元模型，完成單元網(wǎng)絡劃分；后置處理則是采集處理分析結果，使用戶能簡便提取信

8、息，了解計算結果。下面是我利用所學的相關知識進行的機械結構分析（有限元）。實驗原理：利用ANSYS進行有限元靜力學分析。實驗內(nèi)容與步驟：1）熟悉ANSYS的界面和分析步驟；2）掌握ANSYS前處理方法，包括三維建模、單元設置、網(wǎng)格劃分和約束設置；3）掌握ANSYS求解和后處理的一般方法；4）實際應用ANSYS軟件對扳手零件進行有限元分析。實體模型（如圖所示）為一六方孔頭用螺釘扳手，在手柄端部加斜向上的面力100N，然后在加向下的面力20N，本實驗的目的是算出在這兩種外部載荷的作用下扳手的應力分布。詳細參數(shù)如下： 彎曲半徑：1cm 彈性模量：2.07*10的11次方Pa分析步驟改變工作名拾取菜單

9、Utility MenuFileChange Jobname。彈出對話框，在“/FILNAM” 文本框中輸入banshou ，單擊“Ok”按鈕。分析步驟改變工作名拾取菜單Main MenuPreferences。彈出對話框，選中“Structural”項，單擊“Ok” 按鈕。 創(chuàng)建單元類型拾取菜單Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete。彈出對話框，單擊“Add”按鈕；彈出對話框，在左側列表中選“Structural Solid”，在右側列表中選“Quad 4node 42”， 單擊“Apply” 按鈕；再在右側列表中選“Brick 8n

10、ode 45”, 單擊“Ok” 按鈕；單擊對話框的“Close”按鈕。定義材料特性拾取菜單Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial Models。彈出對話框，在右側列表中依次雙擊“Structural”、 “Linear”、“Elastic”、“Isotropic”，彈出對話框，在“EX”文本框中輸入2.06e11（彈性模量），在“PRXY” 文本框中輸入0.3（泊松比），單擊“Ok” 按鈕，然后關閉對話框。拾取菜單Main MenuPreprocessorModelingCreateAreasPolygonHexagon。彈出拾取窗口，在“WP

11、X”、“WP Y”和“Radius”文本框中分別輸入0、0和0.01，單擊“Ok” 按鈕。改變視點拾取菜單Utility MenuPlotCtrlsPan Zoom Rotate。在彈出的對話框中，依次單擊“Iso”、“Fit”按鈕。顯示關鍵點、線號拾取菜單Utility MenuPlotCtrlsNumbering。在彈出對話框中，將關鍵點號和線號打開，單擊“Ok” 按鈕。創(chuàng)建關鍵點拾取菜單Main MenuPreprocessorModelingCreateKeypointsIn Active CS。彈出圖9所示的對話框，在“NPT”文本框中輸入7，在“X,Y,Z”文本框中分別輸入0,0,

12、0，單擊“Apply” 按鈕；在“NPT”文本框中輸入8，在“X,Y,Z”文本框中分別輸入0,0,0.05，單擊“Apply” 按鈕；在“NPT”文本框中輸入9，在“X,Y,Z”文本框中分別輸入0,0.1,0.05，單擊“Ok”按鈕。創(chuàng)建直線拾取菜單Main MenuPreprocessorModelingCreateLinesLinesStraight Line。彈出拾取窗口，分別拾取關鍵點7和8、8和9，創(chuàng)建兩條直線，單擊“Ok” 按鈕。 創(chuàng)建圓角拾取菜單Main MenuPreprocessorModelingCreateLinesLine Fillet。彈出拾取窗口，分別拾取直線7、8

13、，單擊“Ok” 按鈕，彈出對話框，在“RAD”文本框中輸入0.015，單擊“Ok” 按鈕。創(chuàng)建直線拾取菜單Main MenuPreprocessorModelingCreateLinesLinesStraight Line。彈出拾取窗口，分別拾取關鍵點1和4，單擊“Ok” 按鈕。將六邊形面劃分成兩部分拾取菜單Main MenuPreprocessorModelingOperateBooleansDivideArea by Line。彈出拾取窗口，拾取六邊形面，單擊“Ok” 按鈕；再次彈出拾取窗口，拾取上一步在關鍵點1和4間創(chuàng)建的直線，單擊“Ok” 按鈕。劃分單元拾取菜單Main MenuPre

14、processorMeshingMeshTool。彈出對話框，單擊“Size Controls”區(qū)域中“Lines”后“Set”按鈕，彈出拾取窗口，拾取直線2、3、4，單擊“Ok” 按鈕，彈出對話框，在“NDIV”文本框中輸入3，單擊“Apply” 按鈕；再次彈出拾取窗口，拾取直線7、9、8，單擊“Ok” 按鈕，刪除“NDIV”文本框中的3，在“SIZE”文本框中輸入0.01，單擊“Ok” 按鈕。在“Mesh”區(qū)域，選擇單元形狀為“Quad”（四邊形），選擇劃分單元的方法為“Mapped”（映射）。單擊“Mesh” 按鈕，彈出拾取窗口，拾取六邊形面的兩部分，單擊“Ok” 按鈕。顯示直線拾取菜單

15、Utility MenuPlotLines。由面沿直線擠出體拾取菜單Main MenuPreprocessorModelingOperateExtrudeAreasAlong Lines。彈出拾取窗口，拾取六邊形面的兩部分，單擊“Ok” 按鈕；再次彈出拾取窗口，依次拾取直線7、9、8，單擊“Ok” 按鈕。清除面單元拾取菜單Main MenuPreprocessorMeshingClearAreas。彈出拾取窗口，拾取z=0的兩個平面，單擊“Ok” 按鈕。面單元模擬著一個平面結構，如果不清除掉的話，分析模型實際是有兩個結構。顯示單元拾取菜單Utility MenuPlotElements。 施加

16、約束拾取菜單Main MenuSolutionDefine LoadsApplyStructuralDisplacementOn Areas。彈出拾取窗口，拾取z=0的兩個平面，單擊“Ok” 按鈕，彈出對話框，在列表中選擇“All DOF”，單擊“Ok” 按鈕。施加載荷：（1）建立局部坐標系：拾取菜單：Utility MenuWorkPlaneLocal Coordinate SystemsCreate Local CSAt Specified Loc+選取載荷100所在面最頂部8個節(jié)點。單擊OK按鈕。顯示對話框，在local x輸入60。然后點擊OK。拾取菜單：Main MenuPrepro

17、cessorModelingCreateNodesRotate Node CSTo Active CS。拾取菜單：Main MenuPreprocessorModelingMove/ModifyRotate Node CSTo Active CS。拾取菜單Main MenuSolutionDefine LoadsApplyStructuralForce/MomentOn Keypoints。彈出拾取窗口，拾取扳手長臂端面的六個頂點，單擊“Ok” 按鈕，彈出對話框，選擇“Lab”為“FX”，在“VALUE”文本框中輸入100，單擊“Ok” 按鈕。同理施加載荷100.求解拾取菜單Main Menu

18、SolutionSolveCurrent LS。單擊“Solve Current Load Step” 對話框的“Ok” 按鈕。出現(xiàn)“Solution is done!”提示時，求解結束，即可查看結果了。查看結果，顯示變形拾取菜單Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsDeformed Shape。的對話框，選中“Def+undef edge”(變形+未變形的模型邊界)，單擊“Ok” 按鈕。結果如圖所示。查看結果，用等高線顯示Von Mises應力拾取菜單Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsContour PlotNodal Solu。彈出對話框，在列表中依次選擇“Nodal SolutionStress Von Mises SEQV”（Von Mises應力即第四強度理論的當量應力，式中1、2和3為主應力），單擊“Ok” 按鈕。結果如圖所示，可以看出，Von Mises應力的最大值為0.149×109 Pa，即