輪子的受力分析

1、燕山大學(xué)專業(yè)綜合訓(xùn)練說(shuō)明書(shū)題目：輪子的受力分析學(xué)院（系）：車輛與能源學(xué)院年級(jí)專業(yè)：熱能工程09-1學(xué) 號(hào):090113020020學(xué)生姓名：鄧福璐指導(dǎo)教師：于敏之張靜教師職稱：副教授講師燕山大學(xué)專業(yè)綜合訓(xùn)練任務(wù)書(shū)院（系）：車輛學(xué)院基層教學(xué)單位：熱能與動(dòng)力工程系學(xué)號(hào)090113020020學(xué)生姓名鄧福璐專業(yè)（班級(jí)）熱能09設(shè)計(jì)題目輪子的受力分析設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)角速度為：w=525rad/s材料屬性為：楊氏模量 E=30*10e6泊松比為0.3密度為 0.000731bf-s 2/in 4設(shè) 計(jì) 要 求1、掌握Ansys建模方法，建立輪子受力分析仿真模型；2、正確設(shè)定邊界條件和收斂目標(biāo)；3、完成網(wǎng)格劃

2、分；4、進(jìn)行仿真計(jì)算；5、提取結(jié)果進(jìn)行分析；6、編寫(xiě)設(shè)計(jì)與計(jì)算說(shuō)明書(shū)。工 作 量1、撰寫(xiě)5000字左右設(shè)計(jì)分析說(shuō)明書(shū)一份； 2、設(shè)計(jì)體會(huì)一份。工 作 計(jì) 劃1、ANSY蒙件學(xué)習(xí)，第 1-5天；2、收集實(shí)際分析資料，確定實(shí)際題目，設(shè)計(jì)仿真模型第6-10天；3、邊界條件設(shè)定、網(wǎng)格劃分、仿真計(jì)算，第10-13天；4、結(jié)果提取與分析，第 14-17天；5、編寫(xiě)設(shè)計(jì)與計(jì)算說(shuō)明書(shū)與心得體會(huì)，第18-20天。參 考 資 料1、ANSYST程應(yīng)用實(shí)例解析龔曙光機(jī)械工業(yè)出版社指導(dǎo)教師簽字基層教學(xué)單位主任簽字說(shuō)明：此表一式四份，學(xué)生、指導(dǎo)教師、基層教學(xué)單位、系部各一份。2012年11月19日2燕山 大學(xué)綜合訓(xùn)練

3、說(shuō)明書(shū)輪子的受力分析問(wèn)題描述如圖為輪子的三位示意圖，基本尺寸已知，現(xiàn)分析輪子僅承受y軸旋轉(zhuǎn)角速 度的作用下輪的受力及變形情況。已知：輪子角速度為：w=525rad/s材料屬性為：楊氏模量E=30*10e6泊松比為0.3 密度為 0.000731bf-s2/in4由上面給出帶輪的三維結(jié)構(gòu)圖可以知道該帶輪的幾何形狀是嚴(yán)格軸對(duì)稱 的，是相對(duì)對(duì)稱軸的旋轉(zhuǎn)體。則根據(jù)該輪的對(duì)稱性，在分析時(shí)只要分析其中 的一部分即可，1盒輸子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選擇分析的有限元模型如圖D：EC 11 201210:41:16TYPE NUM這是一個(gè)三維問(wèn)題，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要采用自有網(wǎng)格劃分和映射網(wǎng)格劃分相DAILUN燕山 大學(xué)綜合訓(xùn)練

4、 說(shuō)明書(shū)結(jié)合的分析模式，不能直接由2D網(wǎng)格直接拖拉生成3D網(wǎng)格，其具體步 驟和過(guò)程如下：1 .先建立三維幾何模型；2 .根據(jù)三維模型特點(diǎn)，對(duì)三維模型進(jìn)行分割，是其中一部分模型能夠采用映射網(wǎng)格方式劃分，其余部分可用自由網(wǎng)格劃分。3 .對(duì)劃分網(wǎng)格可連接處進(jìn)行網(wǎng)格轉(zhuǎn)換。4 .施加對(duì)稱約束和角速度5 .求解分析6 .結(jié)果顯示二.建模及網(wǎng)格劃分該分析為結(jié)構(gòu)靜力分析，求解輪子在載荷的作用下所受到的應(yīng)力。建模 方法為自底向上的建模，即先定義最低級(jí)的圖元關(guān)鍵點(diǎn)，然后有關(guān)鍵點(diǎn)定義 較高級(jí)別的面和體，得到輪子的二維和三維模型。由于該結(jié)構(gòu)為不規(guī)則零件， 不滿足映射網(wǎng)格的劃分條件，因此該模型劃分網(wǎng)格方法結(jié)合自由網(wǎng)格和

5、映射 網(wǎng)格劃分并且在過(guò)渡處要用金字塔單元過(guò)渡，即混合網(wǎng)格劃分法。 本次模擬用到的網(wǎng)格劃分方法介紹： 1、自由網(wǎng)格劃分自由網(wǎng)格劃分是自動(dòng)化程度最高的網(wǎng)格劃分技術(shù)之一，它在面上（平面、曲面）可以自動(dòng)生成三角形或四邊形網(wǎng)格， 在體上自動(dòng)生成四面體網(wǎng)格。通常 情況下，可利用ANSYS勺智能尺寸控制技術(shù)（SMARTSIZ命令）來(lái)自動(dòng)控制網(wǎng) 格的大小和疏密分布，也可進(jìn)行人工設(shè)置網(wǎng)格的大小 （AESIZE、LESIZE、 KESIZE ESIZE等系列命令）并控制疏密分布以及選擇分網(wǎng)算法等（MOP怖 令）。對(duì)于復(fù)雜幾何模型而言，這種分網(wǎng)方法省時(shí)省力，但缺點(diǎn)是單元數(shù)量通 常會(huì)很大，計(jì)算效率降低。2、映射網(wǎng)格劃

6、分映射網(wǎng)格劃分是對(duì)規(guī)整模型的一種規(guī)整網(wǎng)格劃分方法，其原始概念是:2.建立2D模型對(duì)于面，只能是四邊形面，網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)需在對(duì)邊上保持一致，形成的單元全 部為四邊形；對(duì)于體，只能是六面體，對(duì)應(yīng)線和面的網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)保持一致；形成的單元全部為六面體。在 ANSYSK這些條件有了很大的放寬，包括：面 可以是三角形、四邊形、或其它任意多邊形。對(duì)于四邊以上的多邊形，必須 用LCCA怖令將某些邊聯(lián)成一條邊，以使得對(duì)于網(wǎng)格劃分而言，仍然是三角 形或四邊形；或者用AMA命令定義3到4個(gè)頂點(diǎn)（程序自動(dòng)將兩個(gè)頂點(diǎn)之間的 所有線段聯(lián)成一條）來(lái)進(jìn)行映射劃分。面上對(duì)邊的網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)可以不同， 但有 一些限制條件。面上可以形成全三

7、角形的映射網(wǎng)格。體可以是四面體、五面 體、六面體或其它任意多面體。對(duì)于六面以上的多面體，必須用ACCA臉令將某些面聯(lián)成一個(gè)面，以使得對(duì)于網(wǎng)格劃分而言，仍然是四、五或六面體。 對(duì)于三維復(fù)雜幾何模型而言，通常的做法是利用ANSYST爾運(yùn)算功能，將其切割成一系列四、五或六面體，然后對(duì)這些切割好的體進(jìn)行映射網(wǎng)格劃分。3、混合網(wǎng)格劃分混合網(wǎng)格劃分即在幾何模型上，根據(jù)各部位的特點(diǎn)，分別采用自由、映 射、掃略等多種網(wǎng)格劃分方式，以形成綜合效果盡量好的有限元模型。混合 網(wǎng)格劃分方式要在計(jì)算精度、計(jì)算時(shí)間、建模工作量等方面進(jìn)行綜合考慮。 通常，為了提高計(jì)算精度和減少計(jì)算時(shí)間，應(yīng)首先考慮對(duì)適合于掃略和映射 網(wǎng)格劃

8、分的區(qū)域先劃分六面體網(wǎng)格，這種網(wǎng)格既可以是線性的（無(wú)中節(jié)點(diǎn)）、也可以是二次的（有中節(jié)點(diǎn)），如果無(wú)合適的區(qū)域，應(yīng)盡量通過(guò)切分等多種布 爾運(yùn)算手段來(lái)創(chuàng)建合適的區(qū)域（尤其是對(duì)所關(guān)心的區(qū)域或部位）；其次，對(duì)實(shí)在 無(wú)法再切分而必須用四面體自由網(wǎng)格劃分的區(qū)域，采用帶中節(jié)點(diǎn)的六面體單 元進(jìn)行自由分網(wǎng)（自動(dòng)退化成適合于自由劃分形式的單元），此時(shí)，在該區(qū)域 與已進(jìn)行掃略或映射網(wǎng)格劃分的區(qū)域的交界面上，會(huì)自動(dòng)形成金字塔過(guò)渡單 元（無(wú)中節(jié)點(diǎn)的六面體單元沒(méi)有金字塔退化形式）。三.操作步驟1.設(shè)置單元類型及材料屬性在單元類型設(shè)置項(xiàng)“ Structural Solid ”中選擇單元類型為“ Brick 8node 45”

9、和“Brick 20node 95”在材料屬性項(xiàng)中設(shè)置輪子的楊氏模量為 E=30*10e6, 泊松比為 0.3,密度為 0.000731bf-s2/in4 。先建立二維模型，生成矩形面，其中各個(gè)平面的參數(shù)為：面 1: X1=1.0, X2=1.5,Y1=0,Y2=5.0;面 2:X1=3.25,X2=3.75, Y1=1.5,Y2=2.25;面 3:X1=1.0, X2=3.75, Y1=1.5, Y2=2.25.將生成的二維平面進(jìn)行疊分操作，并設(shè)置倒角（半徑R=0.25）,生成圓弧線， 最后將面相加和線相加得到輪子截面的 2D模型如下圖：1AREASDEC 11 201209:51:11wh

10、eel-analTYPE NUMDEC 11 201209:57:53wheel-analYZ 、X圖二3D實(shí)體模型圖一輪子截面的2D模型3.通過(guò)拖拉形成3D模型確立生成軸線的關(guān)鍵點(diǎn)，輸入關(guān)鍵點(diǎn)“ X=0,Y=0'和"X=0, Y=5'。以圓弧角22.5度，由2D模型拖拉形成3D實(shí)體模型，取消線號(hào)，改變視圖方向，經(jīng) 調(diào)整得到下KlLumesTYPE NUM燕山 大學(xué)綜合訓(xùn)練 說(shuō)明書(shū)4.生成一個(gè)圓柱孔先激活工作面，然后移動(dòng)并旋轉(zhuǎn)工作面到一個(gè)合適的位置，在體設(shè)置項(xiàng)中設(shè)計(jì)圓柱體（參數(shù)R=0.45, H=0.75）,通過(guò)體相減減去編號(hào)為“VOLUMES圓柱儺NUM到去孔的部分

11、模型，如圖所示：V2'的體，即DEC 11 201210:41:165.蛆成網(wǎng)格將得到的3D模型分別拾取關(guān)鍵點(diǎn)“ 9” “11”然后在關(guān)鍵點(diǎn)處用工作平面進(jìn)行切分。在“ MeshTool”中分別設(shè)置單元尺寸,拾取編號(hào)為 V1,V2,V3,V5四部分體采用映射網(wǎng)格劃分成單元，選擇“ Hex和“Mapped劃分得到映射DEC 11 201210:51:25網(wǎng)格如下圖二ELEMENTSDAILUN燕山 大學(xué)綜合訓(xùn)練 說(shuō)明書(shū)DEC 11 201210:53:19DAILUN1ELEMENTS/EXPANDED冬五自由網(wǎng)格和映射網(wǎng)格DEC 12 201209:31:08圖四映射網(wǎng)格劃分剩下的V6部

12、分采用自由網(wǎng)格劃分單元，選擇“ Tet”和“Free”得到整體1ELEMENT網(wǎng)格戈分圖123圖六整體的有限元分析模型燕山大學(xué)綜合訓(xùn)練說(shuō)明書(shū)7.施加載荷并求解在拾取面 A20, A39, A7, A40, A26, A1 和面 A15, A22, A3, A34, A41 上施加對(duì)稱約束，然后在關(guān)鍵點(diǎn) 1處施加UY=0的約束，在“ OMENG俞入施 加的旋轉(zhuǎn)角速度525rad/s ,施加載荷完畢.選才? PCG預(yù)條件共腕梯度求解器） 迭代求解器，開(kāi)始求解運(yùn)算，當(dāng)出現(xiàn)一個(gè)" Solution is done ”的信息提示 框后，關(guān)閉，求解運(yùn)算結(jié)束。瀏覽分析結(jié)果得到分布圖。輪子的Von

13、Mises應(yīng)力分布圖如下:圖七施加應(yīng)力矢量圖四.結(jié)果分析輪子的應(yīng)力分布圖（部分和整體）1NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =1TIME=1SEQV (AVG)DMX =.186E-03SMN =1.584SMX =2398ANDEC 12 201209:24:561866213223981.584534.1961067|1_-1599123圖八應(yīng)力分布圖1NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =1TIME=1 /EXPANDEDSEQV (AVG) DMX =.186E-03SMN =1.584SMX =2398ANDEC 12 2012 09:27:481.58426

14、7.89534.196800.503106715992132133318662398123圖九整輪應(yīng)力分布圖1NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =1TIME=1 /EXPANDEDUSUM (AVG)RSYS=0DMX =.186E-03SMX =.186E-03DEC 12 201222:51:360.206E-04.412E-04.619E-04 E04.103E-03 e.3.144E-03E-03.186E-03123圖十 顯示節(jié)點(diǎn)位移云圖：從輪子的應(yīng)力分布圖上（圖八）可知輪子在圓孔周圍及內(nèi)輪緣下半部分 和外輪緣的大部分表面的應(yīng)力較大，而內(nèi)輪緣上半部分幾乎沒(méi)有應(yīng)力集中，

15、應(yīng)力最小。其中最大應(yīng)力出現(xiàn)在內(nèi)輪緣下半部分與輪輻的結(jié)合處，最大為 2398N/R2,而最小應(yīng)力出現(xiàn)在內(nèi)輪緣上半部為 1.584N/m2。從整體分布來(lái)看（圖 九），應(yīng)力在外輪轅分布較為集中，但應(yīng)力不是很大。從節(jié)點(diǎn)位移云圖（圖十） 上看，節(jié)點(diǎn)位移主要在輪輻與輪緣的接合面處。因此在制造帶輪時(shí)為保證輪 子的強(qiáng)度及壽命，一定要保證輪子輪輻與輪緣的接合面處的強(qiáng)度，防止輪子 在過(guò)大負(fù)荷時(shí)出現(xiàn)應(yīng)力斷裂疲勞損壞等情況。心得體會(huì)ANSYSa件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的大型通用 有限元分析軟件，它可以用來(lái)求解結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場(chǎng)及碰撞等問(wèn)題。 在這次訓(xùn)練中，我利用了該軟件解決了輪子在只承受繞Y

16、軸旋轉(zhuǎn)角速度作用下的受力及變形情況。Ansys有限元最重要的是建模，模型是合理的簡(jiǎn)化，也就是說(shuō)在建立模 型的時(shí)候，一定要簡(jiǎn)化，而且要合理。我個(gè)人覺(jué)得一個(gè)模型是否好，一是能 說(shuō)明問(wèn)題，二是模型要簡(jiǎn)單，越簡(jiǎn)單越好，其實(shí)這種簡(jiǎn)單合理模型的物理意 義，力學(xué)概念是很清晰的，建模最忌的是面面俱到。學(xué)習(xí)ANSYS勺過(guò)程實(shí)際上是一個(gè)不斷解決問(wèn)題的過(guò)程，問(wèn)題遇到的越多，解決的越多，實(shí)際運(yùn)用 ANNSY的能力才會(huì)越高。對(duì)于我們初學(xué)者，必將會(huì)遇到許許多多的問(wèn)題，對(duì) 遇到的問(wèn)題最好能記下來(lái)，認(rèn)真思考，逐個(gè)解決，積累經(jīng)驗(yàn)。在這為期一個(gè)月的綜合訓(xùn)練中，我遇到了很多問(wèn)題，在老師和同學(xué)的幫 助下，并且通過(guò)自己的努力，終于解決

17、了問(wèn)題，基本達(dá)到了綜合訓(xùn)練的要求。 使自己在課堂上學(xué)到的知識(shí)得到了運(yùn)用，進(jìn)一步的掌握了有限元分析法。并 且對(duì)有限元軟件ANSYST了更好的認(rèn)識(shí)，操作的熟練程度大大的得到了提高。 這次綜合訓(xùn)練不僅培養(yǎng)了我獨(dú)立思考、動(dòng)手操作的能力也有了提高。同時(shí)我明白了在今后社會(huì)的發(fā)展和學(xué)習(xí)實(shí)踐過(guò)程中，一定要不懈努力， 不能遇到問(wèn)題就想到要退縮，一定要不厭其煩的發(fā)現(xiàn)問(wèn)題所在，然后一一進(jìn) 行解決，只有這樣，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荊斬 棘，而不是知難而退，那樣永遠(yuǎn)不可能收獲成功，收獲喜悅，也永遠(yuǎn)不可能 得到社會(huì)及他人對(duì)你的認(rèn)可！此次設(shè)計(jì)也讓我明白了思路即出路，有什么不 懂不明白的地方要及時(shí)請(qǐng)教或上網(wǎng)查詢，只要認(rèn)真鉆研，動(dòng)腦思考，動(dòng)手實(shí) 踐，就沒(méi)有弄不懂的知識(shí)。最后感謝張老師和同學(xué)對(duì)我的幫助與細(xì)心指導(dǎo)，使我能夠?qū)W到很多知識(shí)并順 利完成任務(wù)。燕山 大學(xué)綜合訓(xùn)練 說(shuō)明書(shū)燕山大學(xué)綜合訓(xùn)練評(píng)審意見(jiàn)表指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)：（1）任務(wù)完成情況：按照任務(wù)書(shū)要求（很好、比較好、一般、較差）完成規(guī)定的任務(wù)量；（2）紀(jì)律、態(tài)度：工作作風(fēng)（特別、比較、不夠）嚴(yán)謹(jǐn)扎實(shí)；工作（非常、比較、不夠）努力；（3）分析與解決問(wèn)題的能力：（能、基本能、不能）運(yùn)用所學(xué)知識(shí)和技能去發(fā)現(xiàn)與解決實(shí)際問(wèn)題;（4）綜合訓(xùn)練論文質(zhì)量： 文字通順，編號(hào)齊全、書(shū)寫(xiě)工整規(guī)范；圖表完備、符號(hào)統(tǒng)一、整潔、正 確，技術(shù)用語(yǔ)準(zhǔn)確，有見(jiàn)解；論述充分，分析