機(jī)械零件有限元分析——實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、 中南林業(yè)科技大學(xué) 機(jī)械零件有限元分析實(shí)驗(yàn)報(bào)告 專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化年級(jí)： 2013級(jí) 班級(jí)： 機(jī)械一班 姓名： 楊 政 學(xué)號(hào)： 20131461 I一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?通過(guò)實(shí)驗(yàn)了解和掌握機(jī)械零件有限元分析的基本步驟；掌握在 ANSYS 系統(tǒng)環(huán)境下，有限元模型的幾何建模、單元屬性的設(shè)置、有限元網(wǎng)格的劃分、約束與載荷的施加、問(wèn)題的求解、后處理及各種察看分析結(jié)果的方法。體會(huì)有限元分析方法的強(qiáng)大功能及其在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的作用。 二、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為兩個(gè)部分：一個(gè)是受內(nèi)壓作用的球體的有限元建模與分析，可從中學(xué)習(xí)如何處理軸對(duì)稱問(wèn)題的有限元求解；第二個(gè)是軸承座的實(shí)體建模、網(wǎng)格劃分、加載、求解及

2、后處理的綜合練習(xí)，可以較全面地鍛煉利用有限元分析軟件對(duì)機(jī)械零件進(jìn)行分析的能力。 實(shí)驗(yàn)一、 受內(nèi)壓作用的球體的有限元建模與分析 對(duì)一承受均勻內(nèi)壓的空心球體進(jìn)行線性靜力學(xué)分析，球體承受的內(nèi)壓為 1.0×108Pa，空心球體的內(nèi)徑為 0.3m，外徑為 0.5m，空心球體材料的屬性：彈性模量 2.1×1011，泊松比 0.3。 R1=0.3 R2=0.5 承受內(nèi)壓：1.0×108 Pa 受均勻內(nèi)壓的球體計(jì)算分析模型（截面圖） 1、 進(jìn)入 ANSYS change the working directory into yours input jobname: Sphere

3、2、 選擇單元類型 ANSYS Main Menu: Preprocessor Element TypeAdd/Edit/Delete Add select Solid Quad 4node 42 OK (back to Element Types window) Options select K3: Axisymmetric OKClose (the Element Type window) 3、 定義材料參數(shù) ANSYS Main Menu: Preprocessor Material Props Material Models Structural Linear Elastic Isot

4、ropic input EX:2.1e11, PRXY:0.3 OK 4、 生成幾何模型生成特征點(diǎn) ANSYS Main Menu: Preprocessor Modeling Create Keypoints In Active CS 依次輸入四個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)：input：1(0.3，0)，2(0.5，0)，3(0，0.5)，4(0，0.3) OK 生成球體截面 ANSYS 命令菜單欄: Work Plane>Change Active CS to>Global Spherical ANSYS Main Menu: Preprocessor Modeling Create Lines

5、 In Active Coord 依次連接 1,2,3,4 點(diǎn)生成 4 條線OK Preprocessor Modeling Create Areas Arbitrary By Lines 依次拾取四條線OK ANSYS 命令菜單欄: Work Plane>Change Active CS to>Global Cartesian 5、 網(wǎng)格劃分 ANSYS Main Menu: Preprocessor Meshing Mesh Tool(Size Controls) lines: Set 拾取兩條直邊:OKinput NDIV: 10 Apply拾取兩條曲邊:OK input N

6、DIV: 20 OK (back to the mesh tool window) Mesh: Areas，Shape: Quad，Mapped Mesh Pick All (in Picking Menu) Close( the Mesh Tool window) 6、 模型施加約束給水平直邊施加約束 ANSYS Main Menu: Solution Define Loads Apply Structural Displacement On Lines 拾取水平邊：Lab2: UY OK 給豎直邊施加約束 ANSYS Main Menu: Solution Define Loads App

7、ly Structural Displacement Symmetry B.C. On Lines 拾取豎直邊 OK 給內(nèi)弧施加徑向的分布載荷 ANSYS Main Menu: Solution Define Loads Apply Structural Pressure On Lines 拾取小圓弧；OK input VALUE:1e8 OK 7、 分析計(jì)算 ANSYS Main Menu: Solution Solve Current LS OK(to close the solve Current Load Step window) close 8、 結(jié)果顯示 ANSYS Main Me

8、nu: General Postproc Plot Results Deformed Shape select Def + Undeformed OK (back to Plot Results window) Contour Plot Nodal Solu select: DOF solution, 分別選 X-Component of displacement + Deformed Shape with undeformed model; Y-Component of displacement + Deformed Shape with undeformed model; Displace

9、ment vector sum + Deformed Shape with undeformed model. Contour Plot Nodal Solu Stress 下分別選 X-Component of stress + Deformed Shape with undeformed model; Y-Component of stress + Deformed Shape with undeformed model; Z-Component of stress + Deformed Shape with undeformed model; Von mises stress + Def

10、ormed Shape with undeformed model. 查看各后處理結(jié)果的數(shù)據(jù)并回答最后面的問(wèn)答題。實(shí)驗(yàn)二、軸承座的實(shí)體建模、網(wǎng)格劃分、加載、求解及后處理實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簩W(xué)習(xí)創(chuàng)建實(shí)體模型的方法，工作平面的平移及旋轉(zhuǎn)，布爾運(yùn)算（相減、粘接、搭接等），基本網(wǎng)格劃分，基本加載、求解及后處理。 問(wèn)題描述：下圖為一軸承座，具體尺寸見課本 128 頁(yè)。已知軸承座的材料屬性為：彈性模量為 3×107psi，泊松比為 0.3。軸承座承受的載荷如下圖所示，試分析軸承座的變形及內(nèi)部應(yīng)力分布狀態(tài)。 圓孔下半部分的內(nèi)表面承受向下作用力 (3500學(xué)號(hào)后兩位×5) psi. 軸承座底部四條邊

11、線的約束 (UY=0) 沉孔底面上的推力 (800學(xué)號(hào)后兩位×5) psi. 四個(gè)安裝孔徑向約束 (對(duì)稱位移約束) 具體步驟： 1、創(chuàng)建基座模型 生成長(zhǎng)方體 Main Menu：Preprocessor>>Modeling>Create>Volumes>Block>By Dimensions 輸入 x1=0，x2=3，y1=0，y2=1，z1=0，z2=3 平移并旋轉(zhuǎn)工作平面 Utility Menu>WorkPlane>Offset WP by Increments X,Y,Z Offsets 輸入 2.25，1.25，0.75 點(diǎn)擊

12、 Apply XY，YZ，ZX Angles 輸入 0，90，0。點(diǎn)擊 OK。 創(chuàng)建圓柱體 Main Menu：Preprocessor>Modeling>Create> Volumes>Cylinder> Solid Cylinder Radius 輸入 0.375，Depth 輸入1.5，點(diǎn)擊 OK。 拷貝生成另一個(gè)圓柱體 Main Menu：Preprocessor>Modeling >Copy>Volume 拾取圓柱體，點(diǎn)擊 Apply， DZ 輸入1.5，然后點(diǎn)擊 OK。 從長(zhǎng)方體中減去兩個(gè)圓柱體 Main Menu：Preproces

13、sor>Modeling >Operate>Booleans>Subtract> Volumes，首先拾取被減的長(zhǎng)方體，點(diǎn)擊 Apply，然后拾取減去的兩個(gè)圓柱體，點(diǎn)擊 OK。 使工作平面與總體笛卡爾坐標(biāo)系一致 Utility Menu>WorkPlane>Align WP with> Global Cartesian 2、創(chuàng)建支撐部分 Utility Menu: WorkPlane -> Display Working Plane (toggle on) Main Menu: Preprocessor -> Modeling->

14、;Create -> -Volumes->-Block -> By 2 corners & Z 在創(chuàng)建實(shí)體塊的參數(shù)表中輸入下列數(shù)值: WP X = 0 WP Y = 1 Width = 1.5 Height = 1.75 Depth = 0.75 OK Toolbar: SAVE_DB 3、偏移工作平面到軸瓦支架的前表面 Utility Menu: WorkPlane -> Offset WP to -> Keypoints + 1. 在剛剛創(chuàng)建的實(shí)體塊的左上角拾取關(guān)鍵點(diǎn) 2. OK Toolbar: SAVE_DB 4、創(chuàng)建軸瓦支架的上部 Main Me

15、nu: Preprocessor -> Modeling->Create -> Volumes->Cylinder -> Partial Cylinder + 1). 在創(chuàng)建圓柱的參數(shù)表中輸入下列參數(shù): WP X = 0 WP Y = 0 Rad-1 = 0 Theta-1 = 0 Rad-2 = 1.5 Theta-2 = 90 Depth = -0.75 2). OK Toolbar: SAVE_DB 5、在軸承孔的位置創(chuàng)建圓柱體，為布爾操作生成軸孔做準(zhǔn)備 Main Menu: Preprocessor -> Modeling->Create -&

16、gt; Volume->Cylinder -> Solid Cylinder + 1) 輸入下列參數(shù): WP X = 0 WP Y = 0 Radius = 1 Depth = -0.1875 2) 拾取 Apply 3) 輸入下列參數(shù): WP X = 0 WP Y = 0 Radius = 0.85 Depth = -2 4.) OK 6、從軸瓦支架“減”去圓柱體形成軸孔 Main Menu: Preprocessor -> Modeling ->Operate -> Booleans ->Subtract -> Volumes + 1. 拾取構(gòu)成軸

17、瓦支架的兩個(gè)體，作為布爾“減”操作的母體。單擊 Apply 2. 拾取大圓柱（Radius = 1 的圓柱）作為“減”去的對(duì)象。單擊 Apply 3. 拾取步 1 中的兩個(gè)體，單擊 Apply 4. 拾取小圓柱體（Radius = 0.85 的圓柱），單擊 OK Toolbar: SAVE_DB 合并重合的關(guān)鍵點(diǎn)： Main Menu > Preprocessor > Numbering Ctrls > Merge Items，將 Label 設(shè)置為 “Keypoints”，單擊 OK。 7、創(chuàng)建一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)在底座的上部前面邊緣線的中點(diǎn)建立一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn): Main Menu &g

18、t; Preprocessor > -Modeling > Create > Keypoints > KP between KPs + 拾取如圖的兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，單擊OK RATI = 0.5，單擊OK 8. 創(chuàng)建一個(gè)三角面并形成三棱柱 Main Menu > Preprocessor > -Modeling>Create > -Areas> Arbitrary > Through KPs + 1. 拾取軸承孔座與整個(gè)基座的交點(diǎn)； 2. 拾取軸承孔上下兩個(gè)體的交點(diǎn)； 3. 拾取基座上第 7 步建立的關(guān)鍵點(diǎn)，單擊 OK，完成三角形側(cè)面的建模

19、； 4 沿面的法向拖拉三角面形成一個(gè)三棱柱； Main Menu > Preprocessor > -Modeling > Operate > Extrude > Areas >Along Normal + 拾取三角面，單擊 OK 5. 輸入 DIST = 0.15，厚度的方向是向軸承孔中心，單擊 OK Toolbar: SAVE_DB 9. 關(guān)閉 working plane display. Utility Menu: WorkPlane -> Display Working Plane (toggle off) 10沿坐標(biāo)平面鏡射生成整個(gè)模型. M

20、ain Menu: Preprocessor -> Modeling->Reflect -> Volumes + 1. 拾取 All 2. 拾取 Y-Z plane，單擊 OK Toolbar: SAVE_DB 11. 粘接所有體 Main Menu: Preprocessor -> Modeling->Operate -> Booleans->Glue -> Volumes + 拾取 All Toolbar: SAVE_DB 12 定義單元類型 1 為 10-節(jié)點(diǎn)四面體實(shí)體結(jié)構(gòu)單元 (SOLID92) Main Menu: Preprocess

21、or -> Element Type -> Add/Edit/Delete . 1. Add 2. 選擇 Structural-Solid, 并下拉菜單選擇 “Tet 10Node 92”單擊 OK 3. Close 13 定義材料特性 Main Menu: Preprocessor -> Material Props -> Material Models> Structural> Linear> Elastic>Isotropic. 1. EX：30e6 2. PRXY：0.3，單擊 OK。 Toolbar: SAVE_DB 14. 用網(wǎng)格劃分

22、器MeshTool將幾何模型劃分單元 Main Menu: Preprocessor -> Meshing>MeshTool. 1將智能網(wǎng)格劃分器（ Smart Sizing ）設(shè)定為 “on” 2. 將滑動(dòng)碼設(shè)置為 “6”。 (可將其設(shè)置為“5”或更小值來(lái)獲得更密的網(wǎng)格) 3. 確認(rèn) MeshTool 的各項(xiàng)為: Volumes，Tet，F(xiàn)ree 4. 單擊 Mesh 按鈕 5. 單擊 Pick All 按鈕 6. 關(guān)閉 MeshTool Toolbar: SAVE_DB 15. 約束四個(gè)安裝孔 Main Menu: Solution -> Define Loads>

23、-Apply -> Structural->Displacement ->Symmetry B.C. ->On Areas + 1. 繪出 Areas (Utility Menu: Plot-> Areas) 2. 拾取四個(gè)安裝孔的 8 個(gè)柱面 （每個(gè)安裝孔包括兩個(gè)面）， 單擊 OK。 說(shuō)明：在拾取時(shí)，按住鼠標(biāo)的左鍵便有實(shí)體增亮顯示，拖動(dòng)鼠標(biāo)時(shí)顯示的實(shí)體隨之改變，此時(shí)松開左鍵即選中此實(shí)體。 16 整個(gè)基座的底部施加位移約束 (UY=0) Main Menu: Solution -> Loads->Apply -> Structural->D

24、isplacement -> on Lines + 1. 拾取基座底面的所有外邊界線，拾取對(duì)話框中的 “count” 應(yīng)等于 6，單擊 OK。 2. 選擇 UY 作為約束自由度，單擊 OK。 17. 在軸承孔圓周上（沉孔底面）施加推力載荷 Main Menu: Solution -> Define Loads->Apply -> Structural->Pressure -> On Areas + 1. 拾取軸承孔上寬度為 .15”的所有面 2. OK 3. 輸入面上的壓力值“800學(xué)號(hào)后兩位×5 ”，單擊 Apply 4 Utility Menu: PlotCtrls -> Symbols 5 用箭頭（arrow）顯示壓力值， (“Show pres and convect a