基于ANSYS在数控机床上的热特性有限元分析毕业论文.doc

目录1绪论.12有限元原理.12.1有限元法的基本思想.12.2有限元法的发展概况.22.3有限元法分类.32.4有限元法分析过程.43ANSYS概述.43.1ANSYS的发展.53.2ANSYS的内容.53.3ANSYS的特征.74ANSYS的有限元法举例.104.1实体建模.104.1.1简单的三维建模.104.1.2直齿圆柱齿轮的实体建模.114.2直齿圆柱齿轮ANSYS有限元分析与典型算法的比较.144.3加工中心机床整机热特性分析的必要性.174.3.1XH6650型卧式加工中心机床的有限元建模.174.3.2机床的有限元模型的建立.184.4机床的热特性研究.194.4.1机床的热源与发热量的计算.194.4.2机床的稳态温度场分析.204.4.3机床的热变形分析.215结论.22致谢.23参考文献.2411绪论有限元法是工程领域中应用最广泛的一种数值计算方法,它不但可以解决工程中的结构分析问题,而且已成功地解决了传热学、流体力学、电磁学和声学等领域的问题。经过四十多年的发展,有限元方法的理论已经相当完善,将有限元理论、计算机图形学和优化技术相结合,开发出了一批使用有效的通用与专用有限元软件,它们以功能强、用户使用方便、技术结果可靠和效率高而逐渐形成了新的技术产品,使用这些软件已经成功地解决了机械、水工、土建、桥梁、机电、冶金、锻造、造船、宇航、核能、地震、物探、气象、水文、物理、力学、电磁学以及国际工程领域众多的大型科学和工程计算难题。有限元软件已经成为推动科技进步和社会发展的生产力,并且取得了巨大的经济和社会效益。ANSYS软件是集结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，可广泛用于航空航天、土木工程、机械制造、车辆工程、生物医学、核工业、电子、造船、能源、地矿、水利、轻工等一般工业及科学研究。该软件可在大多数计算机及操作系统中运行.国际对机床热变形的理论研究始于20世纪60年代，开始阶段是利用热工学理论知识研究机床热变形问题，初步建立了温度场与热变形之间的定性关系。直到70年代初，由于计算机等分析工具和远红外热像仪、激光全息照相等测试技术在热变形研究中的有效应用，使机床热变形研究进入了定量分析的新阶段，开始利用有限差分法和有限元法计算复杂的机床基础件的瞬态、稳态温度场和热变形。现在，由于计算机辅助工程(CAE)的迅速发展，开发了适于计算各种复杂模型的通用有限元分析软件，利用有限元法求解分析热变形成为主流方法。2有限元原理2.1有限元法的基本思想有限元法是在连续体上直接进行近似计算的一种数值方法。这种方法首先是将连续的求解区域离散为一组有限个单元(E1ernent)的组合体,而且认为单元之间只通过有限个点连接起来,这些连接点称为节点(Node)。单元与节点是有限元法中最基本的两个术语。有限元法利用在每一个单元内假定的近似函数分片地表示全求解域上待求的未知场函数(如位移场、应力场)。单元内的近似函数通常由未知场函数(或包括其导数)在单元内各个节点的数值通过函数插值来表示。这样，未知场函数(或包括其导数)在单元内各个节点的数值就成为新的未知量(即自由度),从而使一个连续的无限2自由度问题变成离散的有限自由度问题。一经求解出这些未知量,就可以通过函数插值计算出各个单元内场函数的近似值,从而得到整个求解域上场函数的近似值。显然,随着单元数量的增加,也即单元尺寸的减小,解的近似程度将不断改进。那么,单元越多,网格越密,解答就越接近于精确解吗?不一定。所以对假定的未知场函数进行收敛性分析,是有限元法必须研究的一个问题。由于单元本身可以有不同的形状,所以对几何形状复杂的问题都可方便地离散化,因此,有限元法可以处理各种复杂因素,如复杂的几何形状、任意的边界条件、不均匀的材料特性、结构中包含不同类型构件等等,它们都能用有限元法灵活地求解。有限元法在工程中得到了广泛的应用。2.2有限元法的发展概况有限元法基本思想的提出,可以追溯到Courant在1943年的工作,他第一次尝试应用定义在三角形区域的分片连续函数和最小势能原理求解圣维南(St.Venant)扭转问题。但由于当时没有计算机这一工具,没能用来分析工程实际问题,因而未得到重视和发展。现代有限元法第一个成功的尝试,是将刚架位移法推广应用于弹性力学平面问题,这是TImer、Clough等人在分析飞机结构时于1956年得到的成果。他们第一次给出了用三角形单元求平面应力问题的正确解答,他们的研究打开了利用计算机求解复杂问题的新局面。1960年Clough将这种方法命名为有限元法。1963至1964年,Besseling、Melosh和Jbnes等人证明了有限元法是基于变分原理的里兹(Riu)法的另一种形式,从而使里兹法分析的所有理论基础都适用于有限元法,确认了有限元法是处理连续介质问题的一种普遍方法。利用变分原理建立有限元方程和经典里兹法的主要区别是,有限元法假设的近似函数不是在全求解域上规定的,而是在单元上规定的,而且事先不要求满足任何边界条件,因此它可以用来处理很复杂的连续介质问题。有限元法在工程中应用的巨大成功,引起了数学界的关注。20世纪60至70年代数学工作者对有限元的误差、解的收敛性和稳定性等方面进行了卓有成效的研究,从而巩固了有限元法的数学基础。我国数学家冯康,在20世纪60年代研究变分问题的差分格式时,也独立地提出了分片插值的思想,为有限元法的创立作出了贡献。四十多年来,有限元法的应用己由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题,由静力平衡问题扩展到稳定问题、动力问题和波动问题。分析的对象从弹性材料扩展到塑性、粘弹性、粘塑性和复合材料等,从固体力学扩展到流体力学、传热学等连续介质力学领域。在工程分析中的作用己从分析和校核扩展到优化设计,并和计算机辅助设计技术相结合。可以预计,随着现代力学、计算数学和计算机技术等学科的发展,有限元法作为一个具3有巩固理论基础和广泛应用效力的数值分析工具,必将在国民经济建设和科学技术发展中发挥更大的作用,其自身亦将得到进一步的发展和完善。2.3有限元法分类有限元法可分为两大类,即线弹性有限元法和非线性有限元法。其中线弹性有限元法是非线性有限元法的基础,二者不但在分析方法和研究步骤上有类似之处,而且后者常常要引用前者的某些结果。（一）线弹性有限元法线弹性有限元法以理想弹性体为研究对象,所考虑的变形建立在小变形假设的基础上。在这类问题中,材料的应力与应变呈线性关系,满足广义胡克定律:应变与位移也是线性关系。线弹性有限元问题归结为求解线性方程组问题,所以只需较少的计算时间。如果采用高效的代数方程组求解方法,也有助于降低有限元分析的时间。线弹性有限元一般包括线弹性静力分析与线弹性动力分析两个主要内容。学习这些内容需具各材料力学、弹性力学、结构力学、数值方法、矩阵代数、算法语言、振动力学、弹性动力学等方面的知识。（二）非线性有限元法非线性有限元问题与线弹性有限元问题有很大不同,主要表现在如下三个方面:(1)非线性问题的方程是非线性的,因此一般需要迭代求解；(2)非线性问题不能采用叠加原理；(3)非线性问题不总有一致解,有时甚至没有解。以上三方面的因素使非线性问题的求解过程比线弹性问题更加复杂、费用更高和更具有不可预知性。有限元法所解的非线性问题可以分为如下三类:1.材料非线性问题材料的应力与应变是非线性关系,但应变与位移却很微小,此时应变与位移呈线性关系,这类问题属于材料非线性问题。由于从理论上还不能提供能普遍接受的本构关系,所以,一般来说,材料的应力与应变之间的非线性关系要基于试验数据,有时非线性材料特性可用数学模型进行模拟,尽管这些模型总是有它们的局限性。在工程实际中较为重要的材料非线性问题有:非线性弹性(包括分段线弹性)、弹塑性、粘塑性及蠕变等。2.几何非线性问题几何非线性是由于位移之间存在非线性关系引起的。当物体的位移较大时,应变与位移的关系是非线性关系,这意味着结构本身会产生大位移或