麻花钻的建模和有限元分析毕业设计论文.doc

陕西理工学院毕业设计论文 麻花钻的建模及强度分析 摘要 ： 采用三维建模软件建立麻花钻的三维模型，分析刀具在工作 时的受力情况。应用有限元软件对麻花钻进行模态分析，研究其结构 的震动特性 。 利用 deform 软件对麻花钻的工作过程进行模拟仿真。 关键词 ：麻花钻 ； 三维建模 ； ansys 分析； deform 仿真 陕西理工学院毕业设计论文 twist drill modeling and the analysis of its intension junbing wu （grade07,class 3，major mechanical design and manufacturing automation ， school of mechanical engineering dept.，shaanxi university of technology，hanzhong 723003，shaanxi） tutor: hongling hou abstract: this artical introduced the 3d modeling method of twist drill and the analysis of twist drill when it behaves. finite element software for modal analysis twist. deform software using process simulation work. key words: twist drill；ansys；deform； simulation 陕西理工学院毕业设计论文 - i - 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文） ，是我个人在指导教师的 指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和 致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不 包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。 对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的 说明并表示了谢意。 作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日 期： 使用授权说明使用授权说明 本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文） 的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本； 学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅 览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在 不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名： 日 期： 陕西理工学院毕业设计论文 - ii - 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名：日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 陕西理工学院毕业设计论文 - iii - 目 录 目目 录录 i i 1 1 绪论绪论 1 1 1.1 引言 1 1.2 研究背景与国内外研究现状2 1.3 本课题的研究意义 3 1.4 本课题研究的主要工作 4 2 2 麻花钻切削理论基础麻花钻切削理论基础 6 6 2.1 麻花钻应用到的理论基础 6 2.1.1 麻花钻的组成 6 2.1.2 麻花钻的角度 7 2.1.3 基面和切削平面 9 2.2 钻削力的计算 9 3 3 麻花钻的建模麻花钻的建模 1111 3.1 pro/engineer 11 3.1.1 pro/engineer 的概述 .11 3.2.1 创建毛坯 .11 3.2.2 创建螺旋槽 .15 3.2.3 创建横刃 .19 陕西理工学院毕业设计论文 - iv - 4 4 有限元数值分析理论与有限元数值分析理论与 ansysansys 软件介绍软件介绍 2424 4.1 有限元方法分析过程概述 .24 4.1.1 连续体的离散化 .24 4.1.2 单元分析 .24 4.2 ansys 软件介绍 .24 4.2.1 软件功能简介 .25 4.2.2 前处理模块 prep7 .25 4.2.3 求解模块 solution 26 4.3 静应力分析 .27 4.3.1 麻花钻的静应力分析步骤.28 4.4 模态分析 .35 4.4.1 模态分析:模态分析的定义和模态分析介绍 35 4.4.2 在 ansys 中有以下几种提取模态的方法：35 4.4.3 模态分析中的四个主要步骤：.36 4.4.4 模态分析步骤: :36 5 5 钻削过程的模拟仿真与钻削过程的模拟仿真与 deform-3ddeform-3d 软件介绍软件介绍 4646 5.1deform-3d软件介绍46 5.1.1 deform-3d 软件简介 .46 5.1.2deform-3d 的操作流程 46 5.2 钻削过程仿真 .49 致致 谢谢 6060 陕西理工学院毕业设计论文 - v - 参考文献参考文献 6161 外文文献译文外文文献译文 6262 陕西理工学院毕业设计论文 第 1 页 共 66 页 1 绪论 1.11.1 引言引言 切削加工是机械加工制造应用最多的加工方式之一，它可以应用在几乎所有的 机械加工制造行业当中，是国民生产的重要支柱。各国对于此领域的投入都颇为巨大， 例如美国的年投入经费就超过 3000 亿美元。而一个产品的加工精度高低、质量好坏取 决于整个加工系统的性能，不是单一依靠某个环节的，包括了机床、夹具、刀具等。 在全球化激烈竞争的背景下，特别是机械制造业技术水平突飞猛进的今天，提高切削 加工尤其是精密和超精密切削的生产效率和加工质量，就成为了必须重点研究的课题， 需要深入地研究切削机理、切削加工和切屑形成理论。但研究切削过程也是一个非常 复杂的课题，它不但涉及到多个学科的理论知识；切削的质量又受到刀具几何参数、 工件材料、温度分布、应力和刀具磨损等影响；在切削加工中，切削表面的残余应力 和残余应变又能严重影响了工件的精度和疲劳寿命。所以，利用传统的解析方法，很 难对切削机理进行定量的分析和研究，都局限在经验化范围内，这严重影响了切削加 工的效率，并导致加工成本高、加工过程中错误甚至事故的频繁发生。 随着计算机仿真技术在机械制造行业中应用范围的不断扩展，一些学者将其引入 到切削加工领域，从而形成了仿真技术，使得利用有限元仿真方法来研究切削加工过 程以及各种参数之间的关系成为可能。通过应用一些商用有限元软件，工程师和研究 人员可以定量分析这一过程，降低了切削过程分析的成本同时也提高了分析的质量。 通过应用有限元软件进行仿真模拟分析得出的数据与通过实验得到的数据基本吻合， 说明仿真模拟具有很高的可靠性，可作为研究设计的依据。 根据最新的资料显示，目前的研究主要集中在以下几个方面： (1)一般材料去除与 切削过程的研究；（2）特殊加工过程的计算机模拟的研究；（3）切削过程的几何与 过程参数的研究；（4）加工过程中的热研究；（5）加工过程中残余应力的研究； 陕西理工学院毕业设计论文 第 2 页 共 66 页 （6）加工机床的动力学研究与控制；（7）机床磨损与误差的研究；（8）切屑形成机 理的研究；（9）最优化与其他主题的研究。本文将采用有限元法研究切削过程中刀具 几何参数的变化对整个切削过程的影响。 1.2 研究背景与国内外研究现状研究背景与国内外研究现状 计算机模拟加工过程是制造工程领域的重要成果之一，由于使用了计算机模型对 所需切削力、切削温度、切削形成过程等进行仿真，大大简化了整个研究中试验过程， 减少了反复试验，节约了研究成本和人力，具有很高的价值。研究该领域的学者，都 倾向于应用有限元进行切削过程分析建模，有限元法的优点是让计算机能够自动模拟 整个切削的复杂过程。 几十年来的深入研究，人们对于计算机模拟已经有了比较全面的了解，建模方法 已经从最初的简单剪切平面法发展到更加复杂的有限元方法，而有限元方法是最新趋 势的代表。有限元法有着强大的应用能力，可以包含几乎所有金属切削过程的各个方 面，可以同时解决在刀屑接触面摩擦的应力平衡方程、应力应变增量关系式、热 传导方程、材料本构方程和应力特性方程。这个方法可能比其他方法更细致地揭示金 属切削过程。 国内外的研究者在有限元分析法上都做了细致的研究，取得了很多卓越的成果， 可也还是留下了一些发展的空间，让我们后人去探索。 merchant、piispanen 和 leeandshaffer 是最早应用分析模型的学者，他们利用了切 屑角模型来分析切屑在生成过程中的角度与刀具前角的关系。 1960 年 clough 在他的论文“平面分析的有限元法（the finite element method in plane stress analysis） ”中最先引入了有限元（finite element）这一术语，一提出就引 起了广泛的关注。 1982 年 usui 和 shirakashi 第一次提出刀面角、切屑几何形状和流线等概念，得出 了一个稳态的正交切削模型，应用此模型对切削过程中的应力应变和温度等参数进行 了预测。 陕西理工学院毕业设计论文 第 3 页 共 66 页 2004 年合肥工业大学的谢峰和刘正士有限元法及弹塑性变形理论对二维金属切削 的变形过程进行有限元分析，指出了金属由弹性变形到塑性变形时单元刚度矩阵变化 的规律。 2004 年邓文君等学者采用热力耦合、平面应变、连续带状切屑的切削模型模拟 了高强度耐磨铝青铜的正交切削加工过程。采用增量步移动刀具的方法，结合有限元 分析软件 marc 的网格重划分功能，模拟了刀具从初始切入到切削温度达到稳态的切 削加工过程，获得了不同切削深度和切削速度下的切屑形态、温度、应力、应变和应 变速率的分布。 2005 年胡韦华、王秋成、胡晓冬和刘云峰针对有限元方法在切削加工过程中得到 越来越广泛的应用，研究了切削加工过程数值模拟的研究进展情况，并对切削加工过 程数值模拟的发展方向进行了展望。 2006 年华南理工大学的何振威、全燕鸣和乐有树用 deform-2d 软件建立了典型 的正交切削模型，研究了高速切削中切削热在切屑、工件和刀具部分的量化分配规律。 但是所得的结果只是停留在模拟实验阶段，没有与实际试验做过比较。 2009 年李泽文、罗洪波、端正强和肖华军对三角形刀片的切削过程进行了有限元 分析，获得了不同切削用量对切削力、切削温度、刀片应力的影响，以选择合理的切 削用量来延长刀具寿命。 通过以上的了解，对于切屑形成过程的有限元模拟方面，国内的 2-d 模拟发展相 对 3-d 模拟较快，甚至能够对塑性较差的工件材料的切削进行 2-d 模拟；国内的仿真 主要停留在 2-d 领域，不仅视觉效果不够理想，而且模拟的能力仅局限于正交切削范 围，其它大部分的切削情况都不能模拟，如包含斜刃切削的车削、刨削、铣削、钻削 等切削加工情况。 1.31.3 本课题的研究意义本课题的研究意义 随着全世界越来越多的研究学者和工程师的努力，有限元法分析已经变得成熟 和可靠，他们通过计算机所进行的大量的模拟科学研究，获得了大量宝贵的资料和成 陕西理工学院毕业设计论文 第 4 页 共 66 页 果。由于传统的研究方法难以定量分析切削机理，一旦面对高速、超精密切削加工等 工艺，实验的方法便很难获得所需的相关参数，反而虚拟制造技术能够缩短开发周期、 降低成本、提高产品质量，从而提高产品的市场竞争力。对切削过程进行虚拟仿真， 研究金属切削变形等物理现象的影响因素，可以帮助合理选择参数工艺中的切削速度， 背吃刀量及进给量;对刀具几何结构(前角，后角等)进行优化设计，进而可以采取措施 减小切削力，提高金属切除效率并改善加工表面质量，优化加工工艺等。所以，采用 计算机模拟技术研究切削过程中的金属变形及其温度分布等是目前最有发展前景的研 究方法之一。通过阅读文献了解相关研究背景和国内外研究现状，我对于应用有限元 法模拟切削过程有了更清楚的认识，本课题能够全面地考量我在本科阶段的分析动手 能力、对于新理论的应用学习能力以及对于问题的探索研究能力，能够完成本课题将 是对我整个本科阶段的最佳总结。 1.41.4 本课题研究的主要工作本课题研究的主要工作 有限元法（finite element method ）是一种高效能，常用的计算方法。有限元法在 早期是以变分原理为基础发展起来的，所以它广泛应用于以拉普拉斯方程和泊松方程 所描述的各类物理场中。自从 1969 年以来，某些学者在流体力学中应用加权余数法中 的咖辽金法或最小二乘法同样获得了有限元方程，因而有限元法可应用于以任何微分 方程所描述的而各类物理场中，而不再要求这类物理场和泛函的极值有联系。 边界元法 是一种及有限元法之后发展起来的一种新数字方法与有限元法在连续 区域内划分单元的基本思想不同边界元法只是在定义域的边界上划分单元，用满足控 制方程的函数去逼近边界条件。与有限元相比具有单元个数少，数据准备简单等优点。 采用大型有限元分析软件 deform-3d 对普通麻花钻的钻削力进行仿真研究。 deform-3d 是 sftc 公司开发的基于有限元分析的工艺仿真软件，针对复杂的金属成型 过程，能够分析各种成型、热处理工艺，对加工过程中因工件材料、刀具材料的剪切 变形、切削温度内应力等因素进行分析，是正确选择刀具材料、刀具角度和切削用量 陕西理工学院毕业设计论文 第 5 页 共 66 页 以及进行材料加工性分析的依据。 研究方法 利用 cad 软件建立参数化麻花钻三维模型 建立麻花钻的数学模型，对麻花钻的钻削过程受力进行理论分析 在 ansys 下对刀具进行强度分析，获得 应变和应力分布图 对麻花钻进行模态分析，得到各个模态下的振型图 在 deform-3d 软件下进行钻削过程的模拟仿真 陕西理工学院毕业设计论文 第 6 页 共 66 页 2 麻花钻切削理论基础 2.1 麻花钻应用到的理论基础麻花钻应用到的理论基础 2.1.1 麻花钻的组成麻花钻的组成 麻花钻是孔加工过程中应用最广泛的一种工具，即可在实心材料上钻孔，也可将 已有孔进行扩大。可加工孔径的范围为 0.1-80mm。 麻花钻的结构 刀体：刀体是麻花钻的主要部分，它又分为切削部分和导向部分。切削部分担负 主要切削工作，导向部分在工作时起导向的作用。随着麻花钻的刃磨变短，导向部分 也是切削部分的准备部分。 颈部：是刀体和刀柄的连接部分，又是钻头打标记的地方。 刀柄：用于装夹钻头和传递动力。直径小的钻头为直柄。为了减小麻花钻与孔壁 的摩擦，导向部分做有两条窄的刃带，且外径磨有倒锥量，即外径从切削部分向刀柄 逐渐减少。 麻花钻的两个刀齿靠钻心连接，因而两个主切削刃不通过钻心，而相互距离一个 钻心直径。为了增大钻头的强度，把钻心做成正椎体，钻心从切削部分向刀柄逐渐增 大，其增大量每 100mm 长度为 1.4-1.8mm。如图。2.1 所示。 陕西理工学院毕业设计论文 第 7 页 共 66 页 图 2.1 麻花钻的结构 2.1.22.1.2 麻花钻的角度麻花钻的角度 钻头实际上相当于正反安装的两把内孔车刀的组合刀具，只是这两把内孔车刀的 主切削刃高于工件中心（因为有钻心而形成横刃的缘故，钻心半径为 ） 端面刃倾角 为方便起见，钻头的刃倾角通常在端平面内表示。钻头主切削刃上某点的端面刃 倾角是主切削刃在端平面的投影与该点基面之间的夹角。如图 2.2 所示，其值总是负的。 且主切削刃上各点的端面刃倾角是变化的，愈靠近钻头中心端面刃倾角的绝对值愈大。 如图 2.2 所示 主偏角 麻花钻主切削刃上某点的主偏角是该点基面上主切削刃的投影与钻头进给方向之 间的夹角。由于主切削刃上各点的基面不同，各点的主偏角也随之改变。主切削刃上 各点的主偏角是变化的，外缘处大，钻心处小。 图 2.2 麻花钻的主要角度 前角 麻花钻的前角 是正交平面内前刀面与基面间的夹角。由于主切削刃上各点的 基面不同，所以主切削刃上各点的前角也是变化的，如图 2.2 所示。前角的值从外缘到 陕西理工学院毕业设计论文 第 8 页 共 66 页 钻心附近大约由+30减小到-30，其切削条件很差。 后角 切削刃上任一点的后角 ，是该点的切削平面与后刀面之间的夹角。钻头后角 不在主剖面内度量，而是在假定工作平面（进给剖面）内度量（见图 736a） 。在钻削 过程中，实际起作用的是这个后角，同时测量也方便。 钻头的后角是刃磨得到的，刃磨时要注意使其外缘处磨得小些（约 810） ， 靠近钻心处要磨得大些（约 2030） 。这样刃磨的原因，是可以使后角与主切削刃 前角的变化相适应，使各点的楔角大致相等，从而达到其锋利程度、强度、耐用度相 对平衡；其次能弥补由于钻头的轴向进给运动而使刀刃上各点实际工作后角减少一个 该点的合成速度角 （见图 2.2 中 f-f 剖面）所产生的影响；此外还能改变横刃处的切 削条件。 图2.3麻花钻的前刀面和后刀面 横刃斜角是在钻头的端面投影中，横刃与主切削刃之间的夹角。它是刃磨钻头时 自然形成的，锋角一定时，后角刃磨正确的标准麻花钻横刃斜角 为 4755，而 后角愈大则 愈小，横刃的长度会增加。 陕西理工学院毕业设计论文 第 9 页 共 66 页 2.1.3 基面和切削平面基面和切削平面 在分析麻花钻的几何角度时，首先必须弄清楚钻头的基面和切削平面。 基面：切削刃上任一点的基面，是通过该点，且垂直于该点切削速度方向的平面， 如图 2.4a 所示。在钻削时，如果忽略进给运动，钻头就只有圆周运动，主切削刃上每 一点都绕钻头轴线做圆周运动，它的速度方向就是该点所在圆的切线方向，如图 2.4b 中 a 点的切削速度 垂直于 a 点的半径方向，b 点的切削速度 垂直于 b 点的半 径方向。不难看出，切削刃上任一点的基面就是通过该点并包含钻头轴线的平面。由 于切削刃上各点的切削速度方向不同，所以切削刃上各点的基面也就不同。 切削平面：切削刃上任一点的切削平面是包含该点切削速度方向，而又切于该点 加工表面的平面（图 2.4a 所示为钻头外缘刀尖 a 点的基面和切削平面） 。切削刃上各 点的切削平面与基面在空间相互垂直，并且其位置是变化的。 图 2.4 麻花钻的切削平面 2.2 钻削力的计算钻削力的计算 在钻头的每个切削刃上都作用着三个力，如图 2.5 所示。 陕西理工学院毕业设计论文 第 10 页 共 66 页 图 2.5 麻花钻受力示意图 包括横刃和主刃上的轴向力径向力，。 钻削力和扭矩主切削刃横刃棱带 轴向力40573 扭矩801010 表 2.1 麻花钻受力分布 轴向力 f= (n) 切削功率 =2 （w） 表 2.2 高速钢麻花钻切削力及功率计算公式 计算公式 单位 d（mm） ；f（mm/r）;n(r/s), r=0.75，d=20mm，n=320r/min,f=0.25mm/r 工件材料 钢333.541.90.8833.8510.7 表 2.3 各主要参数 代入参数计算得 f=6337n，按比例施加在横刃和主切削刃上。本次设计主要分析 钻头受轴向力的影响，所以磨檫力等不予考虑。 陕西理工学院毕业设计论文 第 11 页 共 66 页 3 麻花钻的建模 3.13.1 pro/engineerpro/engineer 3.1.13.1.1 pro/engineerpro/engineer 的概述的概述 1985 年，ptc 公司成立于美国波士顿，开始参数化建模 软件的研究。1988 年， v1.0 的 pro/engineer 诞生了。进过 10 余年的发展，pro/engineer 已经成为三维 建模软件的领头羊。目前已经发布了 pro/engineerwildfire6.0。ptc 的 系列软件包 括了在工业设计和机械设计等方面的多项功能，还包括对大型装配体的管理、功能仿 真、制造、产品数据管理等功能。pro/engineer 还提供了全面集成紧密的产品开发 环境。是一款有设计到生产的机械自动化软件，是新一代的产品造型系统，是一个参 数化。基于特征的实体造型系统，并且具有单一数据库功能的综合性 mcad 软件。 3.23.2 pro/engineerpro/engineer 中麻花钻的三维建模中麻花钻的三维建模 3.2.1 创建毛坯创建毛坯 单击文件-新建命令，弹出新建对话框。在其中选择零件和实体单选按钮，在名称 文本框中输入 zuantou，单击确定按钮，进入特征创建环境。如图 3.1 陕西理工学院毕业设计论文 第 12 页 共 66 页 图 3.1 创建环境选择 创建拉伸特征。 在工具栏单击拉伸按钮，弹出拉伸操控面板，在操控面板内单击放置按钮，然后 但单击定义，弹出草绘对话框。 定义草绘平面，如图所示，单击草绘按钮，进入草绘环境。如图 3.2 图 3.2 草绘平面选取 陕西理工学院毕业设计论文 第 13 页 共 66 页 单击圆心和圆点按钮，绘制直径为 20mm 的圆，作为拉伸截面，如图 3.3 所示。 图 3.3 拉伸截面 单击确定按钮，在操控面板内输入深度值为 238，单击确定按钮完成。如图 3.4 陕西理工学院毕业设计论文 第 14 页 共 66 页 图 3.4 拉伸圆柱 单击倒圆角按钮，选取靠近top面的边界线，在操控面板内定义如图 陕西理工学院毕业设计论文 第 15 页 共 66 页 图 3.5top 面的选取 陕西理工学院毕业设计论文 第 16 页 共 66 页 图 3.6 刀柄倒角 3.2.2 创建螺旋槽 创建螺旋线，单击编辑-包络命令，单击操控面板内的定义按钮，选择草绘平面。 如图 3.7 陕西理工学院毕业设计论文 第 17 页 共 66 页 图 3.7 草绘平面的选取 设置包络的圆点，绘制图形如图 3.8 所示 图 3.8 包络原点的放置 单击确定按钮，绘制的包络曲线如图 3.9 所示。 陕西理工学院毕业设计论文 第 18 页 共 66 页 图 3.9 包络曲线 单击可变剖面扫描，设置操控面板如图 3.10 所示 图 3.10 螺旋槽特征选取 陕西理工学院毕业设计论文 第 19 页 共 66 页 绘制扫描截面如图 3.11 所示 图 3.11 扫描截面 单击确定按钮，去除材料，效果如图 3.12 所示。 陕西理工学院毕业设计论文 第 20 页 共 66 页 图 3.12 单一螺旋槽的创建 选择可变扫描特征，单击编辑-阵列，选择中心轴为旋转轴，阵列个数为 2 ，角度 为 180，单击确定，结果如图 3.13 所示。 图 3.13 双螺旋槽的创建 3.2.3 创建横刃 单击曲线按钮-经过点-确定-选择点-确定，得到横刃曲线如图 3.14 所示。 陕西理工学院毕业设计论文 第 21 页 共 66 页 图 3.14 横刃曲线段选取 单击平面按钮，已 top 面为基准，穿件 dtm1 基准面，如图 3.15 所示，便宜距离为 5.8. 图 3.15dtm1 面的创建 陕西理工学院毕业设计论文 第 22 页 共 66 页 单击草绘按钮，已 dtm1 面为草绘平面，选择呢草绘命令，参照选择两个端点， 绘制圆弧。如图 3.16 所示。 图 3.16 圆弧的绘制 .单击边界混合按钮，选择一圆弧和横刃直线，单击确定，如图 3.17 所示。 陕西理工学院毕业设计论文 第 23 页 共 66 页 图 3.17 单边混合 选择编辑命令，实体化，如图 3.18 所示。 图 3.18 单边实体化 陕西理工学院毕业设计论文 第 24 页 共 66 页 对另外一边用同样的方法进行实体化，如图 3.19 所示。 图 3.19 横刃的创建 对横刃进行修改，螺旋槽收尾，完成结果如图 3.20 所示。 图 3.20 麻花钻 陕西理工学院毕业设计论文 第 25 页 共 66 页 4 有限元数值分析理论与 ansys 软件介绍 4.1 有限元方法分析过程概述有限元方法分析过程概述 有限元法的基本思想是：把要分析的连续体离散化，即将连续体变换成为有限个 单元所组成的组合体，这些单元体之间只是通过结点来连接和制约。当连续体受到外 力作用发生变形时，组成它的各个单元也将发生变形，因而各个结点要产生不同程度 的位移，这种位移称为结点位移。在有限元中，常以结点位移作为基本未知量。并对 每个单元根据分块近似的思想，假设一个简单的函数近似地表示单元内位移的分布规 律，再利用力学理论中的变分原理或其他方法，建立结点力与位移之问的力学特性关 系，得到一组以结点位移为未知量的代数方程，从而求解结点的位移分量。然后利用 插值函数确定单元集合体上的场函数。 4.1.1 连续体的离散化连续体的离散化 首先应根据连续体的形状选择最能完满地描述连续体形状的单元。常见的单元有： 杆单元，梁单元，三角形单元，矩形单元，四边形单元，曲边四边形单元，四面体单 元，六面体单元以及曲面六面体单元等等。其次，进行单元划分，单元划分完毕后， 要将全部单元和结点按一定顺序编号，每个单元所受的荷载均按静力等效原理移植到 结点上，并在位移受约束的结点上根据实际情况设置约束条件。 4.1.2 单元分析单元分析 建立各个单元的结点位移和结点力之问的关系式。 4.1.整体分析整体分析 3 程组，揭示结点外荷载与结点位移的关系，从而用来求解结点位移。 4.2 ansys 软件介绍软件介绍 ansys 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分 陕西理工学院毕业设计论文 第 26 页 共 66 页 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，它能与多数 cad 软件接口，实现数据的共享和交换，如 pro/engineer, nastran, alogor, i deas, autocad 等， 是现代产品设计中的高级 cad 工具之一。 4.2.1 软件功能简介软件功能简介 软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块 提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析 计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析） 、流体动力 学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物 理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩 色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明 显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显 示或输出。软件提供了 100 种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。 4.2.2 前处理模块前处理模块 prep7 双击实用菜单中的“ preprocessor” ，进入 ansys 的前处理模块。这个模块主 要有两部分内容：实体建模和网格划分。 实体建模 ansys 程序提供了两种实体建模方法：自顶向下与自底向上。自顶向下进行实体 建模时，用户定义一个模型的最高级图元，如球、棱柱，称为基元，程序则自动定义 相关的面、线及关键点。用户利用这些高级图元直接构造几何模型，如二维的圆和矩 形以及三维的块、球、锥和柱。无论使用自顶向下还是自底向上方法建模，用户均能 使用布尔运算来组合数据集，从而“雕塑出”一个实体模型。 ansys 程序提供了完 整的布尔运算，诸如相加、相减、相交、分割、粘结和重叠。在创建复杂实体模型时， 对线、面、体、基元的布尔操作能减少相当可观的建模工作量。 ansys 程序还提供 了拖拉、延伸、旋转、移动、延伸和拷贝实体模型图元的功能。 自底向上进行实体建模时，用户从最低级的图元向上构造模型，即：用户首先定 义关键点，然后依次是相关的线、面、体。 陕西理工学院毕业设计论文 第 27 页 共 66 页 网格划分 ansys 程序提供了使用便捷、高质量的对 cad 模型进行网格划分的功能。包 括四种网格划分方法：延伸划分、映像划分、自由划分和自适应划分。延伸网格划分 可将一个二维网格延伸成一个三维网格。映像网格划分允许用户将几何模型分解成简 单的几部分，然后选择合适的单元属性和网格控制，生成映像网格。 ansys 程序自 由网格划分器功能是十分强大的，可对复杂模型直接划分，避免了用户对各个部分分 别划分然后进行组装时各部分网格不匹配带来的麻烦。自适应网格划分是在生成了具 有边界条件的实体模型以后，用户指示程序自动地生成有限元网格，分析、估计网格 的离散误差，然后重新定义网格大小，再次分析计算、估计网格的离散误差，直至误 差低于用户定义的值或达到用户定义的求解次数。 4.2.3 求解模块求解模块 solution 前处理阶段完成建模以后，用户可以在求解阶段获得分析结果。 点击快捷工具区的 save_db 将前处理模块生成的模型存盘，退出 preprocessor ，点击实用菜单项中的 solution ，进入分析求解模块。在该阶段用户可以定义分析类 型、分析选项、载荷数据和载荷步项，然后开始有限元求解。 ansys 软件提供的分析类型如下： 结构静力分析 用来求解外载荷引起的位移、应力和力。静力分析很适合求解惯性和阻尼对结构 的影响并不显著的问题。 ansys 程序中的静力分析不仅可以进行线性分析，而且也 可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析。 结构动力学分析 结构动力学分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。与静力分析不 同，动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。 ansys 可进 行的结构动力学分析类型包括：瞬态动力学分析、模态分析、谐波响应分析及随机振 动响应分析。 结构非线性分析 陕西理工学院毕业设计论文 第 28 页 共 66 页 结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化。 ansys 程序可求解 静态和瞬态非线性问题，包括材料非线性、几何非线性和单元非线性三种。 动力学分析 ansys 程序可以分析大型三维柔体运动。当运动的积累影响起主要作用时，可使 用这些功能分析复杂结构在空间中的运动特性，并确定结构中由此产生的应力、应变 和变形。 热分析 程序可处理热传递的三种基本类型：传导、对流和辐射。热传递的三种类型均可 进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。热分析还具有可以模拟材料固化和熔解过程的 相变分析能力以及模拟热与结构应力之间的热结构耦合分析能力。 电磁场分析 主要用于电磁场问题的分析，如电感、电容、磁通量密度、涡流、电场分布、磁 力线分布、力、运动效应、电路和能量损失等。还可用于螺线管、调节器、发电机、 变换器、磁体、加速器、电解槽及无损检测装置等的设计和分析领域。 流体动力学分析 ansys 流体单元能进行流体动力学分析，分析类型可以为瞬态或稳态。分析结果 可以是每个节点的压力和通过每个单元的流率。并且可以利用后处理功能产生压力、 流率和温度分布的图形显示。另外，还可以使用三维表面效应单元和热流管单元模 拟结构的流体绕流并包括对流换热效应。 压电分析 用于分析二维或三维结构对 ac （交流） 、 dc （直流）或任意随时间变化的电 流或机械载荷的响应。这种分析类型可用于换热器、振荡器、谐振器、麦克风等部件 及其它电子设备的结构动态性能分析。可进行四种类型的分析：静态分析、模态分析、 谐波响应分析、瞬态响应分析. 4.3 静应力分析静应力分析 陕西理工学院毕业设计论文 第 29 页 共 66 页 4.3.1 麻花钻的静应力分析步骤麻花钻的静应力分析步骤 指定分析标题并设置分析范畴 1. filestart new, ” do not file ” ok. 2. filechang job namemahuazuanyesok. 3.filechange title ” mahuazuan” ok 4.filechange directory “ aqe 4 ” 5.选取菜单途径 main menupreference 6.单击 structure 选项使之为 on，单击 ok 定义单元类型 1 选取菜单途径 preprocessorelement typeadd/edit/delete。 2.element types 对话框将出现。 3.单击 addlibrary of element types 对话框将出现。 4.在左边的滚动框中单击“solid” 。 5.在右边的滚动框中单击“10node 92” 。 6.单击 ok。 7.单击 element types 对话框中的 close 按钮。 指定材料性能 1.选取菜单途径 preprocessormaterial props- material models-define material material models behavior。 2.单击以指定材料号为 1。第二个对话框将出现 structural -linear-elastic- isotropic。 4.弹“linear isotropic properties for material number 1”对话框。 3.输入 ex 为 2.6e11。 4.输入 prxy 为 0.3。 5.单击 ok。 导入麻花钻的模型 陕西理工学院毕业设计论文 第 30 页 共 66 页 单击 file-import-iges。 划分网格 如图 4.1 图 4.1 网格属性定义 1. preprocessor-meshingmeshtool,弹出一对话框，下图设置参数： 点击“mesh” 又弹出一选择对话框。点击 ” pick all ” 2. 单元划分完成，如下图 4.2 所示： 图 4-2 网格示意图 定义约束和载荷 陕西理工学院毕业设计论文 第 31 页 共 66 页 定义目标载荷:点击 solutionlodesapplystructurasdisplansmenton areas；弹出选择对话框，选择麻花钻加载面。 加载约束，选择“all dof”点击 ok ，如图 4.3 所示。 图 4.3 全方向约束示意图 3. 拾取横刃上的点。如图 4.4. 陕西理工学院毕业设计论文 第 32 页 共 66 页 图 4.4 横刃上点的拾取 4.给 y，方向 ,施加 3612n 的力。 5.拾取主切削刃上的点。如图 4.5. 陕西理工学院毕业设计论文 第 33 页 共 66 页 图 4.5 主切削刃上点的拾取 6.在 y 方向上施加 2535n 的力。如图 4.6 所示。 图 4.6 载荷施加示意图 求解及其分析结果 陕西理工学院毕业设计论文 第 34 页 共 66 页 1 sloutionsolvecurrent ls，弹出一对话框ok. 2. 求解完成后点击 close 2. general postrocplot resultscontours plotnodal solu.弹出如下对话框，nodal solution.strssvonmisesstrss点击 ok；结果如下图 4.7 所示： 图 4.7 麻花钻等效应力分布图 陕西理工学院毕业设计论文 第 35 页 共 66 页 图 4.8 x 向应力分布图 图4.9 y向应力分布图 陕西理工学院毕业设计论文 第 36 页 共 66 页 图 4.10 z 向应力分布图 保存结果退出 ansys 对话框。 关掉 ansys 时，会弹出一对话框，选择“save everything”ok。退出分析。 4.4 模态分析模态分析 4.4.1 模态分析模态分析:模态分析的定义和模态分析介绍模态分析的定义和模态分析介绍 1.振动或以特定频率进行振动； 2.使工程师可以认识到结构对于不同类型的动力载荷是如何响 应的； 3.有助于在其它动力分析中估算求解控制参数（如时间步长） 4.由于结构的振动特性决定结构对于各种动力载荷的响应情 况，所以在准备进行 其它动力分析之前首先要进行模态分析。 4.4.2 在在 ansys 中有以下几种提取模态的方法：中有以下几种提取模态的方法： block lanczos 法，子空间法， powerdynamics 法，缩减法，不对称法阻尼法。 陕西理工学院毕业设计论文 第 37 页 共 66 页 4.4.3 模态分析中的四个主要步骤：模态分析中的四个主要步骤： 建模 选择分析类型和分析选项 施加边界条件并求解 评价结果评价结果 4.4.4 模态分析步骤模态分析步骤: 指定分析标题并设置分析范畴 1. filestart new, ” do not fileno ” ok。 2. filechang job namemtyesok。 3. filechange title ” mt ” ok。 4. filechange directory “ mt ” 。 5. 选取菜单途径 main menupreference； 单击 structure 选项使之为 on，单击 ok 定义单元类型 1.选取菜单途径 preprocessorelement typeadd/edit/delete。 2.element types 对话框将出现。 3.单击 addlibrary of element types 对话框将出现。 4.在左边的框中单击“solid” ，在右边的滚动框中单击“10node 45 ” 单击 ok。 5.单击 element types 对话框中的 close 按钮。 指定材料性能 1.选取菜单途径 preprocessormaterial props- material models-define material material models behavior。 2.单击以指定材料号为 1。第二个对话框将出现 structural -linear-elastic- isotropic。 3.弹“linear isotropic properties for material number 1”对话框。 陕西理工学院毕业设计论文 第 38 页 共 66 页 4.输入 ex 为 2.6e11。 5.输入 prxy 为 0.3。点击“density”弹出一对话框，在 dens 输入 7800，单 击 ok。 导入麻花钻的模型 1.fileimportiges ” importiges file ” 对话框ok。指定 iges 模型存储路径 划分网格 1. preprocessor-meshingmeshtool,弹出一对话框，如下图 4.11 设置参数： 图 4.11 网格划分设置 点击“mesh” 又弹出一选择对话框。点击 ” pick all ” 单元划分完成，如图 4.12 所示： 陕西理工学院毕业设计论文 第 39 页 共 66 页 图 4.12 网格化示意图 3. plotarers.恢复单元的面积形式的模型，网格划分完毕。 进行模态分析设置 1. solutionanaiysis typenew ansysis；选择静态分析ok 2. solutionanaiysis typeanalysis options，参数设置如下： 点击 ok，又弹出一对话框：第二行输入 10000，点击 ok solutiondefineslodesapplystructurasdisplansmentareas 点击 ok。如图 4.13. 图 4.13 约束定义设置 3.求解 查看结果 1. general postrocread ressultsby set number，在“scale factor”一栏输入想 看的阶数，其他参数选默认。 2. general postrocpolt resultsconter poltnodal solu，选取“stressvon mises stress,查看应力图,应变图，振型图。 陕西理工学院毕业设计论文 第 40 页 共 66 页 图 4.14 一阶应力示意图 陕西理工学院毕业设计论文 第 41 页 共 66 页 图 4.15 二阶应力示意图 图 4.16 三阶应力示意图 陕西理工学院毕业设计论文 第 42 页 共 66 页 图 4.17 四阶应力示意图 图 4.18 一阶应变示意图 陕西理工学院毕业设计论文 第 43 页 共 66 页 图 4.19 二阶应变示意图 图 4.20 三阶应变示意图 陕西理工学院毕业设计论文 第 44 页 共 66 页 图 4.21 四阶应变示意图 图 4.22 一阶振型图 陕西理工学院毕业设计论文 第 45 页 共 66 页 图 4.23 二阶振型图 图 4.24 三阶振型图 陕西理工学院毕业设计论文 第 46 页 共 66 页 图 4.25 四阶振型图 图 4.26 列表显示 陕西理工学院毕业设计论文 第 47 页 共 66 页 5 钻削过程的模拟仿真与 deform-3d 软件介绍 5.1deform-3d 软件介绍软件介绍 5.1.1 deform-3d 软件简介软件简介 deform 是一套基于有限元的工艺仿真系统，用于分析金属成形及其相关工业的 各种成形工艺和热处理工艺。通过在计算机上模拟整个加工过程，帮助工程师和设计 人员： 设计工具和产品工艺流程，减少昂贵的现场试验成本。 提高工模具设计效率， 降低生产和材料成本。缩短新产品的研究开发周期。 5.1.2deform-3d 的操作流程的操作流程 （1）导入几何模型 在 deform-3d 软件中，不能直接建立三维几何模型，必须通过其他 cad/cae 软件建模后导入导 deform 系统中，目前， deform-3d 的几何模型接口格式有 : stl:几乎所有的 cad 软件都有这个接口。它由一系列的三角形拟合曲面而成。 unv:是由 sdrc 公司(现合并到 eds 公司)开发的软件 ideas 制作的三维实体 造型及有限元网格 文件格式，defoem 接受其划分的网格。 pda:msc 公司的软件 patran 的三维实体造型及有限元网格文件格式。 amg:这种格式 deform 存储己经导入的几何实体。 （2）网格划分 在 deform-3d 中，如果用其