毕业设计（论文）-中心单链式刮板输送机振动与噪声的有限元分析.doc

华北科技学院毕业设计（论文）中心单链式刮板输送机振动与噪声的有限元分析摘要：刮板输送机是一种以挠性体作为牵引机构的连续动作式运输机械，它主要用于采煤工作面或顺槽等其他场所。由于刮板输送机特殊的结构和工作环境，以及对刮板在运输过程中的特殊要求，使得刮板与溜槽之间的摩擦在所难免，成为刮板输送机噪声污染的主要来源。计算机技术的快速发展使得有限元方法在降噪研究领域得到广泛应用，但是由于工作环境的特殊性和所受载荷的复杂性，为了简单而有效地利用有限元方法预测刮板输送系统的振动和噪声，我们常常采用模态分析的方法。本文首先介绍了有限元的思想和有限元分析的几种常用软件，然后以国产sgd-630/264中心单链式刮板输送机为例，取其在实际工况下的一段溜槽为研究对象建立有限元模型，对模态分析方法进行了详细的研究。首先，利用三维建模软件pro/e建立了刮板传动系统的有限元模型，总结了传动系统计算模型的简化方法。选择单元类型并将简化后的模型进行智能网格划分。其次，对刮板复杂的受力环境进行了分析，并提出对刮板传动系统进行模态分析的方案。然后，通过大型有限元分析软件ansys对sgd-630/264进行模态分析计算，得出传动系统主要部件前二十阶的固有频率和振型。最后，对计算结果进行分析，分析刮板传动系统振动噪声的主要发生源。根据分析结果，发现刮板传动系统中溜槽的动刚度不足是造成刮板输送机振动噪声的主要原因。希望通过改变溜槽厚度的方法来降低振动噪声发生的概率。将改进后的模型导入ansys中，重新进行模态分析，结果显示固有频率有所升高，在理论上减少了振动噪声发生的概率，但是这种降低振动噪声的方法还有待通过实验鉴定。本文的工作主要在于用模态分析的方法分析刮板输送机振动噪声的发生源，这种方法为机械设备中相互耦合的部件之间的振动噪声的检测，提供了一种可以借鉴的降低振动噪声的方法。关键词：刮板输送机；振动与噪声；模态分析；有限元；固有频率；溜槽；结构改进the finite element analysis of vibration and noise of central single chain scraper conveyorabstract：the scraper conveyor is a kind of flexible body as a traction mechanism of continuous motive type transport machinery; it is mainly used in coal mining working face or gateway, and other places. because of the scraper conveyors special structure and working environment and the special requirements of the scrapers during transportation, make the friction between the scrapers and the chute is inevitable, what becomes the main source of noise pollution of a scraper conveyor. the rapid development of computer technology makes the finite element method (fem) be widely applied in the field of noise reduction research, but because of the particularity of working environment and the complexity of load, in order to use the finite element method to predict the vibration and noise of the scraper conveyor system simply and effectively, we often adopt the method of modal analysis. this article first introduces the idea of finite element and several kinds of commonly used software of finite element analysis, and then to a domestic sgd - 630/264 central single chain scraper conveyor as an example. the author takes a part of the chute as the research object and establishes the finite element model; the modal analysis method has been carried on the detailed research. first of all, the author uses the 3d modeling software pro/e to establish the finite element model of the scraper transmission system, and summarizes the simplified method of the transmission system calculation model. select the unit type and take the simplified model for smart grid. secondly, analyzes the scraper complex stress environment, and puts forward the schemes of the modal analysis to carry out the scraper transmission system solutions. then, begins the modal analysis of sgd - 630/264 by the large-scale finite element analysis software ansys, it is concluded that the transmission system of the top 20 order natural frequency and vibration mode. finally, analyses the results of the first ten orders for the main placing signage of vibration and noise of the scraper transmission system. according to the analysis result, the dynamic stiffness of the scraper chute is poor. hope to take the method of changing the thickness of the chute to reduce the incidence of the vibration noise. import the optimized model into ansys, a new modal analysis, the result shows that the natural frequency are increased, reducing the incidence of the vibration noise in theory, but this method of reducing the vibration noise needs to be identified through the experiments. the work of this paper lies in using modal analysis method to analyze the placing signage of the vibration noise of the scraper conveyor. the method can provide a reference method of the detection to reduce the vibration noise of the mutual coupling between components in mechanical equipment. key words: scraper conveyor；vibration and noise；the modal analysis；the finite element；natural frequency；the chute；structural improvement目录第1章 绪 论11.1 课题研究背景和意义11.2 文献综述21.2.1 刮板输送机21.2.2 机械振动与噪声的分析方法和控制方法51.2.3 噪声与振动控制工程学的国内外发展状况71.2.4 有限元法在机械振动与噪声分析中的应用91.3 本课题研究的内容10第2章 有限元法和ansys的基本功能与应用112.1 有限元法的基本理论112.1.1 有限元法的分析过程112.1.2 有限元法的程序实现132.2 通用有限元分析软件142.2.1 前后处理器主要软件152.2.2 求解器主要软件162.3 ansys的主要分析功能162.4 ansys分析的一般流程182.5 本章小结19第3章 刮板输送机的模态分析203.1 pro/e模型的建立203.1.1 刮板pro/e模型的建立213.1.2 溜槽pro/e模型的建立233.1.3 圆环链pro/e模型的建立243.2 有限元模型的建立253.2.1 单元的选择253.2.2 参数的设置253.3 刮板输送机各部件有限元模型的建立263.4 本章小结30第4章 刮板输送机振动模态特性分析314.1 模态分析理论314.2 基于ansys的模态分析方法324.3 刮板输送机振动模态分析344.3.1 刮板的振动特性分析344.3.2 溜槽的振动特性分析374.3.3 圆环链的振动特性分析404.4 本章小结43第5章 基于模态分析的刮板输送机结构改进455.1 引言455.2 溜槽的结构改进455.3 本章小结51第6章 结论与展望526.1 全文结论526.2 研究展望52参考文献54致 谢57v第1章 绪 论1.1 课题研究背景和意义噪声被列为当今世界的三大主要污染源之一。控制噪声污染已经成为环境保护的重要内容。为了控制噪声污染，改善人们的生活和工作环境，世界各国都投入了大量的人力物力开展减震降噪方面的研究，并制定了一系列标准与法规，取得了较大的进展。世界发达国家的噪声控制设备的产值平均以10-15%的速度增加，中国在2007年噪声控制设备厂厂值已经达到6.2亿元，“八五”期间用于噪声治理的工程费用已达到9.2亿元。近些年，国家对环保的重视以及对环保投入的不断增加，也使得人们对工作和生活环境的质量要求日益提高1。随着社会的发展以及人们对职业安全的进一步重视，煤矿工人的人生安全得到了一定的保障。然而随着生活水平的提高，人们对良好工作环境的渴望也日益增强。煤矿工人由于特殊的工作环境和条件，使得更多的人们开始对他们的工作环境也高度重视起来。目前的煤矿开采设备朝着大型化、自动化方向发展，采煤量的增加使得运煤机械的载荷越来越大，这就导致大功率机械引起的噪声越来越严重。噪声污染已经成为影响工人工作环境的主要因素。刮板输送机在运行时会受到外界载荷影响而发生受迫振动，如果外界载荷产生的振动频率接近刮板链自身的固有频率，则刮板链会产生很大的噪声，并且影响刮板链的工作寿命。因此，分析刮板传动系统的固有频率对增加刮板的使用寿命、降低噪声污染以及改进刮板的生产工艺有着重要的指导意义。由于刮板输送机特殊的结构和工作环境，它有很多优点，所以刮板输送机是迄今为止综采工作面唯一的运输设备。但是刮板输送机在工作过程中，刮板链和货载要克服很大的摩擦阻力在溜槽中运行，因此消耗功率很大，而且会产生很大的噪声，使得工人的工作环境更加恶劣。鉴于刮板输送机的无可替代性，改进其生产技术以改善工人的工作环境成了唯一的可能2。刮板的形状有特殊的要求，要能够在运行中有刮底清帮、防止煤粉黏结和堵塞的作用，并应尽量减小质量。由于刮板的这种性能要求，使得刮板与溜槽的摩擦在所难免，就会产生很大的噪声。为了改进刮板的形状以及加工工艺，就得进行理论分析以及科学试验。目前根据理论分析已能确定刮板的轮廓标准尺寸，但研究不能停留在理论上，需要实践的检验。可是大量的科学试验增加了生产的成本，费时费力。此时，虚拟技术便展现出其独特的优势，在接近实际的情况下，可以大大地节约人力、物力和时间。通过有限元对刮板输送机进行模态分析，我们不仅可以省时省力，还能准确地知道刮板输送机主要部件各模态的固有频率以及振型，并且可以对相关部件进行结构改进设计，对改进刮板输送机各部件的形状以及生产工艺起到指导作用，以满足目前工业生产周期短的需求。本文使用的ansys有限元分析软件分析刮板输送机主要部件的固有频率以及振型，为改良刮板输送机的工艺性和改善其工作环境提供理论依据。1.2 文献综述1.2.1 刮板输送机（1）刮板输送机的主要组成部分及工作原理刮板输送机是目前国内外缓倾斜长臂式采煤工作面唯一的煤炭运输设备。不同类型的刮板输送机其各组成部件的形式和布置方式不同，但组成部件和主要结构则基本相同。图1-1所示为可弯曲刮板输送机的外形图。图1-1 可弯曲刮板输送机外形1电动机；2液力耦合器；3减速器；4溜槽；5铲煤板；6刮板链；7机头架可弯曲刮板输送机的组成及传动系统如图1-2和图1-3所示。其主要组成部分有：机头部1（包括机头架、电动机、液力耦合器、减速器、链轮组件等）、机尾部9（包括机尾架、电动机、液力耦合器、减速器、链轮组件等）、中间部（包括中间溜槽、连接溜槽、调节溜槽、刮板链）、附属装置（紧链器、铲煤板、挡煤板、防滑锚固装置）以及供移动输送机用的移溜装置。刮板输送机的工作原理是:由绕过机头链轮和机尾链轮（或滚筒）的无极循环的刮板链作为牵引机构，以溜槽作为承载机构，电动机经液力耦合器、减速器带动链轮旋转，从而带动刮板链连续运转，将装在溜槽中的货载从机尾运到机头处卸载转运。上部溜槽是运输机的重载工作槽，下部溜槽是刮板链的回空槽。图1-2 sgw-150b型刮板输送机总图1机头部；2机头连接槽；3中部槽；4挡煤板；5铲煤板；60.5m调节槽；71m调节槽；8机尾连接槽；9机尾部；10刮板链；11导向管图1-3 sgw-150b型刮板输送机传动系统图1电动机；2液力耦合器；3减速器；4链轮；5盲轴；6刮板链（2）刮板输送机的优缺点刮板输送机所以能在采煤工作面运输中得到广泛应用，是由于它和其他运输机相比具有以下优点：运输能力不受货载的块度和湿度的影响；机身高度小，便于装载；机身伸长或缩短方便；移置容易；机体坚固，能用于爆破工作面，也能与采煤机和自移式液压支架组成综采工作面。刮板输送机的缺点是：工作阻力大，耗电量大，溜槽磨损严重，维修和使用不当时易断链，运输距离也受到一定限制。（3）刮板输送机的主要类型国内外生产和使用的刮板输送机类型很多。按牵引链的结构分为片式套筒链、可拆模锻链和焊接圆环链刮板输送机；按链条数目及其布置方式分为单链、双边链、双中心链及三链刮板输送机（如图1-4所示）；按溜槽的布置方式和结构可分为并列式、重叠式、敞底溜槽式和封底溜槽式刮板输送机等多种；按传动方式可分为电力传动和液压传动输送机。它们的使用条件随运输能力和结构特点的不同而异3。图1-4 输送链的布置方式（a）双边式；（b）双中式；（c）中心单链；（d）三链1.2.2 机械振动与噪声的分析方法和控制方法（1）机械振动与噪声分析方法机械振动与噪声分析是识别与控制振动源的重要环节。与其它工程应用学科一样，解决振动与噪声问题的途径或者说研究方法，不外乎理论分析和试验研究两个方面。随着电子计算机技术的飞速发展，振动与噪声问题的数值计算可以解决规模很大（自由度很高）的问题并可达到很高的精度。同时，由于电子测试仪器的发展和完善，振动与噪声试验已发展成为一种独立的解决问题的手段。这两者互为补充并相互促进，为解决复杂的振动与噪声问题提供可有效手段。在机械振动问题的理论分析中，一般将所研究的对象（如机器）称为系统（system）,将外界对系统的作用或机器运动产生的力称为激励（excitation）或输入（input）,将机器在激励作用下产生的动态行为称为响应（response）或输出（output）。机械振动问题所涉及的内容如图1-5所示，振动分析就是确定激励-系统-响应三者间的相互联系，根据其中二者去研究第三者。图1-5 机械振动系统分析框图振动系统激励响应振动分析的一个首要问题是建立系统的数学模型。表达系统力学特性的数学方程称为系统的数学模型。为了建立系统的数学模型，要对系统进行简化，忽略一些次要因素，而突出它的主要力学性能，然后根据力学原理建立描述系统力学特性的数学方程。建立数学模型是进行振动分析的关键性步骤，它既决定了振动分析的正确性和精度，又决定了振动分析的可行性和精简程度。图1-6给出了机械工程振动分析的一般步骤。对于实际工程振动问题，首先要对机械结构特点进行分析，抓住结构的主要力学特性，形成待解决问题的物理模型。然后选择适当的坐标系和坐标，根据力学基本定律建立系统的数学模型。其次，选择微分方程的求解方法，有定量和定性方法，工程问题一般通过数值方法求近似解。最后，对结果进行分析，既要从理论上分析数值模拟的合理性，又要与试验测试结果进行比较，只有二者的吻合程度满足工程要求，振动问题分析才算告一段落，否则就要修改数学模型，甚至修改物理模型，检查试验工作的可信度和改善试验技术，重新开始上述相关工作，找出问题的症结，直至最后解决问题。系统物理模型试验模型数学模型动态行为分析动态行为测试比较结束参数调整干扰满足要求不满足要求图1-6机械振动分析的一般程序（2）机械振动与噪声控制方法研究机械振动与噪声问题的主要目的之一，就是采取有效手段控制其危害。以噪声控制为例，噪声问题划分为声源、路径和接受者三个主要环节。声源和噪声传递的路径可能有多个，接受者一般为人，也可以是生物、仪器、设备和建筑物等。机械噪声问题所涉及的内容如图1-7所示，噪声分析就是确定声源-路径-接受者三者间的相互关系，采取有效措施减小或控制噪声危害，利用噪声信号预测动力机组的安全运行状况。传声路径噪声源接受者图1-7 机械噪声控制框图对机械噪声的控制，最根本的方法是对噪声源本身的控制。声源种类不同，其控制方法也不同。对机械结构噪声源主要是控制机械的振动，包括机械振动本身控制和机械振动传播控制（即固体声传播控制），前者是机械系统的设计问题，后者则是隔振措施的设计问题。对空气动力性噪声源要控制气体振动的产生，防止气体中压力突变和涡流等。为了控制声源，在机械的技术设计阶段中，应该将噪声作为重要的设计指标，根据设计图纸对噪声做出预报，若不能到达预期的目标，则进行修改，以实现机械的低噪声设计。在低噪声结构设计中，要对那些可能出现交变力的工作方式、工作过程或零部件给予足够重视。控制噪声传播的途径是噪声控制的另一个环节。通过限制和改变噪声的传播途径，使噪声在传播的过程中衰减，以减小对接受者的影响。控制声音在室内外、结构内和管道内的传播可以利用壁障、吸声材料、刚性结构的断面突变、阻塞孔洞、消声器、隔声罩、封闭的隔声间使噪声局限在声源附近等方法。需要重点支出的是，噪声控制的方法中最直接、最有效、最经济的措施就是降低声源噪声。因此，噪声控制的首选措施是低噪声设计4。1.2.3 噪声与振动控制工程学的国内外发展状况我国的声环境现状随着经济的飞速发展，在工业化、城市化的进程中，由于对声环境的建设处于零散、随机的自发状态，声环境质量还有不断恶化的趋势。总的来说，在数量上，噪声源数量暴涨，包括流动噪声源、动力噪声源、工业噪声源、建筑噪声源、生活噪声源等等；在范围上，几乎覆盖了社会生活的各个角落；在强度上，与人口的密集程度成正相关。究其原因，工业化促进城镇化，经济全球化加速了城镇化进程，工业化是因，城镇化、全球化是果。我国的城镇化从1949年的11.2%，增加到1979年的18%，30年增加6.8%，近2 亿人。从1979年到2005年的25年间，增长到43.35%，增长了25%，5.6 亿城市人口发达国家城市化率55-60%，中国还可能增加12-17%，达到 8-9 亿人。中国的农民工不再当候鸟，大量变成城市人口。由于电网电站的数量增加，高压、超高压、特高压能使人发疯的低频噪声，在全国各类环境污染投诉中，噪声污染投诉率高达64%！噪声引起的损伤以至于死亡，大幅增加！噪声与振动控制（nvc）是解决物质运动相互关系的和谐与平衡，由此决定了其具有服务业的本质。nvc工程学的两大任务：一是根据人对物质运动所传递出的声动信息的主观感受调节其平衡；二是根据物质运动所传递出的声动信息而判断物质运动的客观状况并加以干预。nvc工程学有三个重要的发展趋势。第一，技有界而用无疆。运动是物质的存在形式。理论上，噪声与振动控制可用于一切物体相互作用的场合。科学上的限制条件更加刚性，而噪声控制工程的应用范围随着经济发展领域的扩大而迅猛扩大。第二，守其有而用其无。质能转换的同一性和信息形式的多样性，使得达到平衡目的的关键往往是各学科技术手段的平衡，而不在nvc技术本身，是对其它学科技术的正确综合运用。第三，新材料、新方法、新评价。学科的综合运用使得原有技术已经不能完全满足现实的要求，需求呼唤技术创新，由此带来新的评价方法。噪声与振动控制设备方面，发达国家凭借其先进技术和制造水平的优势，在环境监测仪器领域取得了长足的进步。微电子技术、计算机技术在环境监器中的广泛应用，改变了传统产品静态、单机、单参数测试的状况，使多机编组数据采集处理、处理过程控制及与管理系统连接实现了智能化监视调控。一大批具有信息采集、数据存储处理、显示、打印并可根据监测对象状态自动改变量程的新环境监测仪器产品不断推向市场。通过产品结构调整，采用集成线路微电子技术，快速、便携、多功能的采样系统和环境监测仪器的产品比重有明显提高。激光、光纤技术的应用使烟气监测实现了非接触测量，并可达到多点连续自动监测的要求。遥测遥感技术的发展为大范围的污染监测、环境数据采集分析预测评价等创造了更为便利的条件。随着环境监测分析方法国际标准化工作的进展，使环境监测仪器的定型化、标准化程度有所提高，从而为国际间环境监测数据的可比性提供了可靠的科学技术基础。生物传感器、陶瓷传感器、声敏传感器的研制开发为新一代生物测量及其他物化测量仪器奠定了基础。以bod快速测定仪为代表的生物污染监测仪器的发展，将使生物技术在环境工程方面的应用领域进一步拓宽。发达国家在噪声与振动控制方面，主要致力于提高机电产品的质量和性能，从而尽可能地减少能耗，减少噪声和振动的产生。噪声控制设备可分为消声、隔声、吸声、阻尼及个人防护等几大类型。工业发达国家非常重视对噪声与振动的控制，例如美国有声渡衰减装置（专利号4540063）、发动机排气系统的噪声与振动衰减装置（专利号4540064）、新型消声器（专利号4538701）等各种获得专利的消声设备。英国非常注意对噪声的控制，以谋求环境安宁，上百家噪声控制设备制造厂，每年向市场提供几十亿英镑的产品。英国还具有很发达的声学材料工业，吸声材料主要有玻璃纤维、矿棉岩棉和泡沫塑料等，除此以外还十分重视吸声结构和吸声预制单元的设计生产，声衰减有限公司在英国的噪声控制业中是很有影响的公司，该公司不仅能生产高质量的吸声、消声等多品种的系列产品，还具有完善的试验设备和各专业的设计、科研人员。在构件加工、声学调试中，都广泛地使用计算机技术，并不断地取得新成果。德国噪声控制设备同样以每年25亿德国马克的销售额不断地发展。1.2.4 有限元法在机械振动与噪声分析中的应用有限元法是20世纪50年代首先在飞机设计中使用并获得迅速发展的一种有效的工程数值方法，有限元法是以计算机为手段，通过离散化将研究的对象变换成一个与原结构近似的数学模型，再经过一系列规范化的步骤以求解应力、应变、位移等参数的数值计算方法，充分体现了数学理论与程序设计技巧的结合。采用有限元手段，通常总能够获得精度满足工程要求的数值解，而工程问题采用求解偏微分获得解析解，往往难以实现。早先比较成熟的有限元分析软件有e.l wilson的sap5以及nasa的nastran。今年来工程中流行的大型商用软件有ansys等。ansys具有更加丰富的单元类型以及基于windows平台的使用提供了直观、便于修改的友好界面，能够与autocad、ug等大型绘图软件接口，此外所能求解未知数的数目极大地提高，并且还允许处理非线性问题。它结合了有限元分析、计算机图形学和优化技术，目前已成为解决现代工程学问题必不可少的工具。ansys系统汇集了集中式数据库技术，前、后处理技术，优化设计技术等，还自带了阐述设计语言apdl宏命令功能。ansys系统提供的模态分析以及模态扩展实现了对刮板每一个模态固有频率的计算从而实现对刮板振动与噪声的有限元模拟，而且ansys参数设计语言apdl的扩展宏命令功能的实现，大大降低了设计计算时间，简化了设计过程，方便了研究人员的使用。同时，其强大的后处理技术为计算结果的分析检验提供可视化图形显示。1.3 本课题研究的内容刮板输送机是矿山运输设备的重要组成部分，它主要担负运煤任务且作为移架支点。刮板传动系统主要由刮板、溜槽和圆环链组成。刮板是货载的拖拉构件，溜槽是货载的承载构件，圆环链是货载输送的牵引构件。本课题对通用的577mm长度的中心单链式u型刮板的传动系统进行有限元数值模拟，对其进行模态分析，分析其固有频率和振型，为获得低噪声技术的刮板输送机奠定技术基础。其主要内容包括：1 阐述机械振动与噪声分析的基础理论和国内外研究现状以及发展趋势。2 利用现代cad/cae技术建立刮板传动系统各部分的pro/e模型，利用pro/e与ansys的连接端口，将数学模型导入ansys进行网格划分。3 利用ansys软件对刮板、溜槽和圆环链进行模态分析。在进行结构模态分析之后，可以得到各部件的动态特性，如固有频率和振型；根据模态分析的结果，比较各部件之间固有频率的大小。由资料可预测，会有两个部件的固有频率在某一阶重合而产生共振引起噪声，部件之间的耦合才是刮板传动系统振动噪声产生的主要原因。4 根据以上对刮板输送机的振动分析和噪声的研究，对刮板输送机相关部件进行综合分析和评价，改进相关部件的结构，并对改进后的结构进行模态分析，根据分析结果，判断刮板输送机的结构改进是否在一定程度上减少了噪声发生的概率。5 根据结构改进后的分析结果，得出全文的结论，并且提出本文研究中的不足和有待进一步探讨的地方，为下一阶段工作的开展指明了方向。55第 页 共 57 页第2章 有限元法和ansys的基本功能与应用2.1 有限元法的基本理论对于大多数的工程技术问题，由于物体的结构形状复杂或者某些特征是非线性的，很少有解析解。这类问题的求解方法通常有两种：（1）引入简化假设，将方程和边界条件简化为能够处理的问题，从而得到它在简化状态下的解，但过多的简化可能导致不正确的甚至错误的解；（2）人们在广泛吸收现代数学、力学理论的基础上，借助于现代科学技术的产物计算机及现代数值分析技术来获得满足工程技术要求的数值解，数值模拟技术是现代工程学形成和发展的重要动力之一。目前在工程技术领域内常用的数值模拟方法有：有限单元法、边界元法、离散单元法和有限差分法，但就其实用性和应用的广泛性而言，主要还是有限单元法（fem）。有限单元法的基本思想是将问题的求解域划分为一系列单元，单元之间仅靠节点连接。单元内部点的待求量可由单元节点量通过选定的函数关系插值求得。由于单元形状简单，易于由平衡关系或能量关系建立节点量之间的方程式，然后将各个单元方程“组集”在一起而形成总体代数方程组，计入边界条件求解。单元划分越细，计算结果就越精确。有限元方法是20实际中叶电子计算机诞生之后，在计算数学、计算力学和计算工程科学领域里最有效的计算方法。经过50年的发展不仅使各种不同的有限元方法相当丰富，而且理论基础也相当完善。刮板输送机由于其特殊的工作环境以及复杂的受力条件，使用简化的方法获得的解析解误差很大，甚至是错误的。但是有限元法不但能完成刮板传动系统的结构静力学分析，而且还能进行动力学分析，是对这种复杂数值模型分析计算的最佳工具。2.1.1 有限元法的分析过程有限元分析流程图如图2-1所示。工程问题搜集相关资料决定分析项目获取材料特性及几何条件、外力及边界条件建立有限元模型1.材料性质2.几何形状的定义3.网格的划分1.加边界条件2.加载荷条件3.分析步分析分析结果显示、打印结果判断提出改进方法问题解决或得到最佳设计有限元程序前置处理解题程序后置处理图2-1 有限元分析流程图有限元分析计算的步骤可归纳如下：1. 结构的离散化结构的离散化就是将分析的结构体划分为有限个小的单元体，并在单元体的指定点设置节点，使相邻单元的有关参数具有一定的连续性，并构成一个单元的集合体，以它代替原来的结构。结构的离散化是有限单元法分析的第一步，关系到计算精度与计算效率，是有限单元法的基础步骤，包含一下三个方面的内容：（1）单元类型选择。离散化首先要选定单元类型，这包括单元形状、单元节点数与节点自由度数等三个方面的内容。（2）单元划分。划分单元时应注意以下几点：a.网格划分越细，节点越多，计算结果越精细。网格加密到一定程度后计算精度的提高就不明显，对应力应变变化平缓的区域不必要细分网格。b.单元形态应尽可能接近相应的正多边形或正多面体，如三角形单元三边应尽量接近，且不出现钝角；矩阵单元长宽不宜相差过大等。c.单元节点应与相邻单元节点相连接，不能置于相邻单元边界上。d.同一单元由同种材料构成。e.网格划分应尽可能有规律，以利于计算机自动生成网格。（3）节点编码。2. 单元分析通过对单元的力学分析建立单元刚度矩阵ke 。3. 整体分析整体分析包括以下几方面内容：（1）集成整体节点载荷向量p。结构离散化以后，单元之间通过节点传递力，所以有限单元法在结构分析中只采用节点载荷，所以作用在单元上的集中力、体积力与表面力都必须静力等效地移置到节点上去，形成等效节点载荷。最后，将所有节点载荷按照整体节点编码顺序组集成整体节点载荷向量。（2）集成整体刚度矩阵k，得到总体平衡方程：k =p（2-1） （3）引进边界约束条件，解总体平衡方程求出节点位移5。2.1.2 有限元法的程序实现从使用有限元程序的角度来讲，有限元分析可分为前处理、计算和后处理三大步。前处理是对计算对象网格划分、形成计算模型的过程。包括单元类型的选择，结构的材料特征参数的确定，实体建模，节点和单元网格的确定，并确定边界条件或约束条件、移置载荷等。许多商用有限元软件不仅提供了与主流cad系统的接口，自己本身也有很好的实体建模功能。有限元软件都提供了一种以上的网格划分方法，以供使用者根据计算要求进行选择。计算过程是，在形成总刚度方程和约束处理后，求解大型联立方程组，最终得到各个节点位移。由于商用软件已经针对多种模型进行过验证运算，因此只需要按照提示输入各种条件，包括收敛的方法（在软件中，这常被称为求解器）等，然后计算机就可以进行计算，并得出计算结果。后处理是对计算结果（应力、应变或振型等）的整理，形成等应力线、变形图、振型图等，然后将结果输出。目前有限元程序可分为大型通用程序、专用程序和自编特殊程序三大类。有限元法发展至今，各种通用程序、专用程序的求解功能齐全，前后处理方便，刮板输送机结构中大部分的有限元静态分析、固有特性分析、动态分析等，都可以用这些程序来分析计算。目前应用较多的有限元软件主要有美国msc公司的大型线性分析软件msc.nastran、大型非线性分析软件msc.marc、美国ansys公司的大型综合有限元软件ansys、美国eds公司的结构分析软件i-deas和美国奥博世软件公司的高级有限元分析软件abaqus等。2.2 通用有限元分析软件大型工程结构庞大，计算模型复杂，因而，它的分析软件一般由前后处理器和分析求解器两个软件集成，并在两者之间常设有功能强大的软件接口，目的是保持这两部分的相互独立性并方便于与其它软件的连接。前处理器的主要功能是：形成并提交求解器能识别的有限元模型数据文件，包括数据文件的输入输出功能、自动网格划分功能、生成几何图形功能和图形显示及输出功能。因此，前处理器要处理数据文件，读写描述有限元模型的数据库文件，生成求解器可识别的输入数据文件，读写并记录各种操作的命令编辑过程文件等。求解器的主要功能是：对有限元模型形成的整体方程组进行计算和分析，包括带宽优化、方程组求解方法的选取、确定收敛判断依据等等。因此，它是有限元的理论方法、计算方法和软件分析方法的结晶。后处理器的主要功能是：处理求解器分析后的结果，包括识别求解器生成的格式化及非格式化结果文件，将结果写成各种常用的图形文件，还要以图形、动画、曲线、表格和文件形式分别显示求解器分析后的结果等。软件接口的主要功能是：读写可被其它的cad/cae软件识别的各种文件，实现与其它cad/cae软件间的数据转换功能，使得几何建模可以由第三方cad/cae软件来提供，如此它增强了软件本身的强大兼容性。我国已经引进的主要有限元分析软件有：sap5，sap7，supersap，adina，ansys，i-deas，pro/e，ne/nastran以及femap等等。2.2.1 前后处理器主要软件1. msc/patrannrstran/prtran.msc/marc是美国宇航局专用软件产品，是世界公认最佳的集几何访问、有限元建模、分析求解及数据可视化于一体的新一代框架式软件系统，通过其全新的“并行工程概念”和无可比拟的工程应用模块，将cad/cam/cae/cat软件系统及用户自编程序自然地融为一体。它独有的sgm（单一几何模型）技术可直接在几何模型一级访问各类cad软件数据库系统。2. msc.marcmsc.marc是原美国marc全球第一家非线性有限元软件公司的产品，它提供msc.marc的前后处理图形对话界面，具有以acis为内核的一流实体造型功能，能实现全自动六面体网格划分，具有多种材料模型定义和边界条件定义功能，分析过程控制定义和递交分析、自动检查分析模型完整性等功能。并可直接访问常用的cad/cae系统。主要功能有：生成物理模型的离散几何表示，即提供有限元模型所需的几何信息；综合分析模型的各种非几何信息，交互式定义边界载荷条件、输入材料模型及参数、定义载荷工况等；定义控制分析的各种参数，递交各种场问题分析，分析结果的各种显示和后处理。3. femapfemap是美国sdrc公司开发的有限元建模（前处理）和后处理软件。其主要特点是具有强大的图形建模功能，可以导入或导出几何模型文件和分析模型文件，可直接访问各类cad软件数据库文件，其自动划分单元技术能通过“拖拉”或“旋转”等操作，将曲线、直线单元变成薄壳单元，进而将薄壳单元转化为实体单元。采用它的“滑线单元”可以完成两变形体在接触边界上的过渡连接，因此解决了用间隙单元处理的一般软件存在的弊病。4. pro/epro/e是由pro/engineer，pro/designe，pro/mechanica三大部分组成，具有特殊的参数化设计概念，支持同步工程，并以特征为基础进行参数化模型构建。其主要功能在于可进行参数化的实体设计，功能包括三维造型、曲面设计、建立工程图、模具设计和逆向工程等等。其中pro/mechanica为一款功能仿真软件，也可以进行产品的结构分析、热传导分析和振动分析。使用pro/mesi可将已建立的实体模型自动产生有限元网格，并将其输入到常用的有限元分析软件中进行分析。其它建模软件还有ug、autocad、solid works等，均可进行几何建模并作为第三方软件引入。2.2.2 求解器主要软件1. msc.nastranmsc.nastran为msc公司产品，是世界上功能最全面、性能最优越、应用领域最广泛的大型通用结构有限元分析软件，也是全球cae工业标准的源代码程序。它能有效解决各类大型复杂结构的强度、刚度、屈曲、模态、动力学、热力学、非线性、声学和噪声学、流体/结构耦合、气动弹性、超单元、惯性释放及结构优化等问题。2msc.maacmsc.maac是处理高度组合非线性结构、热及其它物理场和耦合场问题的高级有限元分析软件。它能提供多种场间问题的求解功能，包括各种结构的位移场和应力场分析、非结构的温度场分析、流场、电磁场、声场分析和多种场的耦合分析。它具有可靠的处理高度非线性问题的能力和基于求解器的极大开放性，被广泛应用于产品加工过程仿真、性能仿真和初步优化设计。同时，它可提供先进的虚拟产品加工过程和运行过程的仿真功能，为进行产品优化和设计提供依据。3. ne/nastranne/nastran主要进行非线性有限元分析。该软件具有较广泛的单元库定义，结果文件可读性好，除了可进行屈曲和模态分析外，还有自己独特的分析功能。如采用“缆索单元”适用惯性松弛、惯性张力、热载荷和伸展失效等状态的分析，可模拟一根松弛电缆加载拉紧后突然折断的全过程，这种单元可用于所有的分析求解中，包括预张紧和热转换的动态分析。它还支持动态设计分析方法在冲击震动频谱分析中的应用。4. ansys本文主要使用ansys软件，在下面将加以详细介绍说明。2.3 ansys的主要分析功能ansys公司成立于1970年，总部位于美国宾夕法尼亚州的匹兹堡，目前是世界计算机辅助工程(cae)行业中最大的公司。ansys公司一直致力于分析设计软件的开发、维护及售后服务，不断吸取当今世界最新的计算方法和计算机技术，领导着有限元界的发展趋势，并为全球工业界所广泛接受，拥有全球最大的用户群。ansys公司的ansys软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件，可广泛应用于核工业、铁道、石油、化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、水利等一般工业及科学研究。该软件提供了一个改进的功能清单，具体包括：结构高度非线性分析、电磁分析、计算流体动力分析、大应变、设计优化、自适应网格划分、接触分析、有限转动功能以及利用ansys参数设计语言（apdl）的扩展宏命令功能。基于motif的菜单系统使用户能够通过对话框、下拉式菜单和子菜单进行数据输入和功能选择，方便用户操作。在产品设计中，用户可以使用ansys有限元软件对产品性能进行仿真分析，发现产品质量问题，降低设计成本，缩短设计周期，提高设计效率。它是现代产品设计中高级的cad/cae软件之一。ansys有限元分析软件具有强大的功能，其主要的技术特点如下：它是唯一能实现多场与多场耦合分析的软件，唯一实现前后处理、求解及多场分析统一数据库的一体化大型cae分析软件，唯一具有多物理场优化功能的cae软件；具有强大的非线性分析功能；支持异种异构功能网格浮动，在异种异构平台上支持界面统一，数据文件通用；具有强大的并行计算功能，支持分布式并行和共享内存式并行；具有多种用户网格划分技术以及完善的用户开发环境。同时，ansys软件拥有丰富和完善的单元库、材料库和求解器，保证了它能高效地求解各类结构的静力、动力、振动、线性和非线性问题，稳态和瞬态热分析以及结构耦合问题，压缩和可压缩流体问题。它提供友好的图形界面和程序结构、交互式的前后处理和图形软件，大大地减轻了用户在实际工程问题中建模、求解以及结果分析的工作量。它的同意集中式的数据库保证了各模块之间的有效可靠的集成，并实现了与多个cad/cae软件的连接。ansys软件功能的强大与其有着很多的模块应用是分不开的，ansys的模块化结构如图2-2所示。模块结构post26 时间历程后处理器post1 通用后处理器opt 优化设计模块runstar 估计分析模块solution 求解器prep7 前处理器other 其他功能图2-2 ansys的模块化结构图2.4 ansys分析的一般流程1.建立几何模型有限元分析的最终目的是要还原一个实际工程系统的数学行为特征，换句话说分析必须是针对物理原型的准确数学模型。在ansys中，模型生成是指用节点和单元表示空间体域及实际系统连接的生成过程。在建立模型之前，首先对模型进行总体规划，以确定如何对工程实际问题进行数值模拟。根据实际问题的分析目标，对实际问题做出合理简化，选择合适的单元类型，确定有限元网格密度。并且还要对计算所用时间和计算结果的精度这一矛盾进行平衡考虑。2.有限元模型有限元模型用有限数目的未知量模拟真实的物理系统，不同物理系统的未知量不同。例如，结构分析的未知量时节点的位移，而温度分析的未知量是温度等。有限元模型的主