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有限元模型进行
有限元分析模型
进行有限元分析
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利用有限元模型对钻机进行动态分析的研究,有限元模型进行,有限元分析模型,进行有限元分析
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【中文5220字】 利用有限元模型对钻机进行动态分析的研究摘要现在的工作的目的是使用分析和实验的结果发展和改进钻机的有限元分析模型，这种有限元分析已经用在监测将钻机的工作特性修改后对钻机动态的结构的影响；对钻机将有两个研究就进行。第一个研究是：使用工具对钻机进行冲击来观察这种冲击对钻机的影响的实验已经在进行，通过人们公认对模型的证明我门已经知道这种方法的可行性；为了这一个有限元模型分析的机器，一个计算机程序已经被设计出来。有限元分析获得的结果是将通过实验得到模型的比较与测量和控制的价值联系起来。有限元分析模型已经被改进，是由于一个已经使用的有限元分析模型程序的改进。第二个研究是：模式上的测试已经完成，这种测试包括运用各种任意的声音和模式的刺激。公认的模式的测试方法被用来作为这种有限元分析模型的证据。利用I-DEAS软件已经对有限元分析模型的作了分析。利用FEMtools软件已经对有限元分析模型和实验得到的结果的联系进行了分析，利用以上两种软件已经对有限元分析模型进行了间接的改进。灵敏度基于对参数估量的技术。通过以上两种研究，对这种分析模型进行结构和动态的修改。我们对动态设计的结果和结构和动态的修改相当的满意。目录1. 绪论；2. 模型的测试和结论；3. 钻机的有限元分析元素的表达；4. 有限元分析的结果和实验结果的比较；5. 有限元分析的发展；6. 利用有限元分析对动态设计的动态和结构的修正；7. 结论。参考文献1 绪论动态设计的目的在于获得想要的机器和构件的动态参数，这些动态参数包括震荡频率，想要得到的结构尺寸和震荡响应，而根本的目的是有一个安静和舒适的环境，高的可靠性和更好的产品质量。常规的动态设计是通过很多的原形的分析和实验来获得自己想要的参数。这个设计的缺点是：要进行这个实验和分析需要很多的时间和精力，所以根本就没有效率所言。然而，新型的有限元分析节省了时间节省了有关的花费。动态设计所用的各种方法是：实验的模型分析（形态测试和实验确认），模型改进和结构上的，形态上的修改。EWINS，MAIN和SILVA对模型测试进行了基本概念的解释。模型测试是通过实验的方法获得机构的数学模型。在这个实验中，构件用一个锤子进行打击或用刺激物进行刺激，是它发生变形，在这个过程中，构件的变形已经被仪器所记录。然后，用一个接口将这种变形的信号传递的分析器里面，以构件的响应函数的形式进行分析。这种实验模型提给给我们一个正常的频率相应的外形和模型的制动因数是非常有用的对模型的改进来说。改进后的有限元分析技术帮助我们使得分析有限元要素模型接近于真实的系统。在模型更新起初，有限元模型分析因为结构的动力学，模型构造是精确或者最新的。用标准的，最新的测试数据的使用，以至于对机构模型的描述是非常准确的。当将有限元分析应用于不准确的边界条件和结构减震时，将会出现错误。Friswen 和Mottershead 在结构动力学中讨论有限元模型分析的发展；在Baruch和Bar-Itzhach中考虑分析的大众点阵式是精确的而且在后来通过最新的实验数据对发展为一种直接的数学方法；Berman和Nijy发明了一种改进模型的方法。这种方法使用标准的dos命令和正常的频率来提高对大多数和坚硬金属分析的精确。结构的动态休整技术是一种方法，通过增加改进参数（刚性连接，节气阀等）。因而，利用最新的模型来准确的和快速的预测动态设计是非常有用的，在动态设计时，计算机利用自身程序对模型进行结构动态特性的有可能修正，这样即节省时间又节省花费，Sestieri讨论将结构动态修正运用到工作母机和发动机上Kundra提供了一种结构动态的修正方法。Modak讨论通过最新的有限元模型分析对构件动态修正的预测，在边界条件，利用硬度参数时对最新的机床，它常常不是非线性最优化的方法。这篇论文要处理最新的有限元模型分析通过使用指导方法和间接方法来解决动态设计构件动态参数的修正与预测。一个钻机，两重不同的设计方法被报道使用不同的技术方法来分析和解决最新的动态分析设计。现在多种研究工作被实施的目的是：（1） 来发现一种最新的有限元分析系统来解决象钻机一样复杂结构的设计和使用这种有限元分析模型来预测各种参数在机器模具上的响应。（2） 让这种变形的模型和正常的模型相比较来看象钻机一样复杂结构对其进行冲击时产生变形是否有好的方面出现。（3） 利用这种最新研究的模型分析方法来分析获得机构动态修正参数的测试结果。2. 模型的测试和结论；在二项研究被提及更加早期， 对模型的测试和结论，人们引用了不同的技术。在第一个实验中，用冲击的方法使钻机的构件发生变形，其数值的变化如图1和图2：(12K)图1实验进行前(4K) 图2实验后变形是在过载器件的帮助下对一个固定点的取样；在现在的研究中，使用仪器使得在钻机的30个部位进行刺激使之发生变形，则这样就能获得30个响应函数。这些响应函数在变化以前就已经被记录下来。同时就这些获得响应函数输送到计算机里面，将获得的数据以曲线的形式表达出来，再将其进行分析就能获得标准的，最新的钻机的参数数据。第二个实验是：使机械机构地部的28个点发生变形并用压电式加速仪进行测量，通过ICATS软件对频率响应函数的正确性进行了证明，结果显示这种方法得到的数据是准确的。表1是通过两种不同的方法得到的频率的数据，从数据来看，它们是完全不一样的：表1 方式110.29 Hz8.67 HZ0.95311.20 Hz8.79 Hz0.946方式265.14 Hz47.34 HZ0.90163.37 Hz44.40 Hz0.9063.钻机的有限元分析元素的表达；像Zienkiewicz 和 Bathe一样，人们对有限元分析的一些概念进行了定义。与其他的机器和构件相比，钻机的构件是非常复杂的；因此，对实际的构件分析是很难的，而且会花费大量的时间和精力。然而，对有限元模型分析来说，钻机的简单化的模型被使用。在实验1中，有限元分析模型被MATLAB作成一个计算机程序；光线元素已经被应用到分析当中，刚性连接和边界条件被认为对结构减震是有影响的在模型参量上，但是，人们往往将其忽略。钻机的相关使用数据如下：25毫米的柱子模型；高度= 1.655 m； 质量密度= 7800 kg/m3；杨氏系数= 200 Gpa； 连节点的个数= 30； 设计元素的个数= 29； 每个元素的节点个书= 2； 每个节点的自由度= 3。图3表示了实验1中钻机结构的节点数：(7K)图3钻机结构的有限元分析现在，钻机的特征值和特征向量已经被计算出来。结构的有限元分析的数据包括9090-的外行参数和材料硬度（303,30个节点，每个节点的自由度= 3）。但是，实验只有30个坐标可以测量，有限元模型分析在MATLAB设计的一个程序下得到了简化。在实验2中，通过使用I-DEAS软件将有限元分析模型制作出来，模型是用射线滤网制作的。虽然有限元分析模型是单一化的但是射线元素有旋转的自由度，使得无法实验性地被测量。因此，有限元分析模型需要进一步的简化。在以后的发展过程中，通过使用FEM软件有限元分析模型得到进一步简化。图4和图5显示了在使用I-DEAS软件以后实验1和实验2的结构形式：(31K)图4.实验1的结构形式(23K) 图5.实验二的结构形式4. 有限元分析的结果和实验结果的比较；第一阶段的调试的准确程度将直接影响有限元分析模型与实验的模型的接近程度，如果，我们不能使实验得到的数据和有限元分析得到的模型相吻合，那么，这种取得成功的方法是不可靠的；因此，得到的数据和有限元分析得到的模型相吻合是至关重要的。表1提供给我们：实验的频率和分析得到的频率的区别，这儿存在很大的不同对于有限元分析得到的结果和实验得到的结果。因而，有限元模型分析需要进行改进。除了与正常的频率做比较的到结论之外，还有一种方法是：将要分析的模型与其相近的模型作比较从而得到想要的结果。具体的方法是：做模型的外型比较；我们将不规整的模型分割成一些特殊的模型，以便与实验和分析得到的结果做比较。将模型分割成一块一块的相同摸小模型，这样就可以做快速对比。通过使用ICATS这种软件，是模型之间可以相似到图6所示的情形；图6显示给我们清晰的，准确的实验分析与有限元分析之间的联系。(87K)图6一些科学家发明了一种定量的进行标准的和预测的模型的比较方法。作为一种图形示的方法，它将成为保证模型质量依据。测试与控制是评估两种方法模型相近程度的广泛使用的方法，它给我们提供了模型的尺寸上下直线的偏差。关于标准模型和分析的模型之间有如下的公式：式中 m 和 a 是标准的或实验分析模型各自的外型尺寸。测试与控制的价值可以用0和1来表示：1就表示实验和分析模型的尺寸接近与标准模型的尺寸；则0就有相反的结果。从表1中我们可以发现经有限元分析得到的尺寸虽然与模型2比较数值有一点小但还是接近与数字1的；从表中还可以发现两个实验的数据是很接近的。5. 有限元分析的发展趋势在有限元分析中使用从相关实验模型中得到的数据改正个别参数的含义的程序描述了服从结构的动态变化。各种改进的模型分析的方法可以被分为两类： 直接点阵法； 间接或反复法。直接的方法可以精确的计算出标准的数据，但是，对使用者来说没有机会来改进所涉及到的参数。在这儿参数就以为着像杨氏模数，泊松比，质量密度等这样的物理量，当使用直接方法的时候，所有的硬度参数和部分的点阵被更新在一个专门的参数设计阶段。因此，一些物理方法只注重于更新过程，而往往忽略结果使得这种最后被否定。科学的技术（间接的方法）容许选择性的使用标准的参数。如果模型要被改进的话，那么敏锐的观察力是必须的。通过它不但可以获得结果，而且还能解释一些参数的含义。另外，我们还要在计算机上花费大多数的时间反复的进行计算与演算。两种科学方法通过改进的模型已经被使用，同时，计算机程序通过MATLAB也别应用到设计当中。在第一个实验中，两种直接方法被应用于改进钻机机构有限元分析模型。Baruch ，Bar-ltzhack和Baruch认为模型点阵分析法是准确的，而且，通过下面的公式修正了标准的参数； 有限元分析模型的力矩系数通过下式也被更新； Ku=Ka-KaTMa+MaTKa+MaTKaTMa+MaTMaBerman和 Nagy使用的方法和Baruch的相似；他们在保证有限元分析的正交性的同时改进了力矩的系数，随之力矩也就发生改变； 力矩系数通过下式改变； 改进后的力矩则被分散，这样使得构件受力平衡；同时，劲度矩阵也接近了真实的。Berman和 Nagy所得的实验数据如表2所示；从表中可以看出实验数据非常的接近于标准数值，因此，测试与控制的一些数据被给出。与以前的数据相比这些数据有了很大的改变。表2实验得到的，有限元分析模型得到的和测试与控制得到的数据的比较：模型 方法1方法2标准频率Baruch 方法Berman 方法标准频率间接方法改正后的频率MAC改正后的频率MAC改正后的频率MAC模型18.67 Hz8.67 Hz0.9258.67 Hz0.9348.79 Hz8.79 Hz0.947模型247.34 Hz47.34 Hz0.96647.34 Hz0.94744.40 Hz44.43 Hz0.913改进后的数据被制成表格，从表格中的数据来看，改进后的有限元分析模型非常的接近于真实的结构，同时我们也看到测试与控制的数据也被改进。6. 元分析对动态设计的动态和结构的修正结构的动态特性被提高通过动态修正的方法，所使用大方法如：集中力偶，加弹簧，加阻尼等。其中，集中力偶是在垂直方向的柱子的顶端形成13.4Kg的集中质量，就像图3中设有20个节点一样。Modak使用冲击模型来对改良后的钻机进行测试，同时，将得到的数据在ICATS中进行分析，从而获得改良后钻机结构的动态特性。如表3所示：模型 标准频率使用有限元分析进行预测Baruch的方法Berman and Nagy的方法间接法18.37 Hz8.34 Hz8.17 Hz8.40 Hz246.05 Hz47.15 Hz46.96 Hz43.20 Hz表3 力偶集中后，标准频率和预测频率的比较力偶集中对钻机动态特性的影响与有限元分析模型所得的结果几乎一样。表3对比了Baruch，Berman and Nagy通过直接方法获得的数值和间接方法获得的数值与标准值进行比较。从比较的结果看，有限元分析得到的频率非常接近于标准频率。从而说明有限元分析模型对钻机力偶集中后钻机的动态特性的预测是正确的。因此，这种改良后的有限元分析模型的方法被大量的使用，通过对修正结构动态特性的预测就能设计出更为完善的产品。力偶集中对改变机构的频率是十分有意义的，通过预测，就可以在钻机上加20和25个节点。图8和图9分别显示了FRFS对机构的影响。表4和表5表示了通过有限元分析模型和ICATS软件修改后的模型对机构频率的预测。(33K) 图8加20节点对机构的影响(29K) 图9加25个节点对机构的影响表4在20个节点加20Kg的质量集中后对频率的预测（A面）；在20个节点加40Kg的质量集中后对频率的预测（B面）；有限元分析对频率预测的比较Baruch 法Berman 法间接法ICATS修改标准频率A面 20Kg的质量集中8.22 Hz7.99 Hz8.3 Hz8.2 Hz8.3 Hz47.08 Hz46.83 Hz42.
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