85mm炮身管强度有限元分析课程设计.docx

沈阳理工大学课程设计1 用AutoCAD绘制出加农炮身管图并标注尺寸1.1 绘制炮身结构由提供的86式85毫米加农炮身管结构图，应用AutoCAD2010软件,严格按照GB4457-4460-84，GB131-83机械制图标准规定制图，身管零件工程图见附录1。1.2 86式85毫米加农炮身管图说明（1）图纸名称：86式85毫米加农炮身管图；（2）绘图比例：1:15； （3）数量：1 ；（4）绘图方法：半剖式。1.3 在绘制过程中应注意问题（1）绘图前先设置图限、图层；（2）不同类型的对象绘制在不同的图层上，利于以后修改；（3）设置线宽显示比例，使粗细线显示协调；（4）将图形缩小到A4图纸后，应注意放大线宽。2 用AutoCAD绘出身管截面图建立有限元模型有两种方法，输入法和创建法。输入法是直接输入由其他CAD软件创建好的实体模型，创建法是在ANSYS中从无到有地创建实体模型，两者并不是完全分开的。但由于ANSYS在创建模型是过于繁琐，加上笔者对ansys软件不是很熟悉，本次课程设计采用输入法建立有限元模型。利用AUTOCAD2010,以y轴为火炮身管的对称轴绘制截面图的右侧部分，并利用CAD中面域功能将所绘制的图形面域化。将上述绘制好的图形以“SAT”文件格式导出 ,保存并命名。注意使用面域功能时所选图形必须闭合。且由于ansys软件在处理轴对称结构时默认Y轴为对称轴，所以截面必须以Y轴为对称轴，且选择面域的时候只能选X轴正方向的部分。3 问题分析3.1 85mm火炮身管静态受力分析身管的材料参数为：弹性模量E=207GPa,泊松比u=0.3：此模型后端施加Y轴方向固定位移约束，在身管的膛低和坡膛之间内侧表面垂直内表面方向上施加256.0 MP的均布载荷。模型如图所示： 图3-13.2 确定问题范围在对问题有了初步了解以后，进一步要弄明白问题涉及的领域，即确定问题的范围。对问题分析可知本问题属于结构力学领域中的静态分析问题且在材料变形的线性变形的范围内。4 建立有限元模型4.1 打开ANSYS 14.0软件建立模型包括设定分析作业和标题；定义单元类型和实常数；定义材料属性；导入几何模型；划分有限元网格。其具体步骤为：1）在进行一个新的有限元分析时，通常需要修改数据库名，并在图形输出窗口中定义一个标题来说明当前进行的工作内容。另外，对于不同的分析范畴（结构分析，热分析，流体分析，电磁场分析等），ANSYS所用的主菜单的内容不尽相同，为此，需要在分析开始时选定分析内容的范畴，以便ANSYS显示出与其相对应的菜单选项。然后点击RUN，进入操作界面。如图4-1所示图4-12）定义工作标题：执行File-Change Tile打开change title对话框，输入85 mm gun点击OK。如图4-2所示 图4-23）定义分析类型，执行Main Menu-Preferences,如图4-4所示图4-34.2 定义单元类型在进行有限元分析时，首先应该根据分析问题的几何结构，分析类型和所分析的问题精度要求等，选定合适具体分析的单元类型。本次选用四节点四边形板单元PLANE182。PLANE182不仅可用于计算平面应力问题，还可以用于分析平面应变和轴对称问题。单元类型对话框如图4-4所示。1） 定义单元类型，执行Main MenuPreprocessorElement TypeAdd弹出Element Type 对话框.选择Solid182.如图4-5所示。 图4-4 图4-52)单击Options按钮，打开图4-6所示对话框，在Element behavior(单元行为方式)下拉列表框中选择Axisymmetric（轴对称）选项 图4-64.3 定义材料属性本次选用的单元类型不需要定义实常数，故直接定义材料属性。1）执行Main menuPreprocessorMaterial PropsMaterial models,在Define material model behavior对话框中，如图4-7所示 图4-72) 依次单击StructuralLinearElasticIsotropic,展开材料属性的树形结构。打开材料的弹性模量EX和泊松比PRXY的定义对话框，如图4-8所示，在对话框的EX文本框中输入弹性模量2.07e11，在PRXY文本框中输入泊松比0.3。 图4-83）依次单击StructuralDensity,打开定义材料密度对话框，如图4-9所示，在DENS文本框中输入密度数值7810。 图4-94.4 导入几何模型将模型导入到ANSYS，执行FileImportSAT浏览上述模型，如图4-10所示。 图 4-10导入后效果图如下图4-11所示： 图4-114.5. 网格划分1） 执行Main Menu-Preprocessor-meshing-Mesh Tool命令，打开Meshing Tool(网格工件)，如图4-12所示。2）自定义网格形式，单击Line域Set 按钮，打开选择对话框，要求选择定义单元划分数的线。在图中选中炮膛内壁的线，单击apply按钮，出现如图4-13所示对话框，在No. of element divisions文本框中输入30，单击apply，如图4-14所示。 图4-13 图4-12 图4-144）在Mesh栏中选择Areas选项，在Shape选项中选择Free选项，选择Mesh按钮，出现对话框，在对话框中选择Pick All，ANSYS将按照对线的控制进行网格的划分，划分后的结果如图 4-15所示,炮膛内的放大图如图4-16所示： 图4-16 图4-155 加载以及求解5.1 添加位置约束执行Main menuSolutionDefineLoad-applystructuralDisplacementon Lines出现选择对话框，如图5-1所示.选择最下端的线，单击OK按钮出现Apply U,ROT on Lines对话框，选择UY，单击OK按钮，效果图如图5-2. 图5-1 图5-25.2 添加载荷执行Main menuSolutionDefine LoadapplystructuralPressureon lines，打开选择线对话框，选择身管的膛低和坡膛之间内侧表面线，单击OK按钮，出现Apply PRES on lines对话框,在Load PRES value文本框中输入2.56e8，单击OK按钮施加外载荷，如图5-3所示。效果图如5-4所示。图5-3 图5-45.3 求解执行Main menuSolutionSolveCurrent LS,求解。求解完成后会出现如图5-5所示对话框。 图5-56 后处理 求解完成后，就可以利用ANSYS软件生成的结果文件（对于静力分析，就是Jobname.RST）进行后处理。静力分析中通常通过POST1后处理器就可以处理和显示大多数兴趣的结果数据。6.1 查看变形图关键的变形为径向变形，在高膛压下膛低至坡膛处径向产生过大变形，可能导致身管破裂。1)查看结果时选择柱坐标系执行Main Menu：General Postproc：Options for Outp打开Options for Outp对话框，在第一个选项中选Global cylindric(柱坐标系)点击OK。如图6-1 所示： 图 6-12)执行Main Menu：General Postproc-Plot Results-Contour Plot-Nodal命令对话框，打开Contour Nodal Solution Nata（等值线显示节点解数据）对话框，如图6-2所示。 图6-23）在Item to be contoured（等值线显示结果项）域中选择DOF solution（自由度解）选项。在列表框中选择X-Component of displacement（X向位移）选项，即径向位移。选择Deformed shape with undeformed edge（变形后和未变形轮廓线）选项。单击OK按钮，在图形窗口中显示变形图，包含变形前的轮廓线，如图6-3所示。图中下方的色谱表面不同颜色对应的数值。炮膛处局部放大图如6-4所示。图6-3 图6-4Y方向的同理可得 图6-5 图6-66.2查看应力火炮身管膛内压力垂直于内表面，主要应力也是径向应力。执行Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsContour PlotNodal命令对话框，打开Contour Nodal Solution Nata（等值线显示节点解数据）对话框，图6-2所示。在Item to be contoured（等值线显示结果项）域中选择Stress（应力解）选项。在列表框中选择X-Component of stress（X向应力）选项。选择Deformed shape with only（仅显示变形后模型）选项。单击OK按钮，在图形窗口中显示应力图，如图6-7所示。图中下方的色谱表面不同颜色对应的数值。炮膛部分局部放大图如6-8所示 图6-7 炮膛部分局部放大图 图6-8用同样方法显示Y方向应力如图6-9所示。 图6-9炮膛部分局部放大图 图6-106.3查看三维立体图从应用菜单中选择Utility Menu：PlotCtrlsStyleSymmetric Expansion2D AxiSymmetric命令，打开2D Axi-Symmetric对话框，如图6-11所示。 图6-11在Select expansion anount栏中选择3/4 expansion。单击OK按钮，得到如图6-12所示结果。 图6-12在 Select expansion anount栏中选择Full expansion。单击OK，得到如图6-13所示结果。 图6-17. 结论通过上述位移图分析可得，最大位移为0.136581mm。通过上述应力图分析可得，最大应力为0.387E+08Pa。因此，该火炮身管强度满足要求。ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题，但是建模功能方面不是很强大。因此，一般都是在PROE或者AUTO CAD中建模，然后再导入ANSYS分析。但因为这软件是全英文操作命令，在使用时走了不少弯路。经过一次一次的尝试和失败最终还是做完了本次课设，对ANSYS14.0有了进一步的了解。另外在做本次课程设计时还用到了许多工程制图和材料力学及弹性力学方面的知识。体会到了学科与学科之间的紧密联系。材料力学为有限元分析提供理论基础，有限元分析方法为弹性力学所不能解决的问题提供新的解题思路，且用有限元分析的方法求得的结果也更贴近实际情况。经过此次课程设计深深体会了搞研究的艰辛，提高了自身在遇到问题时查找资料的能力，培养了独立思考的能力，