飞轮静力学分析.docx

有限元法分析与建模课程设计报告报告题目 ：基于Ansys的飞轮静力学有限元分析学 院 ：机械电子工程学院指导教师 ：杜平安学生及学号：唐鹏 (201421080145)摘要 飞轮，是安装在机器回转轴上的具有较大转动惯量的轮状蓄能器。当机器转速增高时，飞轮的动能增加，把能量贮蓄起来；当机器转速降低时，飞轮动能减少，把能量释放出来，因而飞轮可以用来减少机械运转过程的速度波动。但速度过高，会引起飞轮的过度变形，进而使飞轮崩裂，造成严重的工程事故，因此必须对飞轮的结构进行深入的分析，研究其在工作状态下变形情况，以便采取防护措施。静力学分析是计算在固定不变的载荷作用下结构的响应，其实固定不变的载荷和响应是一种理想情况，只要实际的载荷和结构响应随时间的变化非常缓慢或微小，就可以把问题当成静力学问题来求解，从而通过简化的求解过程也能得到满意的结果。本文以飞轮为例，首先在ANSYS环境下对飞轮进行模型，在静力学之前做准备工作，包括单元选取，网格划分方法及网格大小的确定，材料参数的收集等。然后，根据先前的准备工作对飞轮有限元模型进行分网，进而对飞轮进行静力学分析、求解。最后，根据飞轮静力学分析结果，总结飞轮转动特性，并对飞轮的优化和改进提出相关建议。关键词：飞轮； 有限元; Ansys; 静力学ABSTRACTFlywheel is installed on the machine rotating shaft has a large moment of inertia of rotavirus accumulator.When the machine speed increased, the kinetic energy of the flywheel increases, the energy savings;When lower speed, the flywheel kinetic energy is reduced, the energy released, so the speed of the flywheel can be used to reduce the mechanical operation process.But the speed is too high, will cause the excessive deformation of the flywheel, and then make the flywheel cleft, cause serious engineering accident, therefore must carry on the in-depth analysis of the structure of flywheel, study its deformation under working state, so that to take protective measures. Statics analysis is to calculate the response of the structure under fixed load, constant load and the response is actually an ideal situation, as long as the actual load and structural response are very slow or little, along with the change of time can be as statics problem to solve the problem, thus by simplifying the solving process of also can get satisfactory results.Based on flywheel as an example, this paper first in ANSYS environment to model of flywheel, preparing work before statics, including unit selection, meshing method and the determination of grid size, material parameters collection, etc.Then, based on previous preparation for flywheel points based on the finite element model of the nets, then to statics analysis, solving the flywheel.Finally, according to the result of the flywheel statics analysis, summarizes the flywheel rotating characteristics, and put forward related Suggestions to optimize and improve the flywheel.Key words: Flywheel ; Finite element ; Ansys ; Statics目录第1章引言11.1有限元法思想及其应用11.2本文研究问题描述1第2章 飞轮有限元静力学分析准备工作22.1飞轮的建模22.1.1建模过程22.2网格划分52.2.1定义单元类型和尺寸52.2.2生成映射网格62.2.3改变单元类型和单元尺寸72.2.4生成网格7第3章 飞轮静力学分析步骤93.1 定义材料属性93.2 施加约束93.3 施加载荷113.4 求解过程11第4章 飞轮静力学分析结果124.1查看变形124.2显示节点位移134.2.1显示节点位移云图134.2.2列表显示节点位移134.3显示节点应力144.3.1显示节点应力云图144.3.2列表显示应力154.4显示节点应变154.3.1显示节点应变云图154.3.2列表显示应变列表164.5显示反作用力174.6扩展获得完整模型17第5章 总结19参考文献20第1章 引言1.1 有限元法思想及其应用有限元法，是将连续的求解域离散为一组单元的组合体，用在每个单元内假设的近似函数来分片的表示求解域上待求的未知场函数，近似函数通常由未知场函数及其导数在单元各节点的数值插值函数来表达。从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。有限元法的基本思想可归结为两方面，一是离散，二是分片插值1。随着市场竞争的加剧，产品更新周期愈来愈短，企业对新技术的需求更加迫切，而有限元数值模拟技术是提升产品质量、缩短设计周期、提高产品竞争力的一项有效手段，所以，随着计算机技术和计算方法的发展，有限元法在工程设计和科研领域得到了越来越广泛的重视和应用，已经成为解决复杂工程分析计算问题的有效途径，从汽车到航天飞机几乎所有的设计制造都已离不开有限元分析计算，其在机械制造、材料加工、航空航天、汽车、土木建筑、电子电器、国防军工、船舶、铁道、石化、能源和科学研究等各个领域的广泛使用已使设计水平发生了质的飞跃。归纳起来，有限元法的应用主要有：1.线性静力学分析2.动态分析3.热分析4.流场分析5.电磁场计算6.非线性分析7.过程仿真。1.2本文研究问题描述静力学分析是计算在固定不变的载荷作用下结构的响应，其实固定不变的载荷和响应是一种理想情况，只要实际的载荷和结构响应随时间的变化非常缓慢或微小，就可以把问题当成静力学问题来求解，从而通过简化的求解过程也能得到满意的结果。本文以飞轮为例，对飞轮模型进行静力学分析，飞轮模型绕轴线的旋转角速度为400rad/s,根据问题的对称性，仅取飞轮的八分之一进行建模和求解，最后进行结果扩展。飞轮的材料属性：弹性模量E=3e11Pa ,泊松比u=0.3,密度=7.85e3kg/m3。分析步骤：建立模型，加载求解，结果后处理。第2章 飞轮有限元静力学分析准备工作2.1飞轮的建模图1-1所示为飞轮的立体图，因飞轮为轴对称结构，所以建模和网格划分只需飞轮的八分之一，从而减少运算成本，最后可以通过扩展得到整体的运算结果其具体建模和网格划分过程如下所述。图1-1模型立体示意图2.1.1建模过程（1）运行Mechanical APDL(Ansys),定义好工作名和工作标题，调整图形输出窗口和显示所需工具栏，以方便建模过程中的需求。 （2）2D剖面建模Preprocessor MoelingCreateAreaRectangleBy dimensions,弹出“Create Rectangle by Dimensions”对话框，在其中输入参数，确认创建第一个矩形面，采取同样的方法创建另外两个矩形面。输入数据如下：第一个矩形面积：X1=2，X2=3，Y1=-4，Y2=6。第二个矩形面积：X1=7，X2=3，Y1=0.8，Y2=-0.8。第三个矩形面积：X1=7，X2=8，Y1=3，Y2=-3。生成结果如图1-2：图1-2 生成的长方形结果图线倒角操作：选择菜单Main Menu Preprocessor Modeling Create Lines Line Fillet,弹出一个拾取对话框，用鼠标在图形输出窗口中分别选取编号为“L14，L7”的线，点“OK”按钮，弹出如图1-3所示的“Line Fillet ”的对话框，在“Fillet Radium”后面的文本框中输入半径0.5，单击“Apply”按钮，重复以上操作，对编号“L13，L15”，“L16，L7”和“L15，L5”进行同样的设置。图1-3 “线倒角“对话框生成圆弧线：选择菜单 Main Menu Preprocessor Modeling Create Lines Area By End Kps & Rad,弹出一个拾取对话框，在图形输入窗口依次拾取编号为“12，11”的关键点，单击“OK”按钮，弹出“ Are By End Kps& Radius”对话框，输入的数据0.5，单击“Apply”按钮，生成第一段圆弧，同样，对第二段圆弧接受默认设置，选择菜单Utility Menu Plot Lines,最后的结果如图1-4所示：图1-4 圆弧结果图（3）由2D模型生成3D模型 生成旋转轴的关键点：选择菜单Main Menu Preprocessor Modeling Create Keypoints In Active CS,创建两个关键点。设置角度单位为度：选择菜单 Utility Menu Paremeters Angular Units,在对话框的下拉菜单中选择“Degree Deg”选项，单击“Ok”按钮，关闭对话框。拖拉生成3d模型：选择菜单Main Menu Preprocessor Modeling Operate Extrude Areas About Axis ,弹出一个拾取对话框，单击“Pick All”按钮，接着拾取轴线的关键点，单击“Ok”按钮，又弹出“Sweep Areas About Axis”对话框，输入数据，最后得到的结果如图1-5所示。图1-5 扫略结果图（4）生成圆柱孔 旋转工作平面：在“Offset Wp”中的“XY,YZ ,ZX, Angles”下面的输入框中输入“0，-90”，单击“Apply”按钮确认。 生成圆柱体：选择菜单Main Menu Preprocessor Modeling Create Volumes Cylinder Solid Cylinder ,弹出“Solid Cylinder ”对话框，在其中输入数据，单击“OK”按钮，确认输入。体相相减：选择菜单Main Menu Preprocessor Modeling Operate Booleans Subtract Volumes ,弹出一个拾取对话框，用鼠标在图形输出窗口中选取编号为“V1”的体素，单击“OK”按钮，同样选择编号为“V2”的体素，单击“Ok”按钮，关闭对话框。选择菜单Utility Menu Plot Replot 重绘模型，删除体后的结果如图1-6所示。图1-6体相减结果图（5）分割实体 在划分网格前，根据飞轮结构受力特点，网格密度会有所不同，故应先对实体进行分割。通过关键点定位工作平面后，在工作平面分割实体，结果如图1-7所示。 图1-7 分割后结果图2.2网格划分2.2.1定义单元类型和尺寸 选择单元类型：选择菜单Main Menu Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete,弹出“Element Types”对话框，单击“Add”按钮，弹出如图2-1所示对话框，在该对话框选择“Structural”选项，及其下的“Solid”选项，按照下图设置后，关闭对话框。图2-1 单位类型列表框 设置单元尺寸：选择菜单Main Menu Preprocessor Meshing Size Cntrls Manulsize Global Size ,弹出“Global Element Sizes”对话框，设置单元边长为“0.25”，如图2-2,单击“OK”按钮，关闭对话框。图2-2 单元尺寸控制对话框2.2.2生成映射网格生成映射网格：选择菜单Main Menu Preprocessor Meshing Mesh Volumes Mapped 4 To 6sided,弹出一个拾取对话框，在图形输出窗口中选择编号为“V1，V2，V3，V5”的体，单击“OK”按钮，生成的网格如图2-3所示。图2-3 生成的映射网格2.2.3改变单元类型和单元尺寸改变单元类型：选择菜单Main Menu Processor Meshing Mesh Attributes Default Attribs ,弹出如图对话框，按如图2-4所示设置，单击“OK”按钮确认。图2-4 网格属性对话框设置单元尺寸：选择菜单Main Menu Preprocessor Meshing Size Cntrls Manulsize Global Size ,弹出“Global Element Sizes”对话框，设置单元边长为“0.2”，如图2-5,单击“OK”按钮，关闭对话框。图2-5 单元尺寸控制对话框2.2.4生成网格自由网格划分生成网格：选择菜单Main Menu Preprocessor Meshing Meshing Volumes Free,弹出一个拾取对话框，在图形输出窗口中选择编号为“V6”的体，单击“OK”按钮，生成的网格如图2-6。图2-6 网格结果图第3章 飞轮静力学分析步骤3.1 定义材料属性定义材料属性：选择菜单main menu preprocessormateral props material models,弹出如图3-1“材料属性”对话框，在有责的列表中连续双击“structural linearelasticisotropic”选项，弹出如图3-2所示的“定义密度”对话框，在该对话框中“DEMS”后面的输入框中输入“7.85e3”，单击“OK”按钮,关闭对话框。图3-1 材料属性对话框图3-2定义密度对话框3.2 施加约束显示面编号：选择菜单Utility Menu Plotctrls Numbering,弹出“Plot Numbering Controls”对话框，选中“Area Numbers”后的复选框，复选框由“Off”状态变成“On”状态，此时，即可在图形输出窗口显示面编号，单击“OK”按钮，关闭对话框。选择菜单Utility Menu Plot Areas,把面及编号显示出来，结果如图3-3所示图3-3 模型图施加对称约束：选择Main MenuSolutionDifine LoadsApplyStructuralDisplacementSymmetry B.COn Areas ,弹出一个拾取对话框，选择一个有空一侧的对称面，在选择无孔一侧的对称约束面，单击“OK”按钮确认，生成的结果如图3-4所示。图3-4 对称面约束结果图施加点约束：选择菜单Main Menu Solution Define LoadsApply StructuralDisplacementOn Nodes,弹出一个拾取对话框，在输入框中输入“1521”，编号为“1521”的节点，单击“OK”按钮，弹出“Apply U,ROT On Nodes”对话框，约束Y方向自由度如图3-6所示，单击“OK”按钮，完成约束施加。图3-5“约束”对话框3.3 施加载荷选择菜单:Main Menu Solution Define LoadsApply StructuralInertiaAngular VelocGlobal,弹出“Apply Angular Velocity”对话框，设置如图3-6所示，单击“OK”按钮，完成载荷施加。图3-6加载对话框3.4 求解过程选择求解器：选择菜单Main Menu Solution Analysis Type SolN Controls,弹出“Solution Controls”对话框，切换到“SolN Options”选项，选择“Pre-Conditioncg”求解器，如图3-7，单击“OK”按钮确认。图3-7 选择求解器对话框设置输出控制选项：选择菜单Main MenuSolutionLoad Step OptsOutput CtrlsSolu Printout,弹出“Solution Printout Controls”对话框，选中“Every Substep”按钮，单击“OK”按钮，关闭对话框。求解：选择菜单Main Menu SolutionSolveCurrent LS ,通过“/STATUS Command”对话框查看前面定义的信息，无误后关闭对话框，并单击“Solve Current Load Step”对话框的“OK”按钮，计算机开始进行求解运算，当出现“Solution Is Done!”提示时求解结束，单击“Close”按钮关闭该对话框，即可查看结果了。第4章 飞轮静力学分析结果4.1查看变形查看变形：选择菜单Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsDeformedShape,弹出“Plot Deformed Shape”对话框，选中“Def+Undef Edge”单选框，单击“OK”按钮，显示变形后的几何形状和未变形的轮廓如图4-1所示。图4-1变形图4.2显示节点位移4.2.1显示节点位移云图选择菜单Main MenuGeneral PostprocProt ResultsDeformed Shape,弹出“Plot Deformed Shape”对话框，选中“Def+Undef Edge”单选钮，单击“OK”按钮，显示变形后的几何形状和未变形的轮廓如图4-2所示，再依次选择Main MenuGeneral PostprocProt ResultsContour PlotNodal Solu,弹出“Contour Nodal Solution Ddata”对话框，依次选择DOF Solution X-Component Of Displacement选项，单击“OK”按钮，得到X向节点位移云图如图4-3，同样方式显示Y/Z向节点位移云图如图4-4与图4-5所示。图4-2 节点位移云图 图4-3 X向节点位移云图图4-4 Y向节点位移 图4-5 Z向节点位移4.2.2列表显示节点位移选择菜单Main MenuGeneral Postproc List ResultsNodal Solution ,弹出“List Nodal Solution”对话框，依次选择DOF Solution Displacement Vector Sum选项，单击“OK”按钮，列表显示结果如图4-3所示。图4-6 节点位移列表4.3显示节点应力4.3.1显示节点应力云图显示节点Mises应力云图：选择菜单Main Menu General Postroc Plot Results Contour Plot Nodal Solu ,弹出“Contour Nodal Solution Data”对话框，依次选择Stress Von Mises Stress选项，如图4-7所示，单击“OK”按钮。显示节点X/Y/Z向应力云图：选择菜单Main Menu General Postproc Plot ResultsContour PlotNodal Solu ,弹出“Contour Nodal Solution Data ”对话框，依次选择Stress X-Component Of Stress 选项，单击“OK”按钮，显示X向节点应力云图如图4-8，同理得到Y/Z向节点应力云图如图4-9与图4-10。图4-7 节点应力云图 图4-8 X向节点应力云图图4-9 Y向节点应力云图 图4-10 Z向节点应力云图4.3.2列表显示应力 选择菜单Main Menu General Postproc List Results Nodal Solution 弹出“List Nodal Solution ”对话框，依次选择Stress Von Mises Stress选项，单击“OK”按钮，列表显示结果如图4-11所示。图4-11 节点应力列表4.4显示节点应变4.3.1显示节点应变云图显示节点Mises应变云图：选择菜单Main Menu General Postroc Plot Results Contour Plot Nodal Solu ,弹出“Contour Nodal Solution Data”对话框，依次选择Mechanical StrainVon Mises Total Mechanical Strain 选项，如图4-12所示，单击“OK”按钮。显示节点X/Y/Z向应变云图：选择菜单Main Menu General Postproc Plot ResultsContour PlotNodal Solu ,弹出“Contour Nodal Solution Data ”对话框，依次选择Total Mechanical Strain X-Component Of Total Mechanical Strain选项，单击“OK”按钮，显示X向节点应变云图如图4-13，同理得到Y/Z向节点应变云图如图4-14与图4-15。图4-12节点应变云图 图4-13 X向应变云图 图4-14 Y向应变云图 图4-15 Z向应变云图4.3.2列表显示应变列表选择菜单Main Menu General Postproc List Results Nodal Solution 弹出“List Nodal Solution ”对话框，依次选择Total Mechanical Strain Von Mises Total Mechanical Strain选项，单击“OK”按钮，列表显示结果如图4-17所示。图4-17 节点应变列表4.5显示反作用力列表显示反作用力：选择菜单Main Menu Gen