有限元开题报告

1 / 21 有限元开题报告 有限元分析及应用 1 本论文选题意义及国内外现状 选题背景、目的及意义 1 1 1背景 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，而有限元分析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，现在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。 目的 有限元分析是工程技术领域进行科学计算的极为重要的方法之一，利用有限元分析可以获得几乎任意复杂工程结构的各种机械性能信息，还可以直接就工程设计进行评判，对各种工程事故进行技术分析。此外，有限元分析在建筑行业也有广泛的应用，运用有限元分析可以对建筑设计予以评估。 2 / 21 选题的意义 随着世界日益激烈的竞争，每 个民族和个人都应该提高自身的素养，国与国的竞争的核心已经变成了技术的竞争。有限元分析法是解决实际问题的重要方法之一，通过学习研究有限元分析法可以将理论与实际相结合，有效的提高应用能力，使所学的知识得以运用。 1 国内外现状 国内现状 在工程应用方向，重型模锻液压机是一个国家重要的基础制造装备，我们目前还没有 4 万吨以上的大型模锻液压机，严重制约了我国国防航空航天及其它重型设备领域的开发研制，阻碍了我国的科技发展。在软件方面，国产有限元软件仅有 FEPG,JFEX,KMAS 较单一的软件，在处理大型有限元分析问题时，有些乏力。 国外现状 随着计算机技术的飞速发展，基于有限元方法原理的软件大量出现，并在实际工程中发挥了愈来愈重要的作用；目前，国外专门软件的有限元分析公司有几十家，著名的 通 用 有 限 元 分 析 软 件 有 ANSYS ， ABAQU ，MSC/NATRAN,MSC/MARC,ADINA,ALGOR,PRO/MECHANICA,IDEAS。有关有限元分析的学术论文，每年不计其数，学术活动非3 / 21 常活跃，为的科研和制造业起到了具大的推动作用。 2 主要设 计内容 论文目的 桥梁： 现代桥梁是一个重要的结构形式之一，反映着一个区域的政治、经济、文化。采用精确的有限元分析方法对桥梁施工过程中因结构变化的各种受力状态进行细致的分析。 机械： 对于不同的材料，由于它的承载破坏的机理不同，应运用有限元根据材料的受力状态、环境要求，作出一定的分析，完成机械的设计，并对机械的作出评估。 设计方法 根据拉力、剪应力、畸变能对实例予以评估 2 最大拉应力准则：若材料发生 脆性断裂失效，其原因是材料内所承受的最大拉应力达到了所能承受的极限 。 最大剪应力准则：若材料发生屈服，其原因是材料内所承受的最大剪应力达到了所能承受的极限。 最大畸变能准则：若材料发生屈服，其原因是材料内的畸变能密度达到了所能承受的极限。 设计结果 4 / 21 通过对桥体的材料、结构、环境运用有限元分析，计算出其最大承受重量，对机械的保险杠进行建模，计算出其所能承受的最大冲击力，测试其安全性能。 结论 桥体所能承受最大负荷为多少，是否能保证车 辆的安全通行 汽车保险杠在突发事件中能否对当事人起一定的保护作用，长期的雨水腐蚀会对其所承受最大剪应力影响有多大 3 拟采用的设计思路 实践步骤： 第一步： 问题及求解域定义：根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域。 第二步： 求解域离散化：将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连 3 的有限个单元组成的离散域，习惯上称为有限元网络划分。显然单元越小则离散域的近似程度越好，计算结果也越 精确，但计算量及误差都将增大，因此求解域的离散化是有限元法的核心技术之一。 5 / 21 第三步： 确定状态变量及控制方法：一个具体的物理问题通常可以用一组包含问题状态变量边界条件的微分方程式表示，为适合有限元求解，通常将微分方程化为等价的泛函形式。 第四步： 单元推导：对单元构造一个适合的近似解，即推导有限单元的列式，其中包括选择合理的单元坐标系，建立单元试函数，以某种方法给出单元各状态变量的离散关系，从而形成单元矩阵。 为保证问题求解的收敛性，单元推导有许多原则要遵循 。 对工程应用而言，重要的是应注意每一种单元的解题性能与约束。例如，单元形状应以规则为好，畸形时不仅精度低，而且有缺秩的危险，将导致无法求解。 第五步： 总装求解：将单元总装形成离散域的总矩阵方程，反映对近似求解域的离散域的要求，即单元函数的连续性要满足一定的连续条件。总装是在相邻单元结点进行，状态变量及其导数连续性建立在结点处。 第六步： 联立方程组求解和结果解释：有限元法最终导致联立方程组。联立方程组的求解可用直接法、迭代法和随机法。求解结果是单元结点 处状态变量的近似值。对于计算结果的6 / 21 质量，将通过与设计准则提供的允许值比较来评价并确定是否需要重复计算。 4 简言之，有限元分析可分成三个阶段，前置处理、计算求解和后置处理。 前置处理是建立有限元模型，完成单元网格划分；后置处理则是采集处理分析结果，使用户能简便提取信息，了解计算结果。 4 相关软件 编辑软件： ExcelXX; WordXX; Mathtype; 分析、统计软件： ; 5 工作进度安排 选题、查阅相关资料 开题答辩 调整论文结构、准备检查 完成论文初稿 导师初稿审查 论文定稿 论文答辩、评定成绩 论文装订、论文资料归档 参考文献： 著作： 1 张红武，吕昕。 弯道水力学。 水利电力出版7 / 21 社， 1993 5 1文献综述 电机简述 1 电机是一种机电能量转换或信号转换的电磁机械装置。不能量转换的功能来看，电机为发电机和电动机两大类。电 动机作为动力设备，已广泛应用于机械行业的工作。根据应用场合的要求和电源的不同，电动机有直流电动机、交流同步电动机、交流感应电动机、交流感应电动机，以及满足不同需求的特种电动机。其中，感应电机一般都用作电动机。感应电机是定、转子之间依靠电磁感应作用，在转子内感应电流以实现机电能量转换的感应电机。三相感应电动机在工业中应用极广，单相感应电动机则多用于家用电器。感应电机的结构简单、制造方便、价格便宜、运行可靠。其主要缺点是，功率因数恒为滞后，轻载时功率因数很低，另外，在调速性能方面比直流电机稍差。 同 步电动机的应用前景 6 众所周知 , 直流电动机有优良的控制性能 , 其机械特性和调速特性均为平行的直线 , 这是各类交流电动机所没有的特性。此外 , 直流电动机还有起动转矩大、效率高、调速方便、动态特性好等特点。优良的控制特性使直流电动机在 .% 年代前的很长一段时间里 , 在有调速、控制要求的8 / 21 场合 , 几乎成了唯一的选择。但是 , 直流电动机的结构复杂 , 其定子上有激磁绕组产生主磁场 , 对功率较大的直流电动机常常还装有换向极以改善电机的换向性能。早期人们采用直流电动机调速系统 , 其缺点是不言而喻的。 随着变频技术发展日趋成熟 , 异步电动机的变频调速驱动迅速取代了直流调速系统。而在这几年中 ,最新驱动技术就是永磁同步电动机调速系统 , 其体积小、节能、控制性能好 , 又容易用作低速直接驱动 , 消除齿轮减速装置 = 其低噪声、平层精度和舒适性都优于以前的驱动系统。永磁同步电动机驱动系统很快得到各大公司的青睐 , 与其配套的专用变频器系列产品已有多种牌号上市。可以预见 ,在调速驱动的场合 , 将会是永磁同步电动机的天下。 感应电机的基本电磁关系 主、漏磁通的分布 主磁通 7： 主磁通的路径：同时交链定、转子绕组。 主磁通的作用：转换能量的媒介。 定子漏磁通： 定子漏磁通包括槽部漏磁通、端部漏磁通、高次谐波磁通。 漏磁通路径：槽部漏磁通和端部漏磁通仅环链转子绕组。 9 / 21 漏磁通的作用：在定子绕组产生电抗压降。 等效电路： 电机磁场分机研究的方法 2 研究电机磁场对分析和设计电机各项性能具有非常重要的意义在传统的电机设计中，磁场的计算主要采用磁路法，计算公式中的一些修正系数不可 避免地依赖计算者的个人经验有些局部效应如磁路的饱和效应，很难准确考虑近年来，有限元方法计算电机内部的电磁场已变得非常实际这种数值计算技术无需引人经验系数，根据给定的输入电流或输人电压，即可计算电机内部磁场分布，为电机分析及设计提供了可靠依据。 有限元法 有限元的发展 最早可上溯到 20世纪 40年代。 Courant第一次应用定义在三角区域上的分片连续函数和最小位能原理来求解扭转问题。现代有限单元法的第一个成功的尝试是在 1956年， Turner、 Clough 等人在分析飞机结构时， 将钢架位移法推广应用于弹性力学平面问题，给出了用三角形单元求得平面应力问题的正确答案。 1960 年， Clough 进一步处理了平面弹性问题，并第一次提出了 有限单元法 ，使人们认识到它的功效。我国著名力学家，教育家徐芝纶院士首次将有限元法引入我国，对它的应用起了很大的推动作用。 有限元原理 10 / 21 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。 从有限元的基本方法派生出来的方法很多，则称为三维单元。如有限条法、边界元法、杂交元法、非协调元法和拟协调元法等，用以解决特殊的问题。 有限元研究磁场气隙磁密 3 在电磁场的数学模型基础上，建立电磁场有限元的离散方程，对研究的旋转电机建立了磁场模型及边界条件，利用有限元的数值解法，对电机磁场模型用任 意三边形等参单元剖分，分析了电机的矢量磁势，并且通过后处理，得到了磁通密度、磁场强度等场量的分布因此，利用有限元数值计算方法及 ANSYS等软件工具对旋转电机内磁场进行分析计算，进而对辅助设计电机的各项性能参数具有较强的现实意义和广阔的应用前景。 调节磁路中气隙的大小可以来改变磁阻 ,低速时气隙小 ,高速时气隙大 ,进而达到调节输出电压的目的。如若在磁路中增加一个气隙槽 ,并且气隙槽的大小能随转速自动调节。利用有限元方法 ,对可变气隙永磁发电机进行了仿真设计计算 ,发电机转速在 1000 8000r/min范围内 ,对输出电压11 / 21 进行了仿真计算 ,并分析气隙对输出电压的影响。通过转速、气隙与输出电压三者之间的关系来研究。 4 Y132S-4 电机： 中心高就都是 132，轴径是 38， 4 极，是，电流是12A，转速是 1440r/min;通过合理划分所设计电机的磁路区域 , 从气隙磁场的角度出发 , 即在已知气隙磁场的条件下 , 根据所选区域磁阻的大小和磁通密度 , 推知总的磁动势大小 ,最后计算出励磁电流的数值。 5 总结： 三相感应电动机以其具有结构简单、成本低、运行维护方便和机械特性能满足大多数机械的要求等特点，在工业控制与各种电气传动系统中有着广泛的应用。所以对其保护和控制的研究很有必要。自三相感应 电动机发明以来，经历了 100 多年的历程。在这漫长的岁月中，它为建立和发展交流传动技术树立了丰碑。随着经济的不断发展，越来越多的感应电动机被投入到电网中，承担着不同的任务，致使三相感应电动机的起动、保护、节能问题一直是被关注的热点。根据统计，三相感应电动机每年的耗电量约为全球总发电量的 50%，在我国电动机的用电量占发电量的 60%-70%而电动机中的 90%是感应电动机，因此对感应电动机拖动的控制、保护及节能研究是达到节约能源、简化控制、优化三相电机12 / 21 自问世以来，就受到普 遍关注与重视，经过二十几年的研究与发展，三相异步起动永磁同步电动机的设计技术逐渐成熟。 参 考 文 献 1 汤蕴璆，罗应立，梁艳萍 .电机学，机械工业出版社， 2016 2 刘沛津，谷立臣，任继红 .旋转电机磁场计算的有限元法研究， XX年 9月安徽大学学报第 32卷第 5 期 3 黄晟，任智杰，黄科元，廖武 . 永磁同步电动机气隙磁密优化方法研究， 4 杨超君， 王晶晶， 顾红伟， 马宏亮， 蒋生发 .鼠笼转子磁力联轴器空载气隙磁场有限元分析 ,顾红伟 马宏亮 ， 蒋生发 , 江苏大学学报 5 艾永乐 , 牛联波 , 艾宝 .梯形波相电流驱动下六相感应电机气隙磁密研究 , 微特电机 2016年第 6期 , 6 金如麟 ,谭茀娃 .永磁同步电动机的应用前景 ,上海交通大学，上海大中型电机， 2001 7 陈世坤 .电机设计，西安交通大学，机械工业出版社， XX 8 Okuyama Toshiaki。 Nagase Hiroshi， Kubota Yuzuru High Performamce AC Motor Speed Control System using GTO Converters Conf Record IPEC Tokyo， 2002：712 731 9 W Schumacher， W Leonhard Tarnsistor Fed AC 13 / 21 Servo Drive with Microprocessor Contr01 Conf Record IPEC Tokyo， 1983： 465 1476 10 王益全，电机测试技术北京：科技出版社，2002,17 145 本 科 生 毕 业 设 计 开题报告 题 目： 汽车车架的有限元结构分析 学生姓名 胡远鹏 学 号 201602120418 专业班级交通 112 学院名称工程学院指导教师 刘达列 2016 年 12 月 18 日 1 选题的依据及意义 车架作为汽车的承载基体，安装着发动机、传动系、转向系、悬架、驾驶室、货厢等有关部件和总成，承受着传递给它的各种力和力矩。车架工作状态比较复杂，无法用简单的数学方法对其进行准确的分析计算，而采用有限元方法可以对车架的 静动态特性进行较为准确的分析，从而使车架设计从经验设计进入到科学设计阶段。汽车工业属于高技术产品，要生产出技术可靠，性能优越的汽车，不应用好的软件进行辅助设计是无法实现的。在汽车结构设计中采用有限元结构强度分析，可以解决以往很多无法解决的问题。 14 / 21 实际工程结构都是复杂的超静定结构，有限元法的基本思想是将一个复杂的结构拆分成“有限”个“单元”，对这些单元分别进行分析，建立其位移内力的关系，将变分原理为工具，将微分方程化为代数方程，再将单元组装成结构，形成整体结构的刚度方程。采用有限元分析方法将一个复 杂的分析过程转变成可以解决的多个步骤，为汽车的发展，提高汽车性能，节约汽车研究成本各方面起到了很大的作用。 对汽车车架结构的分析我将采用 ANSYS软件， ANSYS是全世界范围内最知名，功能最丰富，使用最多的有限元显示求解程序。其在高速碰撞模拟，乘客的安全性分析，零件制造，机械部件的运动分析等方面都有应用领域。 2 国内外研究现状及发展趋势 国内 随着我们经济的高速发展，全球化进程的不断加快，汽车是保证和促进发展的一个重要工具。汽车车架作为重型载货汽车的载 体，支撑这发动机、离合器、变速器、转向器、驾驶室和箱货等所有车架上的重物，并且使用条件恶劣，情况复杂，因此车架需要足够的强度，刚度，可靠性和寿命。 有限元法已成为现代汽车设计的重要工具之一，与传统设计方法相比，它的优势在于提高汽车产品的质量，降低汽车开发和生产制造成本，提高汽车产品在市场上的竞争15 / 21 力。 到了上世纪 80年代初，国际上较大的结构分析通用有限元程序发展到几百种，其中著名的有NASTRAN,ASKA,MARC,GTSTRUD,SAP,ADINA,ANSYS 等。 ANSYS是由美国 ANSYS公 司开发的融结构、热、流体、电磁、声学 于一体的大姓通用有限元分析软件。该软件 90年代开始 在我国的机械制造、 航空航天、汽车交通、铁道、国防军工、土木建筑等领域得到应用，为各 领域中产品设计、科学研究做出了贡献。该分析工具不断吸取世界最先进 的计算方法和计算机技术，引导着世界有限元分析软件的发展。以其先进性、可靠性、开放型等特点，被全球工业界广泛认可。 有限元分析法是根据变分原理求解数学物理问题的数值计算方法，是随着计数机的出现而发展起来的的一种新兴的数值计算方法，是工程方法和数学方法 相结合的产物。我国有限元理论研究始于上世纪 50 年代末，冯康教授创立了一套现代化和系统化求解微分方程的近似方法，其内容实质是国际上的有限元法。但是，我国的有限元法的应用比较晚， 70年代中期才开始应用和推广。目前有限元法在我国应用十分广泛，并且创造出巨大的经济效益。随着计算机技术发展和有限元解法显示出决工程实际问题的巨大能力，许多高等院校、研究机构和软件部门得到各工业部门的大量资助，陆续研制出各种通用的有限元程序，进一步推动了有限16 / 21 元法的理论研究和实际应用。 目前，我国利用有限元法进行汽车分析已经发展 到普遍运用有限元法静强度和有限元法动态响应分析及优化分析阶段。 2002年马迅，盛勇牛以车架的部分结构的截面尺寸为优化变量，采用壳板和梁单元组合建立有限元模型，以车架变形和一阶频率为约束，在弯曲和扭转工况取得了减重 %的效果。 XX年 10月李娜采用壳板单元对机车车顶结构建立有限元模型，应用自己编制的遗传算法程序，对形状，加强筋的布置数量和位置以及界面尺寸进行了优化，减轻重量。 XX年 5月杜海珍对汽车典型结构拓扑优化方法及应用进行了研究，为了解决在删除无效材料时可能出现的应力集中问题，基于围绕结构边界和空洞周围附加人 工材料单元的思想，提出了一种新的基于应力及其灵敏度的优化准则。 XX年4 月吉林大学的余传文采用板壳单元对某重型载货汽车车架结构建立有限元模型，并对车架结构的静动态特性分析进行了研究，在建立简单的车架梁单元优化模型的基础上，以车架重梁截面尺寸为设计变量对车架进行优化分析，从车架体积和最大变形随着迭代过程的变化曲线可以看到车架的自重明显降低 126541。 XX年 6 月北京航空航天大学的张宏伟，张以都等人探讨了基于动力特性灵敏度分析的动力修改技术，建立某农用化车架的参数化有限元模型，并对车架进行灵敏 度分析，在分析结果的指导下，进行了车架的17 / 21 动力修改，取得了良好的效果，为农用车改型设计和推出新产品提供了思路和设计依据 13。 国外 早在 20 世纪 40 年代，由于航空事业的飞速发展，对飞机结构提出了愈来愈高的要求，即重量轻、强度高、刚度好，人们不得不进行精确的设计和计算，正是在这一背景下，逐渐在工程中产生了矩阵力学分析方法。 1941 年 Hrenikoff 使用“框架变形功方法” 求解了一个弹性问题，1943年， Courant 发表了一篇使用三角形区域的多项式函数来求解扭转问题 的论文，这些工作开创了有限元分析的先河。 1956 年波音公司的 Turner， Clough， Martin 和 Topp 在分析飞机结构时系统研究了离散杆、梁、三角形的单元刚度表达式，并求得了平面应力问题的正确解答， 1960 年 Clough 在处理平面弹性问题时，第一次提出并使用“有限元方法”的名称。随后大量的工程师开始使用这一离散方法来处理结构分析、流体问题、热传导等复杂问题。 1967 年 Zienkiewicz 和 Cheung 出版了第一本有关有限元分析的专著 109872。 1970 年以后，有限元方法开始应用于处理非线性和大变形问题， Oden 于 1972 年出版了第一本关于处理非线性连续体的专著 11。 3 论文研究的目的和意义 目的 18 / 21 在汽车业如此发达的现代，人们对汽车质量和品质的追求也越老越高，汽车设计师和汽车制造厂需要不断的额改进自己的创新和技术来跟上人们的追求目标。有限元分析可以很好的为汽车制造商提供很好的技术支持，作为现代汽车设计必不可少的一个分析和实验软件和方法，其为汽车的发展提供了很大的帮助，不论在节省成本和提高实验精确度。我的 目的就是通过有限元分析软件集合自己的想法研究汽车车架的构造，通过研究发现以往设计的不足，通过实验和调查解决这些问题。 ANSYS 作为一款不错的有限元分析软件，我将借助于该软件进行分析和采集数据。更重要的是不止步于目前的研究成果，争取找到创新点。下面列出了目前要达到的目的。 建立车架有限元分析方法的基本步骤，为汽车车架的有限元分析提供依据。 通过有限元分析模型分析汽车车架。 通过有限元模型建立车架受力的动静态模型，得出汽车受力情况。 通过模型得出的结论分析车架构造优 化方案，将成果用于实际汽车制造中。 意义 汽车的发展是国家经济水品的一个体现，在人人追