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塑料 飞机 机身 底部 应力 分析 模具设计

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附件3： 蚌埠学院毕业设计（论文）任务书 机械与电子工程系2014届机械设计制造及其自动化班学生姓名臧俊博学 号51001013033课题名称中文：塑料飞机机身底部静强度分析及模具设计英文：Static strength analysis and mold design of the body bottom in a plastic aircraft 一、毕业设计（论文）的主要内容与要求（任务及背景、着重培养的能力、成果形式）任务及背景:塑料件占产品设计中的很大比例。对塑料件同样要满足强度要求。本题为对一机身底部塑料件进行有限元强度分析及模具设计，培养学生运用CAD/CAE的能力。着重培养的能力:应用有限元理论进行塑料件的强度计算，应用模具设计方法进行塑料件的模具设计。 成果形式:设计说明书，应力应变云图，模具图。二、设计（论文）需要的工作条件完成该课题必须应具备的基本条件：1、 掌握模具设计，有限元法等相关知识。2、 运用相关软件。3、 论文形式是设计说明书，应力应变云图，模具图。1 设计软件和电脑三、应收集的资料及主要参考文献应收集与“塑料件，静强度分析，模具设计”有关的资料和主要参考文献。四、进度计划及指导安排第一阶段14.01.22-14.02.25.：按设计任务书准备相关材料（参考书和设计参数），写开题报告、文献综述（3000字），计划进程表。查询英语文献，并将相关英语文献翻译成中文，要求3000字。将开题报告、文献综述、计划进程表、英语文献及翻译电子稿提交给指导教师。第二阶段14.02.25-04.12：完成初稿02.25-03.01 完成设计方案03.01-03.14 进行关键部分的设计计算03.14-04.04 整理设计计算数据，编写设计计算文档，完成初稿，将初稿提交给指导教师修改。第三阶段04.12-05.30：论文定稿完成。将终稿提交给指导教师。第四阶段05.30-06.10：准备答辩资料，幻灯片，答辩结束。第五阶段06.17-06.28：根据答辩要求修改论文并提供相应的文件。指导教师联系方式：电话13955223329，邮箱：59699133 QQ群：228251302 任务书审定日期： 年 月 日 指导教师（签字） 任务书批准日期： 年 月 日 教研室主任（签字） 任务书下达日期： 年 月 日 学 生 （签字） 注： 本表在所报课题审查批准后由指导教师填写（A4纸双面打印一式三份），一份下达给学生（装订在毕业设计说明书或毕业论文的封面之后），一份本人留底，一份交系里以备教学检查参照。 纸张不够可另附页。设计要求请一定仔细填写以下资料并提供设计要求文件，感谢您的配合1.具体要求：比如开题报告完成时间、设计完成时间等等。5月20号之前设计完成2.题目 Title ：塑料飞机机身底部的静应力分析及模具设计 3.设计所属专业和方向4. 您想拿到论文的时间 5月20号之前5.学校要求上交的日期 5月20号第一次查重特别提示:请务必一次性说明清楚全部设计任务,后期新增或更改任务会视情况收取费用 (请将约稿单,相关任务资料放在同一个文件夹打包发给我们,文件夹名改称你的课题名,发送至QQ)一、有限元介绍1二、飞机模型有限元分析步骤22.1模型前处理22.2导入有限元软件32.3模型后处理42.4结果评估8三、模具设计113.1模具相关介绍113.2对模型进行拔模分析123.3设置产品收缩率133.4确定分型线133.5最终完成模型133.6浇口设计143.7模具定位件16四、总结16五、参考文献17一、有限元介绍有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。有限元的概念早在几个世纪前就已产生并得到了应用，例如用多边形（有限个直线单元）逼近圆来求得圆的周长，但作为一种方法而被提出，则是最近的事。有限元法最初被称为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。在解偏微分方程的过程中, 主要的难点是如何构造一个方程来逼近原本研究的方程, 并且该过程还需要保持数值稳定性。目前有许多处理的方法，他们各有利弊。当区域改变时(就像一个边界可变的固体), 当需要的精确度在整个区域上变化, 或者当解缺少光滑性时, 有限元方法是在复杂区域(像汽车和输油管道)上解偏微分方程的一个很好的选择。例如, 在正面碰撞仿真时, 有可能在重要区域(例如汽车的前部)增加预先设定的精确度并在车辆的末尾减少精度(如此可以减少仿真所需消耗); 另一个例子是模拟地球的气候模式, 预先设定陆地部分的精确度高于广阔海洋部分的精确度是非常重要的有限元方法与其他求解边值问题近似方法的根本区别在于它的近似性仅限于相对小的子域中。20世纪60年代初首次提出结构力学计算有限元概念的克拉夫（Clough）教授形象地将其描绘为：“有限元法=Rayleigh Ritz法+分片函数”，即有限元法是Rayleigh Ritz法的一种局部化情况。不同于求解（往往是困难的）满足整个定义域边界条件的允许函数的Rayleigh Ritz法，有限元法将函数定义在简单几何形状（如二维问题中的三角形或任意四边形）的单元域上（分片函数），且不考虑整个定义域的复杂边界条件，这是有限元法优于其他近似方法的原因之一。对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元求解法的基本步骤是相同的，只是具体公式推导和运算求解不同。有限元求解问题的基本步骤通常为：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（网格越细）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。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（结构力学中称刚度阵或柔度阵）。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（联合方程组），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（可能的话）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。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。二、飞机模型有限元分析步骤2.1模型前处理所谓模型前处理就是在导入到有限元软件之前对模型进行处理的过程.包括模型的简化,修正等,以便于在有限元软件中进行后续处理本模型中涉及到的前处理有去倒角,去尖锐边角,去掉不影响分析结果的部分,最大限度的简化模型,有助于有限元处理的顺利进行.2.2导入有限元软件本次有限元模拟采用ansys软件, ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Creo, NASTRAN, Alogor, IDEAS, AutoCAD等， 是现代产品设计中高级CAE工具之一。将模型导入ansysworkbench后如下图,该界面可以同时导入多种模型,相比ansys经典版本更亲近用户.如下图所示ansys经典jiemian 2.3模型后处理设置模型材料参数如下图,双击engineeringdate进入材料编辑界面材料编辑界面添加新材料,命名为SL,即塑料,设置材料参数,需要设定塑料的弹性摸了和泊松比两个参数,如下图所示设置完毕返回workbench界面,双击modal进入边界约束界面如下图此时能看到前处理里完毕的模型,和ansysworkbench设置界面首先需要给模型定义材料属性,如下图所示给模型定义材料属性以后,模型将拥有该材料的一些属性,在后续的分析中可以展现材料的特性.4划分网格网格式有限元处理的一个重要的步骤划分网格是建立有限元模型的一个重要环节，它要求考虑的问题较多，需要的工作量较大，所划分的网格形式对计算精度和计算规模将产生直接影响。为建立正确、合理的有限元模型，这里介绍划分网格时应考虑的一些基本原则。网格数量的多少将影响计算结果的精度和计算规模的大小。一般来讲，网格数量增加，计算精度会有所提高，但同时计算规模也会增加，所以在确定网格数量时应权衡两个因数综合考虑。网格较少时增加网格数量可以使计算精度明显提高，而计算时间不会有大的增加。当网格数量增加到一定程度后，再继续增加网格时精度提高甚微，而计算时间却有大幅度增加。所以应注意增加网格的经济性。实际应用时可以比较两种网格划分的计算结果，如果两次计算结果相差较大，可以继续增加网格，相反则停止计算。在决定网格数量时应考虑分析数据的类型。在静力分析时，如果仅仅是计算结构的变形，网格数量可以少一些。如果需要计算应力，则在精度要求相同的情况下应取相对较多的网格。同样在响应计算中，计算应力响应所取的网格数应比计算位移响应多。在计算结构固有动力特性时，若仅仅是计算少数低阶模态，可以选择较少的网格，如果计算的模态阶次较高，则应选择较多的网格。在热分析中，结构内部的温度梯度不大，不需要大量的内部单元，这时可划分较少的网格。网格疏密是指在结构不同部位采用大小不同的网格，这是为了适应计算数据的分布特点。在计算数据变化梯度较大的部位(如应力集中处)，为了较好地反映数据变化规律，需要采用比较密集的网格。而在计算数据变化梯度较小的部位，为减小模型规模，则应划分相对稀疏的网格。这样，整个结构便表现出疏密不同的网格划分形式。划分操作如下图点击mesh以后可以设置网格参数,包括网格大小,网格类型,网格精度等,根据不同的要求设置不同的网格类型.网格精度越高将会得到越准确的分析结果,但是这将耗费大量的计算机资源,所以需要权衡以后再进行.网格划分后可以看到网格数和节点数,如下图边界条件设置边界条件指在运动边界上方程组的解应该满足的条件。有限元计算，无论是ansys，abaqus，msc还是comsol等，归结为一句话就是解微分方程。而解微分方程要有定解，就一定要引入条件， 这些附加条件称为定解条件。定解条件的形式很多，最常见的有两种初始条件和边界条件。如果方程要求未知量y(x)及其导数y(x)在自变量的同一点x=x0取给定的值，即y(x0 )=y0，y(x0)= y0，则这种条件就称为初始条件，由方程和初始条件构成的问题就称为初值问题；而在许多实际问题中，往往要求微分方程的解在在某个给定区间a x b的端点满足一定的条件，如y(a) = A , y(b) = B，则给出的在端点(边界点)的值的条件，称为边界条件，微分方程和边界条件构成数学模型就称为边值问题。边值问题中的边界条件的形式多种多样，在端点处大体上可以写成这样的形式，Ay+By=C，若B=0，A0,则称为第一类边界条件或狄里克莱(Dirichlet)条件；B0,A=0，称为第二类边界条件或诺依曼(Neumann)条件；A0,B0，则称为第三类边界条件或洛平(Robin)条件。总体来说，第一类边界条件：给出未知函数在边界上的数值；第二类边界条件：给出未知函数在边界外法线的方向导数；第三类边界条件：给出未知函数在边界上的函数值和外法向导数的线性组合。对应于comsol，只有两种边界条件：Dirichlet boundary（第一类边界条件）在端点，待求变量的值被指定。Neumann boundary（第二类边界条件）待求变量边界外法线的方向导数被指定。再补充点初始条件：初始条件，是指过程发生的初始状态，也就是未知函数及其对时间的各阶偏导数在初始时刻t=0的值在有限元中，好多初始条件要预先给定的。不同的场方程对应不同的初始条件。总之，为了确定泛定方程的解，就必须提供足够的初始条件和边界条件！设置内容如下图2.4结果评估分析技术以后可以得到位移,应力,应变等参数,这些参数有助于我们对模型的结构,力学性能等加以了解,在结构设计上也有指引作用,所以有限元分析意义比较重大.下图是deformation参数模型受力以后变形的情况,模型deformation局部展示当材料在外力作用下不能产生位移时，它的几何形状和尺寸将发生变化，这种形变就称为应变（Strain）。材料发生形变时其内部产生了大小相等但方向相反的反作用力抵抗外力，把分布内力在一点的集度称为应力（Stress），应力与微面积的乘积即为内力，或物体由于外因（受力、温度变化等）而变形时，在物体内各部分之间产生相互作用的内力，以抵抗这种外因的作用，并力图使物体从变形后的位置回复到变形前的位置。应力定义为“单位面积上所承受的附加内力”。公式记为=Fj/Ai其中，表示应力；Fj 表示在j 方向的施力；Ai 表示在i 方向的受力面积。因为力是矢量，如果受力面积与施力方向相互正交则称正应力，如图1所示的x 与y；如果受力面积与施力方向平行则称剪应力(shear stress)，如图1所示的xy 与yx。“内应力”指组成单一构造的不同材质之间，因材质差异而导致变形方式的不同，继而产生的各种应力。当材料在外力作用下而又不产生惯性移动时，它的几何形状和尺寸将发生变化，这种形变就称为应变（Strain）。材料发生形变时内部产生了大小相等但方向相反的反作用力抵抗外力把分布内力在一点的集度称为应力（Stress），应力与微面积的乘积即微 正向应力与剪应力上图显示了模型在受力以后的应力图,该应力给设计提高较大的参考价值.可以知道模型能够承受多大的压力,能不能承受工作环境.三、模具设计3.1模具相关介绍模具，是以特定的结构形式通过一定方式使材料成型的一种工业产品，同时也是能成批生产出具有一定形状和尺寸要求的工业产品零部件的一种生产工具。大到飞机、汽车，小到茶杯、钉子，几乎所有的工业产品都必须依靠模具成型。用模具生产制件所具备的高精度、高一致性、高生产率是任何其它加工方法所不能比拟的。模具在很大程度上决定着产品的质量、效益和新产品开发能力。所以模具又有“工业之母”的荣誉称号。1对所设计模具之产品进行可行性分析，以电脑机箱为例，首先将各组件产品图纸利用设计软件进行组立分析，即我们工作中所说的套图，确保在模具设计之前各产品图纸的正确性，另一方面可以熟悉各组件在整个机箱中的重要性，以确定重点尺寸，这样在模具设计中很有好处的，具体的套图方法这里就不做详细的介绍了。2在产品分析之后所要进行的工作，对产品进行分析采用什么样的模具结构，并对产品进行排工序，确定各工序冲工内容，并利用设计软件进行产品展开，在产品展开时一般从后续工程向前展开，例如一产品需要量五个工序，冲压完成则在产品展开时从产品图纸开始到四工程、三工程、二工程、一工程，并展开一个图形后复制一份再进行前一工程的展开工作，即完成了五工程的产品展开工作，然后进行细致的工作，注意，这一步很重要，同时需特别细心，这一步完成的好的话，在绘制模具图中将节省很多时间，对每一工程所冲压的内容确定好后，包括在成型模中，产品材料厚度的内外线保留，以确定凸凹模尺寸时使用，对于产品展开的方法在这里不再说明，将在产品展开方法中具体介绍。3备料，依产品展开图进行备料，在图纸中确定模板尺寸，包括各固定板、卸料板、凸凹模、镶件等，注意直接在产品展开图中进行备料，这样对画模具图是有很大好处的，我所见到有很多模具设计人员直接对产品展开图进行手工计算来备料，这种方法效率太低，直接在图纸上画出模板规格尺寸，以组立图的形式表述，一方面可以完成备料，另一方面在模具各配件的工作中省去很多工作，因为在绘制各组件的工作中只需在备料图纸中加入定位、销钉、导柱、螺丝孔即可。4在备料完成后即可全面进入模具图的绘制，在备料图纸中再制一份出来，进行各组件的绘制，如加入螺丝孔，导柱孔，定位孔等孔位，并且在冲孔模中各种孔需线切割的穿丝孔，在成型模中，上下模的成型间隙，一定不能忘记，所以这些工作完成后一个产品的模具图差不多已完成了80%，另外在绘制模具图的过程中需注意：各工序，指制作，如钳工划线，线切割等到不同的加工工序都有完整制作好图层，这样对线切割及图纸管理有很大的好处，如颜色的区分等，尺寸的标注也是一个非常重要的工作，同时也是一件最麻烦的工作，因为太浪费时间了。5在以上图纸完成之后，其实还不能发行图纸，还需对模具图纸进行校对，将所有配件组立，对每一块不同的模具板制作不同的图层，并以同一基准如导柱孔等到进行模具组立分析，并将各工序产品展开图套入组立图中，确保各模板孔位一致以及折弯位置的上下模间隙配合是否正确。本模型采用solidworks进行分模3.2对模型进行拔模分析选取拔模方向以后,solidworks软件自动分析需要拔模的面,分析结果包括正拔模面,需要拔模面,和负拔模面,黄色代表需要拔模的面.这些面需要进行拔模处理.3.3设置产品收缩率由于住宿以后模型会热胀冷缩,所以在软件中处理的时候需要将这个因素考虑进去,以保证模型做出来在经过热胀冷缩以后还能保证需要的尺寸,3.4确定分型线分型线是注塑类产品中,型腔与型芯曲面中相互接触的边界,分型线是那些用来分割型芯和型腔曲面的边界,他们构成了分型面的内部边界型腔面试绿色的,型芯面试红色的,任何一条被红色和绿色面公用的边都是分型边界当拔模分析完成后,所有被绿色和红色边公用的边,被自动选中并被添加到分型线列表中,电机确定.分型面分型面呈条带状,风格的曲面实体通常事沿着垂直于拔模的方向并且远离塑料件上分型线的方向进行拉伸创建的,喂鱼塑料件周边的型腔型芯面接触的分型面,用于分割模具快,使分型面命令去创建分割模具快的风格曲面几个题,在创建模具时,要居住模具的加工时以设计为基础的,就要用分型面命令中的平滑选项来修正风分型线的集合体3.5最终完成模型最终完成模型如下在成功将模型分成上下模以后，需要进行定位孔浇口等的设计3.6浇口设计塑料模具的浇口是指连接分流道和性强之间的一段细短流道，是树脂注入型腔的入口。在模具中浇口的形状、数量和尺寸和位置等会对塑料件的质量产生很大影响。所以浇口的选择是塑料模具设计的关键点之一，下面通过几个方面对于浇口进行介绍。浇口的主要作用有： 1、型腔充满后，熔体在浇口处首先凝结，防止其倒流。 2、易于切除浇口尾料。 3、对于多腔模具，用以控制熔接痕的位置。 浇口的型式 浇口一般分为非限制性浇口和限制性浇口两种型式。限制性浇口又分为侧浇口、点浇口和盘环形浇口等3个系列。 3.7模具定位件四、总结经过了两个多月的学习和工作，我终于完成了注塑飞机机身底部静力分析及模具设计的论文。从开始接到论文题目到系统的实现，再到论文文章的完成，每走一步对我来说都是新的尝试与挑战，这也是我在大学期间独立完成的最大的项目。在这段时间里，我学到了很多知识也有很多感受，从对课题一无所知，对行业技术很不了解的状态，我开始了独立的学习和试验，查看相关的资料和书籍，让自己头脑中模糊的概念逐渐清晰，使自己非常稚嫩作品一步步完善起来，每一次改进都是我学习的收获，每一次试验的成功都会让我兴奋好一段时间。从中我也充分认识到了博客这一新兴的出版方式给我们生活带来的乐趣，在属于自己的网络空间上，尽情宣泄自己的情感，表达自己的感受，并且把自己的想法与他人分享，我也有了一个属于自己的博客空间。然我的论文作品不是很成熟，还有很多不足之处，但我可以自豪的说，这里面的每一个文字，都有我的劳动。当看着自己的作品，自己成天相伴的系统能够健康的运行，真是莫大的幸福和欣慰。我相信其中的酸甜苦辣最终都会化为甜美的甘泉。这次做论文的经历也会使我终身受益，我感受到做论文是要真真正正用