毕业答辩-基于有限单元法的苎麻茎秆力学性能分析.ppt

学生姓名指导老师学号院系机电工程学院,基于有限单元法的苎麻茎秆力学性能分析,苎麻茎秆生物结构图,介绍内容,研究目的研究内容研究的方法结果的分析,研究目的,以弹性力学、接触力学、有限单元法为基础，建立相应的力学模型；在有限元软件下模拟了不同方向不同载荷下茎秆的变化，得出其变化规律和方式。根据所得的图形分析，分析苎麻茎秆分离的最佳方式，推动苎麻机和剥麻机的开发设计。实现有限元分析，建立其模型可以代替实物实验，并可反向推导出相关的工程常数，进一步建立更为合理的力学模型。,主要研究内容,根据已测得的苎麻茎杆的平均尺寸和材料参数建立合适的力学模型。在Comsol软件下设置不同的边界条件：在径向、切向、轴向上分别施加60N至500N等均部载荷。得出了不同的应力应变图和接触压力，找出它在不同边界条件下分离的方式。对不同载荷下的应力应变图进行比较分析，得出了相应的变化规律。,研究方法,建立力学模型选取材料参数利用Comsol软件进行仿真分析不同载荷下的结果比较得出相关的结论,有限元分析,有限元法的基本思想是将问题的求解域划分为一系列单元，单元之间仅靠节点连接。单元内部点的待求量可由单元节点量通过选定的函数关系插值求得。有限元的三个基本要素：节点、单元、自由度。接触问题：处理弹性接触问题最根本的方法是罚函数法和拉格朗日乘子法。非穿透性问题和正应力问题距离函数gN0，压应力pN0,只有接触的区域，即gN0，才能传递作用力。,苎麻茎杆的结构介绍,苎麻茎秆主要由韧皮纤维、木质部等组成的。假定苎麻茎秆是由韧皮纤维、木质部两种异质材料复合而成的复合材料，不考虑它们的性能差别。其表现性能是均质、线弹性，具有横观各向同性的本构关系。,苎麻茎杆的力学模型,由于其受载和约束是对称的，取其四分之一为分析对象，减少计算量.,苎麻茎杆的弹性参数,由复合材料理论可知，正交各向异性材料的弹性模量与泊松比之间并不是相互独立的，需要满足下式,这三个关系称为马克斯韦尔定理。,设置求解域-材料的属性,有限元分析中材料类型繁多，特点各不相同。按照苎麻茎秆的本构关系，这里选用结构力学模块的正交，它是一种正交各向异性的线弹性材料类型。输入弹性模量、泊松比、剪切模量等参数。,设置边界条件,在边界设置上加约束和载荷，在底面上加固定约束，在截面上加对称约束；在外表面上加上径向力或其他载荷。,分析结果1：vonmises应力图,60N径向力Mises应力图,径向力为60NMises应力图Fmax=390Pa,Fmin=32Pa,120N径向力,径向力为120NMises应力图Fmax=560Pa,Fmin=84.8Pa,240N径向力,径向力为240NMises应力图Fmax=896.3Pa,Fmin=187.8Pa,500N,径向力为5000NMises应力图Fmax=1832Pa,Fmin=418.4Pa,剖面线应力曲线图60N,A（0，0,0）B（0，7e-3,0）直线剖面应力图,中间层剖面图60N,120N,240N,分析结果2：应变图,60N径向力位移图,径向力为60N位移图Smax=1.635e-4mm,Smin=5.902e-5mm,120N径向力位移图,径向力为120N位移图Smax=3.261e-4mm,Smin=1.763e-4mm,240N径向力位移图,径向力为240N位移图Smax=6.505e-4mm,Smin=4.035e-4mm,500N,径向力为5000N位移图Smax=13.32e-4mm,Smin=8.751e-4mm,变化影像,分析结果3：接触压力,接触面压力60N,径向力为60N接触力Fmax=987.3Pa,Fmin=-154.3Pa,120N,径向力为120N接触力Fmax=1316.5Pa,Fmin=-238.2Pa,240N,径向力为240N接触力Fmax=1741Pa,Fmin=-466.6Pa,500N,径向力为500N接触力Fmax=2522Pa,Fmin=-893.4Pa,其他方向载荷应力、应变图,60N切向力应变图Smax=2.117e-3mm;Smin=1.555e-4mm,60N切向力下应力图Pmax=730Pa;Pmin=2.532Pa,60N外层轴向力作用下应变图Smax=1.979e-4mm;Smin=4.761e-7mm,60N外层轴向力作用下应力图Pmax=94.174Pa;Pmin=0,结论,在不同载荷下的变化图进行比较分析，得出了相应的变化规律：,1.当径向载荷加载在外层材料时，外层首先被逐步挤压变形，由于内层刚度比外层大，所以外层变形大，内层变形小。,2.由于内层变形小，导致外层不能继续向内层方向变形，所以导致外层材料向上变形。,3.由于两种材料性质的不同导致接触面上产生出现非线性问题，此非线性问题属于几何非线性，从而导致接触部分出现点接触，某些部位出现较大的接触压力或被拉伸。,4.由于内层被挤压程度较大，所以内层所受应力大于外层。,由上可知，但苎麻茎秆受到径向分布载荷时，材料逐步被压缩，但载荷足够大时，断裂首先从内层开始，逐步向外延伸直至完全断裂，且压缩过程中两层材料会在轴向上发生相对滑移，导致两种材料的分离。,本课题也就是为了找出分离的最佳方式，因此在分析阶段要不断调整载荷的大小，得出苎麻