（机械设计及理论专业论文）基于ansys的agv关键部件力学性能分析与优化设计研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得沈阳农业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一问工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 躲煮钦 时间：们夕每6 其 饵 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。同意沈阳农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的内容。 。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 一躲袭辗 研究生签名：谚少静妊 新签名贰昼 守巳一 时间：矽7 年多月7 垆 帆1 m 归 沈阳农业大学硕士学位论文 摘要 a g v 集声、光、电、计算机为一体，综合了当今科技领域先进的理论和应用技术， 属于移动机器人的一个分支。由于它具有机能集中、地上系统简单、施工和系统构成 容易等优点，因此，广泛地应用在机械加工、汽车制造、港口货运、电子产品装配、 造纸、发电厂、电子行业的超静车间等诸多行业。 本文以a g v 系统作为研究对象，把数值计算的方法应用于自动导航试验车样机的 各关键部件，主要利用有限元软件a n s y s i o 0 对a g v 系统的转向支撑架进行静力学校 核，并在c o s m o s w o r k s 中对零件施加相同的约束及载荷，进行静力学分析，比较两种环 境下得到的等效应力最大值和变形量最大值，以及它们的出现位置，研究两次分析结 果出现差异的原因，找到一种较为合理的分析计算方法。针对转向支撑架结构上存在 的问题，在保证转向梯形结构合理的前提下，提出了改进方案，并对改进后的结构进行 了有限元分析，比较分析结果，确定了一种受力比较合理的支架结构，并对该结构进行 模态分析，得出转向支撑架的低阶自振频率以及前5 阶的振型。 另外，在有限元分析软件中模拟导航车的主轴以及转向悬挂架真实的载荷情况， 对其进行较为精确的分析和计算，得到零件的应力分布情况，为自动导航车的进一步 优化奠定了一定的基础。 关键词：有限元分析州s y s自动导航车优化设计 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ea g vc o l l e c t i o ns o u n d ，t h el i g h t , t h ee l e c t r i c i t y , t h ec o m p u t e ra r eab o d y , s y n t h e s i z e d n o wt h et e c h n i c a ld o m a i na d v a n c e dt h e o r ya n dt h ea p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y , b e l o n g sm o v e st h e r o b o tab r a n c h b e c a u s eo fi t sc e n t r a l i z e df u n c t i o n s t h eg r o u n ds y s t e m ss i m p l e ，c o n s t r u c t i o n a n d s y s t e m s c o n s t i t u t e st h e a d v a n t s g e s o f e a s y , i tw i d e l y u s e di n m a c l l i n e * r y p r o c e s s i n g ，a u t o m o b i l em a n u f a c t u r i n g , t h ep o r t , e l e c t r o n i ca s s e m b l yp r o d u c t s ，a n dp a p e r , p o w e r g e n e r a t i o n , t h ee l e c t r o n i c si n d u s t r ys t a t i c a l l yw o r k s h o p sa n dm a n yo t h e ri n d u s t r i e s b a s e da g vs y s t e ma sar e s e a r c ho b j e c t , t h en u m e r i c a lm e t h o do fc a l c u l a t i o nu s e di n a u t o m a t i ct e s te a rn a v i g a t i o np r o t o t y p eo ft h ek e yc o m p o n e n t s ，m a i n l yc h a n g e st h ec a r r i a g e u s i n gf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea n s y s l 0 0t o t h ea g vs y s t e mt oc a r r yo nt h es t a t i c s e x a m i n a t i o n , a n de x e r t st h es a n l er e s t r a i n ta n dt h el o a di nc o s m o s w o r k st ot h e c o m p o n e n t s ， c a r r i e so nt h es t a t i c sa n a l y s i s ，e q u i v a l e n ts t r e s sm a x i m u mv a l u ea n dd i s t o r t i o nq u a n t i t y m a x i m u mv a l u e o b t a i n sw h i c hc o m p a r e dw i t ht w ok i n d o fe n v i r o n m e n tu n d e r , w i t h t h e i r s a p p e a r a n c ep o s i t i o n , a n a l y z e st h er e s u l tw h i c ht w ot i m ea n a l y z e st o h a v et h ed i f f e r e n c e t h er e a s o n , f o u n do n em o r er e a s o n a b l ea n a l y s i s e n m p u t a t i o n a lm e t h o d i nv i e wo f c h a n g e st h e q u e s t i o nw h i c hi n t h ec a r r i a g es t m c t u r e e x i s t s ，u n d e rt h eg u a r a n t e es t e e r i n gt r a p e z i u m s t r u c t u r er e a s o n a b l a p r e m i s e ，p r o p o s e dt h ei m p r o v e m e n tp r o g r a m , a n dt oi m p r o v e da f t e r t h e s t m c t u r et oc a r r yo nt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s , t h ee o m p a r a t i v e a n a l y s i sr e s u l t , h a d d e t e r m i n e do u ek i n do fs t r e s sq u i t er e a s o n a b l e s u p p o r ts t r u c t u r e a n dc a r r i e do nm o d e l a n a l y s i st ot h i s s t r u c t u r e ，o b t a i n e dc h a n g e st h ec a r r i a g et h el o ws t e pb a s ef r e q u e n e y a sw e l lf i t s f i r s t5s t e p si n s p i r i n g m o r e o v e r , s i m u l a t e st h en a v i g a t i o nv e h i c l ei nf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s s o r w a r et h em a i n s h a f ta sw e l la sc h a n g e sh a n g st h e g a l l o w sr e a ll o a d i n gc o n d i t i o n , c a r r i e so nam o r ep r e c i s e a n a l y s i sa n d t h ec o m p u t a t i o nt oi t ，o b t a i n st h ec o m p o n e n t st h es t r e s sd i s t r i b u t i o n s i t u a t i o n , h a s l a i dt h ec e r t a i nf o u n d a t i o nf o rt h ea u t o m a t i e n a v i g a t i o nv e h i c l ef n r t h e ro p t i m i z a t i o n k e y w o r d s ：f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n s y sa g v d e s i g no p t i m i z a t i o n 2 沈阳农业大学硕士学位论文 1 1 概述 第一章绪论 利用现代技术对传统机械系统进行改造，设计开发出新型机械系统，是摆在工程 技术人员面前的重要课题。现代机械系统除要求性能稳定、工作可靠、操纵便利、机 动灵活等基本特点外，还应使作业过程达到自动化、半自动化，并具有运行状态监测、 故障自诊及自动报警等功能，减少停机维修时间，提高作业效率。因此，机械系统设 计的创新若仅仅依靠机械和液压技术的进步或挖潜，已显得力不从心。近年来，飞速 发展的电子控制、微机处理技术( 即机电一体化技术) 的崛起，无疑为传统机械的 发展注入了新鲜血液，也为机械系统带来了新的技术交革，使其各种性能有了质的飞 跃。特别是随着计算机技术、微处理技术、传感与检测技术、信息处理技术的发展， 及其在机械系统上的成功应用，已经从根本上改变了传统机械的面貌，极大地促进了 产品性能的提高，并因此而进入一个全新的发展阶段。自走车辆、自动引导车等引起 国内外的广泛关注，这个领域的研究方兴未艾，其中主要的技术思想就是自动导航的 实现。自动导航技术的发展为移动机械走向自动化、智能化提供了有力的保障。 a g v 系统即a u t o m a t i cg u i d e dv e h i c l e 的缩写，它是一种以电池为动力，装有非 接触导向装置的无人驾驶自动化搬运车辆。它的主要特征表现为具有小车编程及系统 控制管理功能，能在计算机的监控下，按指令自主驾驶。自动沿着规定的路径行驶， 到达指定地点，完成一系列作业任务。它除了在柔性制造系统和自动化工厂中用来组 成高效、快捷的物流系统外，a g v 还广泛用于普通工厂进行货物运转，尤其适用于人 员不宜进入的工作场所。在农业机械化生产中，由于农业机械作业的空间范围相对固 定，作业的田问内障碍物比较简单，很适合于利用g p s 、计算机视觉技术进行空间定 位，实现机械运行的自动导航因此面向农业机械，选择此课题进行研究，具有一定 的先进性和实际意义。 数值计算方法其适用范围广泛，能够灵活地处理和求解各种复杂问题。本文将数 值计算的方法应用于自动导航试验车样机的各关键部件，利用有限元软件a n s y s i o 0 模拟转向支撑架、驱动主轴以及转向悬挂架真实的载荷情况，对不同形式的转向轮支 撑架模拟计算并进行应力分析讨论，进而改进它们的结构，改善a g v 系统的运动平稳 性、转向特性，使整机的构造更趋合理化，为真正实现自动导航打下基础。 ， 第一章绪论 1 2 国内外a g v 系统的历史及发展现状 1 2 1 国外发展现状 世界上第一台a g v 是美国b a s r r e t t 电子公司于2 0 世纪5 0 年代开发成功的，它是 一种牵引式小车系统。小车跟随一条钢丝索引导的路径行驶，并具有一个以真空管为 基础的控制器。到了6 0 年代和7 0 年代初，除了b a s r r e t t 公司外，w e b b 和c l a r k 公 司在a g v 市场也占有相当的份额。在这个时期，欧洲的主要制造厂家有 s c h i n d l e r d i g i t r o n 、w a g n e r 、h j c 、 c s 、b t 、c f c 、f a t a 、s a x b y 、d e n f o r d 和b l e c h e r t 等。7 0 年代中，欧洲约装备5 2 0 个a g v 系统，共有4 8 0 0 台小车，1 9 8 5 年发展到一万 台左右，为美、欧、日之首。其应用领域分布为：汽车工业( 5 7 ) ，柔性制造系统f s ( 8 ) 和柔性装配系统f a s ( 3 5 ) 。欧洲的a g v 技术于8 0 年代初通过在美国的欧洲公司以许 可证与合资经营的方式转移到美国。芝加哥的k e e b l e r 分发中心从欧洲引进直接由计 算机控制的a g v s ，1 9 8 1 年j o h n 公司将a g v 连接到a s r s 以提供在制造过程中物料自 动输送和跟踪。1 9 8 4 年，通用汽车公司便成为a g v 的最大客户，1 9 8 6 年已达1 4 0 7 台 ( 包括牵引式小车、叉式小车、和单元装载小车) ，1 9 8 7 年又新增加1 6 6 2 台美国各 公司在欧洲技术基础上将a g v 发展到更为先进的水平。他们采用更先进的计算机控制 系统( 可联网f m s 或c i m s ) ，运输量更大，移载时间更短，具有在线充电功能，以 便2 4 小时运行，小车控制器可靠性更高。此时，美国的a g v 生产厂家从2 3 家( 1 9 8 3 年) 骤增至7 4 家( 1 9 8 5 年) 。1 9 6 4 年日本开始引进a g v ，当时a g v 是如同牵引机那样的 机车，在机车的前端，有一根如同长三个角的白色弯杆，弯杆上有手动操作杆。将杆 一倒向前方，作业人员就能像牛那样，牵引着a g v 向前行走。日本的第一家a g v 工厂 于1 9 6 6 年由一家运输设备供应厂与美国的w e b b 公司合资开设。到1 9 8 8 年，日本的 a g v 制造厂已达2 0 多家，如大福公司、f a n u c 公司、m u r a t a ( 村田) 公司等。到1 9 8 6 年，日本安装了2 3 1 2 个a g v s ，拥有5 0 3 2 台a g v 。时至今日，a g v 技术日趋成熟，生 产a g v 的公司也越来越多了。一 目前，国外采用了先进的计算机技术、导航技术、控制算法、传感器技术的a g v 研究正如火如荼。如：d l b o l e y 等研制的自动导航车利用车载摄像机和较少的传感 器通过识别路标进行导航，比直接采用卡尔滤波器获得了更好的实时性；a o h y a 等利 用车载c c d 和超声波传感器研究了基于视觉导航系统的避碰问题；e f e r m u t l e r 等研 4 沈阳农业大学硕士学位论文 究表明，利用车载摄像机将t l 动引导车的三维运动描述和实物的形态描述用于解决自 动引导车的导航问题具有较高的可靠性；p i c o r k e r 等对由车载摄像机构成的自动引 导车视觉闭环系统的研究表明，这种控制方法对提高路径跟踪精度有较好效果。 s u k h a nl e e 和g e o r g ek e r d a r s 等人用神经网络进行全局避碰路径规划；美国 m i d d l e b u r y 大学的a m yj b r i g g s 和d a n i e ls c h a r s t e i n 等人用自相似路标对自动 引导车导航；加拿大b r i t i s hc o l u m b i a 大学的p s a e e d i 、p l a w r e n c e 和d l o w e 设 计出一种基于视觉传感器的路径跟踪方法，此方法可以在自然环境中进行三维目标跟 踪；韩国a j o u 大学的k y u nj u n g 等人在t u r e n n o u t 和y o s h i n d b u 等人提出的几种依 墙算法基础上，设计出一种能有效选择行驶方向的依墙算法( w a l l - - f o l l o w i n g ) ；韩 国p o s t e c h 大学s u n g o nl e e 提出一种适用于轿车模型的自动引导车( c a r - - l i k er o b o t ) 停靠方法；法国p o i t i e r s 大学的g a b r i e lr a m i r e z 和s a i dz e g h l o u l 设计车适用于 不完全约束自动引导车在障碍环境中的路径规划与控制方法；新加坡南洋工业大学的 b i no i n 等人提出一种轿车模型自动引导车跟踪路径的产生方法；日本t s u k u b a 大学 的t e r u k oy a t a 、a k i h i s ao h y a 和s h i n i 提出用全方位声纳与全方位的视觉信息融合 进行环境识别的方法；加拿大的s t e r g i o si r o u m e l i o t i s l t a n d 和g e o r g ea b e k e y 提出用分散式卡尔曼滤波器自动引导车进行集成定位；德国j r e u t e r 、t u - b e r l i n 等 人提出的用p d a b 法让自动引导车定位；德国b r a u n s c h w e i g 工业大学的a n d r e a ss i m o n 和j a nc b e c k e r 设计了一种车辆导航系统2 5 ，此系统包括路径运动规划和传感器的 信息融合等此外，最新出现的网络自动引导车可以对其进行遥控操作。在车上装有 多种传感器，如激光探测器、声纳、车轮编码器和彩色摄像机，并装有扬声器和语言 测试系统。自动引导车能够完成现场任务和网络任务。 1 2 2 国内发展现状 我国a g v 发展历史较短。北京起重运输机械研究所、清华大学、中国邮政科学院 邮政科学规划院、中国科学院沈阳自动化研究所、大连组合机床研究所、国防科技大 学和华东工学院都在进行不同种类的a g v 的研制并小批量投入生产。1 9 7 5 年北京起重 运输机械研究所完成我国第一台电磁引导定点通信的a g v 。1 9 8 9 年北京邮政科学研究 规划院完成我国第一台双向无线通信的a g v ，该院已自进行a g v 的批量生产，已生产 和正在制造的a g v 达2 3 台( 截至1 9 9 6 年) 沈阳自动化研究所为沈阳金杯汽车厂生产 兰二兰堕笙 了6 台a g v ，用于装配线上，可以说是汽车工业中用的较成功的a g v 。沈阳新松公司 研制的a g v 已经通过了i s 0 9 0 0 1 国际质量认证。以上的a g v 均为固定路径导引的类型。 自从国家“8 6 3 ”智能机器人组把智能移动机器人的研究作为今后发展的重点以来， 我国已经陆续研制出一些水平很高的智能移动机器人，如清华大学的自主车、上海大 学的“导购机器人”及哈工大机器人研究所的“导游机器人”等，在这些机器人上都 比较成功地应用了多传感器的信息融合和路径规划技术，具有了一定的自主功能，其 中哈工大机器人研究所的“导游机器人”还具有一定的语音功能。2 0 0 0 年，厦门大学 对a g v 超声波引导系统进行研究，样机的超声波导航系统可以完成固定路径导引、自 由路径导引、工作站高精度停靠定位定向、避障等a g v 导航任务。2 0 0 1 年，上海大学 专为上海某供电局研究开发的a g v ，车在高压开关室内能按预定的路径在无线遥控指 下做如下操作运行： ( 1 ) 开关位的运行巡视；( 2 ) 回充电位置充电；( 3 ) 在充电 位置等待命令。2 0 0 4 年合肥工业大学工业自动化研究所采用模糊逻辑对来自视觉和超 声波传感器的数据进行融合，实现了a g v 在不确定环境下的自主导航；吉林大学将b p 神经网络应用于视觉导航的a g v ，可实现对阿拉伯数字的准确、快速识别。 在众多的研究成果中，清华大学为我国智能移动机器人的发展起到了推动性作用， 早在1 9 9 4 年，清华大学的智能移动机器人t p , m r - i i i 通过鉴定，鉴定表明它涉及到五 方面的关键技术：基于地图的全局路径规划技术、基于传感器信息的局部路径规划技 术、路径规划的仿真技术、传感技术，信息融合技术，代表了当时国内移动机器人技 术的较高水平。t h m r i i i 机器人的本体选用b j l 0 2 3 面包车改制。t h m r - i i i 集成了二 维彩色摄像机、磁罗盘光电编码器、g p s 、超声传感器等传感器，计算机系统采用s u n s p a r k 一台，p c 4 8 6 二台和8 0 9 8 单片机数台。s u n 主要完成任务规划，根据地图数据 库信息进行全局规划。两台p c 机：一台完成视觉信息处理，另一台完成局部规划、 反射控制及系统监控。8 0 9 8 单片机完成超声测量、位置测量、车体方向速度的控制。 它的体系结构以垂直式为主，采用多层次“感知一动作”行为控制及基于模糊控制的 局部路径规划及导航控制。并利用t h m r - i i i 研究了直线跟踪算法、白线跟踪算法、 连续障碍物跟踪算法、漫游避障、路标识别、道路模糊识别、视觉神经网络道路识别 等多种导航算法，完成了穿越校园道路、路口进入等实验。t i m 4 r - i i i 在自主道路跟 踪时速度达到5 l o k m h 。避障时速度达5 k m h 。另外，清华大学的李伟、王彦提出 了基于模糊逻辑推理的自动引导车视觉导航方法，解决了在动态环境中自动引导车对 6 鎏里壅些查堂蟹主堂垡堡奎 道路边缘的识别问题。清华大学的袁曾任、马兆青提出用栅格法解决运动障碍物环境 中的自动引导车导航与避碰问题。 虽然国内外的研究已经是硕果累累，但自动引导车所能达到的智能化和自主化水 平还很低，还远未达到实用化程度，不少方面还需要改进和完善。例如：如何提高自 动引导车全局位置的测定精度，如何在复杂动态环境中避碰，如何对大量的信息进行 融合和实时处理等，都是需要解决的问题。 1 3 自动导航技术 1 3 i 自动导航车系统构成概述 g v 一般采用轮式驱动，具有电动车的特征。a g v 小车能在地面控制系统的统一调 度下，自动搬运货物，实现自动化的物料传送。因其具有灵活性、智能化等特点，能 够方便地重组系统，达到生产过程中的柔性化运输之目的。较之传统的人工或半人工 的物料输送方式，a g v 系统大大减轻了劳动强度和危险性，提高了工作效率，在机械、 电子、纺织、卷烟、医疗、食品、造纸等行业都可以发挥作用。国外的a g v 系统设计， 应用水平都比较高，应用范围也很广泛国内的应用相对少一些，但是在各方面的共 同努力下，国内的a g v 系统的设计水平和应用水平正在接近或赶超国际先进水平。a g v 系统由控制台、通讯系统、地面导航系统、充电系统、a g v 和地面移载设备组成。其 中主控计算机负责a g v 系统与外部系统的联系与管理，它根据现场的物料需求状况向 控制台下达a g v 的输送任务。在a g v 电池容量降到预定值后，充电系统给a g v 自动充 电。地面移载设备一般采用滚道输送机、链式输送机等将物料从自动化仓库或工作现 场自动移载到a g v 上，反之也可以将物料从a g v 上移载下来并输送到目的地。a g v 、 充电系统、地面移载设备等都可以根据实际需要及工作场地任意布置，这也体现了a g v 在自动化物流中的柔性特点。a g v 由车载控制系统、车体系统、导航系统、行走系统、 移载系统和安全与辅助系统组成。 1 3 2 自动导航技术 自动导航技术就是利用传感器技术对车辆进行定位，使车辆按预定的轨迹自动行 走，就是知道自己在哪里，要往哪里去，其中，精确的定位是实现自动导航的前提条 7 第一章绪论 件。确定车辆的当前位置有两个基本方法，一是“测程器和罗盘定位法”，也就是 相对定位。一是“无线电导航系统”，即绝对定位。“测程器和罗盘定位法”。是 通过汽车上的一个设备，计算得出汽车的当前位置。最常用的设备是依靠电磁线圈探 测大地磁场，并通过一个速度感应器计算距离。该方法的其它设备有：测定角速度的 陀螺仪和用于测量汽车左右轮行驶距离之间差分角度的微分里程表。陀螺仪是相对于 惯性坐标的角速度传感器，常用的陀螺仪有机械式陀螺仪、震动陀螺仪和光纤陀螺仪 等。g d s ( g e o m a g n e t i cd i r e c t i o ns e n s o r ) 地磁方向传感器是地磁测量仪，它能感知 地球的磁场。g d s 的缺陷是车辆内外的电磁干扰。干扰来源有电力输送线和车辆的电 力设备等。虽然利用“测程器和罗盘定位法”，可以随时计算得出汽车的当前位置， 但是，其准确度极差，总是存在着误差，而且误差随着行驶距离的增加而增大。这种 误差可以由一种口q 做“图形匹配”的技术随时来补偿。目前车辆导航定位技术主要有 如下几种：全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ) 、全球卫星导航系统( g l 0 s s ) 、 惯性导航系统( i n s ) 、推算定位( d e a d r e c k o n i n g ) 、地图匹配( m a p m a t c h i n g ) 、 陆上无线电频率( t r f ) 、信号标杆( s p ) 等，这几种方式各有其特点，若相互结合 起来，就可以充分发挥各自的优势并进行互补，能够获得满意的定位导航精度。 1 4 论文研究的内容和方法 本文以a g v 系统作为研究对象，把数值计算的方法应用于自动导航试验车样机的 各关键部件，主要利用有限元软件a n s y s i o 0 对a g v 系统的转向支撑架进行静力学校 核，并在c o s m o s w o r k s 中对零件施加相同的约束及载荷，进行静力学分析，比较两种环 境下得到的等效应力最大值和变形量最大值，和它们的出现位置，研究两次分析的结 果出现差异的原因，找到一种较为合理的分析计算方法。针对转向支撑架结构上存在 的问题，在保证转向梯形结构合理的前提下，提出了改进方案，并对改进后的结构进行 了有限元分析，比较分析结果，确定了一种受力比较合理的支架结构，并对该结构进行 模态分析，得出转向支撑架的低阶自振频率以及前5 阶的振型。 另外，在有限元分析软件中模拟导航车的主轴以及转向悬挂架真实的载荷情况，对 其进行较为精确的分析和计算，得到零件的应力分布情况，为自动导航车的进一步优 化奠定了一定的基础。 8 沈阳农业大学硕士学位论文 1 5 课题研究的目的和意义 随着结构向设计轻量化方向发展，运用优化设计手段提高产品的竞争力已经提上 日程。各种实践经验表明，应用有限元分析能够增加产品和工程的可靠性；在产品设 计阶段发现潜在的问题；增加设计功能，减少设计成本：缩短设计周期：采用优化设 计，降低材料的消耗和成本；模拟各种试验方案，减少试验时间和经费，进行机械故 障分析，查找事故原因。 针对a g v 系统中关键部件结构上存在的不足，利用有限元分析软件 n s y s l o 0 模 拟零件的真实载荷状态，对转向支撑架、转向悬挂以及驱动主轴进行系统的、较为精 确的分析和计算，从而得到其应力分布状况，通过对多种不同结构形式的比较与分析， 优化实验车中关键部件的结构，改善零件的受力状况，提高整车的运动灵活性，为a g v 系统的进一步优化设计做一些基础性的工作。 通过深入细致的学习a n s y s 软件，更加全面地了解了有限元分析的理论与方法， 将理论知识与实践相结合，在有限元分析计算过程中，提高了自身解决实际问题的能 力，为今后的工作和学习打下了坚实的基础。 9 第二章有限元分析方法 第二章有限元分析方法 2 0 世纪后半叶工业的进步，得益于计算机科技的突飞猛进。进入2 1 世纪，将计 算机用于产品的开发、设计、分析与制造，己经成为近代工业增强竞争力的主要方法。 国内最早引进的计算机辅助软件是c a d ，然后是c a m ，而最迟者是c a e 。c a e 技术的方 法很多，有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；f e 岫、边界元法( b o u n d a r ye l e m e n t m e t h o d ；b e n ) 、有限差分法( f i n i t ed i f e r e n c em e t h o d ；f d m ) 是三种常用的方法。其 中有限元法应用的领域越来越广，现己应用于结构力学、结构动力学、热力学、流体 力学、电路学、电磁学等，而越来越多的发展，更结合不同的领域，像流体力学与结 构力学的结合，电路学和电磁学的结合，使得c a e 的发展越来越迅速，应用也越来越 广泛。 2 1 有限单元法 有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，f e 吣，也称为有限单元法或有限元素法。基 本思想是将求解区域离散为一组有限个、且按一定方式相互连接在一起的单元的组合 体。它是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。用于求解工程 中各类问题，结构强度、刚度分析中的静力、动力、线性或者非线性问题，热传导中 的稳态、瞬态或者热应力问题，以及流体力学和电力学和电磁学中的很多问题都可以 用有限元方法来解决。 2 1 1 有限单元法的发展进程 从应用数学角度，有限单元法基本思想的提出，可以追溯到c o u r a n t 在1 9 4 3 年 的工作，他第一次尝试应用定义在三角形区域上的分片连续函数和最小位能原理相结 合，来求解s t v e n a n t 扭转问题。一些应用数学家、物理学家和工程师由于各种原因 都涉足过有限单元的概念。但直到1 9 6 0 年以后，随着电子数值计算机的广泛应用和 发展，有限单元法的发展速度才显著加快。现代有限单元法第一个成功的尝试，是 将刚架位移法推广应用于弹性力学平面问题。 目前，有限单元法的应用己由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题，由 静力平衡问题扩展到稳定问题、动力问题和波动问题。分析的对象从弹性材料扩展到 鲨堕奎些查堂堡主堂垡堡壅 塑性；粘弹性、粘塑性和复合材料等，从固体力学扩展到流体力学、传热学等连续介 质力学领域。在工程分析中的作用已从分析和校核扩展到优化设计并和计算机辅助设 计技术相结合。可以预计，随着计算机技术的发展，有限单元法作为一个具有巩固理 论基础和广泛应用效力的数值分析工具，必将在国民经济建设和科学技术发展中发挥 更大的作用，其自身亦将得到进一步的发展和完善。 2 i 2 有限元常用术语 ( 1 ) 节点( n o d e ) 就是考虑工程系统中的一个点的坐标位置，它是构成有限元系统的基本对象。具 有其物理意义的自由度，该自由度为结构系统受到外力后系统的反应。 ( 2 ) 单元( e l e m e n t ) 结构单元网格划分中的每一个小块体称为一个单元，它是由节点与节点相连而组 成的。常见的单元类型有线单元、三角形单元、四边形单元、四面体单元和六面体单 元。由于单元是组成有限元模型的基础，因此单元的类型对于有限元分析是至关重要 的。一个有限元程序所提供的单元种类越多，这个程序的功能则越强大。a n s y s 程序 提供了一百多种单元种类，可以模拟和分析大多数的工程问题。 ( 3 ) 载荷( l o a d ) 在不同的学科中，载荷的含义不尽相同。在应力场分析中，指集中力和分布力等 在电磁场分析中，载荷是指结构所受的电场和磁场作用。在温度场分析中，所受的载 荷则是指温度本身。 ( 4 ) 自由度d o f ( d e g r e eo ff r e e d o m ) 上面提到节点具有某种程度的自由度，以表示工程系统受到外力后的反应结果。 ( 5 ) 边界条件( b o u n d a r yc o n d i t i o n ) 边界条件就是指结构边界上所受到的外加约束。在有限元分析中，边界条件的确 定是非常重要的。选择错误的边界条件往往使有限元中的刚度矩阵发生奇异，使程序 无法正常运行。施加正确的边界条件是获得正确的分析结果和较高的分析精度的重要 条件。 第二章有限元分析方法 2 1 3 有限元法的优点 综合来说，有限元法的优点是显而易见的。 ( 1 ) 整个系统离散为有限个单元，并将整个系统的方程转换成一组线性联立方 程。从而可以用多种方法对其求解。 ( 2 ) 边界条件不进入单个有限单元的方程，而是在得到整体代数方程后再引入 边界条件，这样内部和边界上的单元都能采用相同的场变量模型。而且，当边界条件 改变时，内部场变量不需要改变。 ( 3 ) 有限元法考虑了物体的多维连续性，不仅在离散过程中把物体看成是连续 的，而且不需要用分别的插值过程把近似解推广到连续体中的每一点。 。( 4 ) 有限元法不需要适用于整个物体的插值阐述，而只需要对每个自域或单元 蚕蛹各自的插值函数，这就使得其对复杂形状的物体也能适用。 ( 5 ) 该方法能够很容易求解非均匀连续介质，而其他方法处理非均匀介质则很 困难。 ( 6 ) 使用于线性或者非线性场合。 ( 7 ) 该方法能够在不同层面上得到阐释或理解。对有较深数学知识的人来说， 完全可以用数学语言来描述，并获得严格的推理。而对一般工程技术人员来说，可以 只从物理层面上得到解释。 2 2a n s y s 软件简介 2 2 1a n s y s 软件的主要功能 a n s y s 软件是融结构、热、流体、电磁和声学于一体的大型有限元软件，可广泛 应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、 电子、士木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利和日用家电等一般工业及科学 研究。该软件提供了不断改进的功能清单。包括结构高度非线形分析、电磁分析、计 算流体力学分析，优化设计、接触分析、自适应网格划分及利用a n s y s 参数设计语言 扩展宏命令功能。a n s y s 多物理场c a e 仿真工具是专门用于虚拟样机仿真的c a e 工具， 在产品设计工程中通过仿真得到其工作性能及各种指标，从而可部分甚至全部取代耗 时、昂贵的物理样机，实现缩短研发时问、降低研发成本的目标。a n s y s 应用及行业 婆塑查些查堂堡圭兰垡堡奎 解决方案是在通用c a e 工具的基础上，通过客户化定制，与行业经验、行业规范、行 业最佳实践等相结合。该工具采用专业化、行业化的用户界面，配以行业数据库，将 专家经验和行业规范固化于软件之中，让使用门槛降到最低，是行业或专业大规模应 用c a e 技术、优化设计流程的最佳工具之一。 ( 1 ) 结构静力分析 用来求解外载荷引起的位移、应力和力。静力分析很适合求解惯性和阻尼对结构 的影响并不显著的问题。a n s y s 程序中的静力分析不仅可以进行线性分析，而且也可 以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析。 ( 2 ) 结构动力学分析 结构动力学分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。与静力分析不 同，动力分析要考虑随时间变化的载荷及其对阻尼和惯性的影响。a n s y s 可进行的结 构动力学分析类型包括：瞬态动力学分析、模态分析、谐波响应分析及随机振动响应 分析。 ( 3 ) 结构非线性分析 结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化。 n s y s 程序可求解静 态和瞬态非线性分析，包括材料非线性、几何非线性和单元非线性3 种。 ( 4 ) 动力学分析 a n s y s 程序可以分析大型三维柔体运动。当运动的积累影响起主要作用时，可使 用这些功能分析复杂结构在空问中的运动特性，并确定结构中由此产生的应力、应变 和变形。 ( 5 ) 热分析 程序可处理热传递的3 种基本类型，即传导，对流和辐射。热传递的3 种类型均 可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。热分析还具有可以模拟材料固化和熔解过程 的相变分析能力以及模拟热与结构应力之间的热一结构耦合分析能力。 ( 6 ) 电磁场分析， 主要用于电磁场问题的分析，如电感、电容、磁通量密度、涡流、电场分布、磁 力线分布、力、运动效应、电路和能量损失等。还可用于螺线管，调节器、发电机、 变换器、磁体、加速器、电解槽及无损检测装置等的设计和分析领域。 ( 7 ) 流体动力学分析 第二章有限元分析方法 a n s y s 流体单元能进行流体动力学分析，分析类型可以为瞬态或稳态。分析结果 可以是每个节点的压力和通过每个单元的流率，并且可以利用后处理功能产生压力、 流率和温度分布的图形显示。另外，还可以使用三维表面效应单元和热一流管单元模 拟结构的流体绕流并包括对流换热效应。 ( 8 ) 声场分析 程序的声学功能用来研究在含有流体的介质中声波的传播，或分析浸在流体中的 固体结构的动态特性。这些功能可用来确定音响话筒的频率响应，研究音乐大厅的声 场强度分布或预测水对振动船体的阻尼效应。 ( 9 ) 压电分析 用于分析二维或三维结构对a c ( 对流) 、i ) c ( 直流) 或任意随时间变化的电流或 机械载荷的响应。这种分析类型可用于换热器、振荡器、谐波器、麦克风等部件及其 它电子设备的结构动态性能分析。 ( 1 0 ) 多耦合场分析 热一结构、磁一热、磁一结构、流体热、流体一结构、热一电、电一磁热一 流体一结构。 2 2 2a n s y s 软件的主要特点 ( 1 ) 主要技术特点 唯一实现多场及耦合分析的软件； 唯一实现前后处理、求解及多场分析统一数据库的一体化大型f e a 软件； 唯一具有多物理场优化功能的f e a 软件； 唯一具有中文界面的大型通用有限元软件； 强大的非线性分析功能； 多种求解器分别适用于不同的问题及不同的硬件配置； 支持异种、异构平台的网络浮动，在异种、异构平台上用户界亟统一、数据文件 兼容： 强大的并行设计功能，支持分布式并行及共享内存式并行； 多种自动网格划分技术； 良好的用户开发环境。 1 4 沈阳农业大学硕士学位论文 ( 2 ) 与c a d 软件的接口 u n i g r a p h i c s p r o e n g i n e e r i - d e a s c a t i a c a d d s s o l i d e d g e s o l i d w o r k 2 2 3a n s y s 架构及命令 a n s y s 构架分为两层，一是起始层( b e g i nl e v e l ) ，二是处理层( p r o c e s s o rl e v e l ) 。 这两个层的关系主要是使用命令输入时，要通过起始层进入不同的处理器。处理器可 视为解决问题步骤中的组合命令，它解决问题的基本流程叙述如下： 1 前置处理( g e n e r a lp r e p r o c e s s o r p r e p 7 ) 1 ) 建立有限元模型所需输入的资料，如节点、坐标资料、元素内节点排列次序； 2 ) 材料属性； 3 元素切割的产生 2 求解处理( s o l u t i o np r o c e s s o r 。s o l u ) 1 ) 负载条件； 2 ) 边界条件及求解。 3 后置处理( g e n e r a lp o s t p r o c e s s o r ，p o s t i 或t i m ed o m a i np o s t p r o c e s s o r p o s t 2 6 ) p o s t l 用于静态结构分析、屈曲分析及模态分析，将解题部分所得的解答如；变 位、应力、反力等资料，通过图形接口以各种不同表示方式把等位移图、等应力图等 显示出来。p o s t 2 6 仅用于动态结构分析，用于与时间相关的时域处理。 2 2 4a n s y s 界面简介 在启动a n s y s 后，就可以打开如图2 一l 所示的a n s y s 8 1 的图形用户界面( g u i ) 。 a n s y s 的图形用户界面具体包括： 第二章有限元分析方法 ( 1 ) 实用命令菜单( u t i l i t ym e n u ) 包括各种应用命令，如文件管理( f i l e ) ， 对象选择( s e l e c t ) 、资料显示( l i s t ) 、绘图( p l o t ) 、绘图控制( p l o t c t r l s ) 、 工作平面设定( w o r k p l a n e ) 、参数控制( p a r a m e t e r s ) 、宏管理( m a c r o ) 、菜单控 制及帮助( h e l p ) 等。 ( 2 ) 主菜单( m a i nm e n u ) 包括分析过程的主要命令，如建立模型、外力载荷、 边界条件，分析类型的选择、求解过程等，分为前处理