毕业设计（论文）-模块化净水设备梁板结构有限元分析.doc

济南大学泉城学院济南大学泉城学院 毕毕 业业 论论 文文 题题 目目 模块化净水设备梁板结构 有限元分析 专专 业业 机械设计制造及其自动化 班班 级级 机设 07Q3 学学 生生 邱兵 学学 号号 20073006080 指导教师指导教师 冯德振 二一一年五月三十日 济南大学泉城学院毕业论文 摘 要 有限元分析能够解决复杂的工程分析及计算问题，而且能为开发新产品提供最 佳优化方案。有限元分析的基本概念是化繁为简，用较简单的问题代替复杂问题后 再求解。本论文则以 ANSYS 软件为例分析并探讨了建立有限元分析模型时单元类 型的选择，从而为新产品的设计提供参考。 论文中用到了有限元分析软件 ANSYS，其中使用该软件对梁板结构进行了实体 建模及有限元分析，软件不仅能够对所建立的实体模型以图形的形式整体直观的显 示出来，也可以只对其中某个部分进行分散分析。除了图形显示，还可以给出各元 素的位移及受力大小，这对于实际工程问题的分析设计拥有较强的辅助作用。 论文中简要介绍了有限元分析理论和 ANSYS 软件在结构强度分析方面的应用， 体现了其在辅助设计领域的重要作用。同时对模块化净水设备的梁板结构强度进行 了计算分析，得出的结果与理论解答大体一致，从而验证了有限元分析理论的准确 性。 关键词： ANSYS；有限元分析法；结构强度；净水设备 济南大学泉城学院毕业论文 II ABSTRACT The finite element analysis not only can solve complex problems in engineering analysis and calculations, but also for the development of new products to provide the best optimal solution. The basic concept of the finite element analysis is a simple problem solving complex problems after instead. This paper which takes ANSYS as the example is discussed when the establishment finite element model is built and provide the references for new product design. Paper uses finite element analysis software ANSYS, which uses the software on the slab structure of the solid modeling and finite element analysis, the software can not only create a solid model of the form to the overall intuitive graphical display, but also can only be distributed on a part of them. In addition to graphical display, you can also give each element the size of the displacement and stress, which for practical engineering analysis and design with a strong supporting role. Paper briefly introduces the theory and ANSYS finite element analysis software in the application of structural strength analysis, reflecting its important role in the field aided design. Meanwhile, modular water purification equipment Beam intensity is calculated and analyzed, the result broadly consistent with the theoretical solution, which verifies the accuracy of finite element analysis theory. Key words：ANSYS；Finite Element Analysis；Structural strength；Water purification equipment 济南大学泉城学院毕业论文 III 目 录 摘要.I ABSTRACT.II 1 绪论与简 介.1 1.1 有限元法论述1 1.2 ANSYS 简介.3 1.2.1 CAE 技术及应用3 1.2.2 ANSYS 发展及应用3 1.2.3 ANSYS 的基本组成4 2 结构分析中常用单元的特性及定义5 2.1 结构静力学常用单元简介.5 2.1.1 单元的定义5 2.1.2 单元简要介绍6 2.2 建模过程中对单元特性的定义.8 2.2.1 两种建模方法.8. 2.2.2 单元特性定义.8 3 设计任务计算8 3.1 设计概况及参数8 3.1.1 设计概况8 3.1.2 设计参数9 3.2 主梁设计计算9 4 ANSYS 实体建模及有限元分析10 4.1 利用 ANSYS 对主梁进行建模10 4.1.1 主梁加一根加强梁时模型建立10 4.1.2 一根加强梁模型结果分析13 4.1.3 三根加强梁模型的建立及其结果分析15 4.2 板结构模型建立及有限元分析18 5 结论.22 参考文献.24 致谢.25 济南大学泉城学院毕业论文 1 1 绪论与简介 1.1 有限元法论述 1.1.11.1.1 有限元法简介 有限元法作为计算力学中的一种重要方法，在 20 世纪中期便被应用于应用数学、 计算科学以及现代力学，但那时还只是徘徊在相互渗透并且整合使用的边缘科学阶 段。在最初有限元法应用于工程科学分析的时候，它被用于解决力学、电磁学等问 题，同时也可以模拟热学等物理问题。传统的解析方法不能够求解结构形状以及边 界条件统统不规则的疑难问题，这时，有限元法便能够体现出它的应用优势来，从 而有效的解决这类问题。其基本思想就是想把所要研究的对象所在的求解域离散开 来，成为一组有限个数并且按规律联系在一起的组合，正因为单元不仅可以拥有不 同形状，而且能够按不同方式进行连结组合，所以可以用它来模拟各种形状的求解 域，再通过力学分析和整体的分析将单元依次求解便能够解决复杂问题了。简而言 之，有限元基本思路就是化整为零。 1.1.21.1.2 有限元法基本思想 有限元分析的基本思想是用较简单的问题代替复杂的问题后再求解。它将求解 域看成是由许多成为是有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的近 似解，然后推到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1。 1.1.31.1.3 有限元设计方法 （1）划分单元网格，并按照一定的规律对单元和结点编号。 （2）选定所需要的直角坐标系，并将有关信息填写并输入到程序之中。 （3）上机对已经编号的程序开始进行计算，同时对上一步输入的信息进行进一 步的加工计算。 （4）对计算成果进行整理、分析，并能用表格或图线示出所需的位移和应力变 化。 事实上，当划分的区域已经足够小了，每个区域的变形以及应力总是向趋于简 单的方向过渡，于是计算出来的结果也就能够越来越接近真实解。理论上说，当单 元的数目分的足够多了，有限单元能够向问题的精确解收缩，但是同时计算量也相 应的增大了不少。因此在实际工作时要在计算量及精度的选择上找出平衡点。 济南大学泉城学院毕业论文 2 在有限元法分析中，相邻的两个小区域是通过边界上结点连结起来的，我们能 用一个普通插值函数去分析各个小区域的变形以及应力，在求解过程中，便只要计 算出结点处的应力变形，而非结点处的应力变形就通过函数插值求得，于是可以说 有限元法并不能将区域中任意点的应力变形求解出来2。 有限元程序在大多数的情况下都以结点的位移为基本变量，需要先求出结点位 移，然后计算小单元应力，这种方法称为位移法。 有限元发本质上是一种微分方程的数值求解方法，正因为认识到了它，70 年代 之后有限元法的应用领域便不再是固体力学了，而是扩展到了其它需要求解微分方 程的流体力学、电磁学、热学、声学等物理学科。 有限元法解决问题的过程概述如下： 步骤 1：离散并且对单元类型进行选取； 步骤 2：选择能够求解位移变量的函数； 步骤 3：定义求解问题的应变位移及应力和应变的联系； 步骤 4：推导出单元强度的矩阵以及函数方程； 步骤 5：将单元方程组合起来并得出总体性的方程，同时引进边界条件； 步骤 6：解广义位移即未知元素自由度； 步骤 7：将应变应力求解出来； 步骤 8：解释结果。 1.1.41.1.4 有限元法的应用优势 解题能力强是有限元法的最显著优点，能够较精确的模拟出各种复杂的曲线或 形面，还能将网格进行随意的划分，并且能够统一处理不同种类的边界条件，离散 方程在形式上来说都是较规范的，这样一来便于编写串通使用的计算程序，在固体 力学方程数值求解方面都能取得不小的成就。即便如此，有限元发在应用于流体流 动和传热问题时，方程的求解却遇到了阻碍，其原因就是这种方法只是对用加权余 量法取得的离散方程近似于原数学微分方程。在处理流动以及导热问题时，这类问 题在守恒性、强对流等方面有明显的要求时候，有限元离散方程还不能对各项给出 一个合理的说明，所以在计算中出现的误差也难以改善。 有限元法在工程问题分析中，其最主要的应用形式就是对于结构类型优化，其 中包括了结构形状优化，结构强度优化分析，振动优化分析等。有限元法已经拥有 几十年的发展历史，在其间也解决了不少实际工程类问题，从中取得了巨大经济收 入。在有限元法出现之后，传统基于经验的结构设计也开始理性起来，设计的产品 也尤为精细起来，而其中最为突出的是，产品设计过程中所需要使用样机试验的次 数大大降低了，而产品可靠性反而提升了不少。压力容器的结构形状优化，机床切 削时的振动分析，汽车研制过程中各个方向碰撞的模拟，发动机设计过程中的减振 济南大学泉城学院毕业论文 3 降噪分析，新型武器研制过程中爆轰的模拟、弹头形状优化等，都是目前有限元法 在工程中典型的应用。 经过半个世纪的发展和实际工程问题应用，有限元法越来越显著的成为相当有 效的解决工程问题的仿真理论，优化了大量的实际工程问题，巨大的推动了工业技 术的进步。但是有限元法本身却并不是万能的分析法，也不能够用于所有工程问题 的求解。在工程中实际遇到的各类问题。有限元发使用时也需要遵循以下条件：制 做样机费用高，实验在实现的难易程度上来说较高。 1.2 ANSYS 简介 1.2.1 CAE 技术及应用 企业要想在激烈的市场竞争中立于不败之地，就必须要始终不断保持产品的创 新性。CAD/CAM 技术便是实现创新的关键手段，其中 CAE 技术是实现创新设计的 最主要的技术保障。CAE 是一个涉及面广、集工程技术与多种学科于一体的综合性、 知识密集型技术。相应的 CAE 软件是包含了数值计算技术、计算机图形学、数据库、 工程分析与仿真等在内的综合型软件系统。CAE 软件的价值在于:在设计阶段,通过 对产品和工程进行加工、性能和安全可靠性的模拟，可以尽早发现设计缺陷，并预 测产品、工程的可靠性，为产品创新、工程施工提供技术保障。 CAE(Computer Aided Engineering)就是使用计算机软件辅助求解复杂 工程 问题，例如产品结构强度 的计算，刚度分析，结构 稳定性分析，热传递分析， 三维实体分析以及 弹塑性等力学性能 的分析，同时还能对 结构性能进行优化设 计分析。CAE 从上世纪 60 年代初到今天，发展了 40 年，在其间其理论和分析 计算方法都从边缘科学逐渐发展并且 日趋成熟，到如今已经成为工程实际问题 分析和产品结构稳定性分析不可或缺的数值计算方法，同时它还能够帮助分析 连续力学问题 。在新世纪初， 计算机技术 不断提高以及飞速发展更加速了 CAE 技术的成熟和运用 ，它的功能以及计算结果的精度都得到了极大的改善 ，各种 通过 CAE 进行实体建模的新型产品不断产生 ，这个系统已经成为结构分析 及优 化的重要手段，同时它在计算机辅助 4C 系统中也成为了不可或缺 的重要环节。 CAE 系统，其核心的思想便是结构区域的离散化，通俗的讲就是把 实际结 构离散成有限个数的规则单元，并且将它们组合起来 ，这样以后再离散性分析 实际结构的物理性能 ，从而能够得出满足工程精度 要求的近似解，并用这个近 似解来替代实体结构分析，这样 以来，CAE 系统就能解决很多实际工程 问题尚 待解决、但仅靠理论分析无法 分析的复杂结构性难题 。CAE 分析的基本步骤就 是将形状复杂的 待求解问题 的求解域离散成为有限的结构形状简易的单元，即 将连续的整体简化成有限个单元组合 而成的组合体，这两者是等效的。然后 通 过连续体的离散，将求解连续体的 变量(应变、位移变化、压力平衡等)问题变 换成为求解有限个单元节点上变量 问题。经过以上步骤 得到的方程是 与一组代 数方程，而不再是先前的描述实际连续体函数的方程组了，最后在进行 求解， 济南大学泉城学院毕业论文 4 得到问题的近似解，这个近似解的 近似程度主要取决于之前离散时分析 采用的 单元类型、元素量和对离散单元求解的插值函数。 1.2.2 ANSYS 发展及应用 1970 年，ANSYS 公司创建于美国。ANSYS 软件是融结构、热、流体、电磁、声 学于一体的大型 CAE 通用有限元分析软件，可广泛地用于核工业、铁道、石油化工、 航空航天、机械制造、能源、汽车、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、 轻工、地矿、水利、日用家电等一般工业及科学研究。该软件可在大多数计算机及 操作系统中运行，从 PC 机到工作站直至巨星计算机，ANSYS 文件在其所有的产品系 列和工作平台上均兼容。 今天该软件的使用更加便利，功能更加强大。ANSYS 的虚拟样机设计法，使用 户免了使用物理样机时的昂贵费时。分析整个产品的开发过程时（在一个连续的、 互相协作的工程设计中） ，工作人员之间象一个团队一样互相协作。ANSYS 分析模拟 工具支持多种工作平台，易于使用，并在不同种类不同结构平台上数据绝对兼容， 提供了多耦场的分析功能。同时该软件还提供了相应不断改进的系列功能选项，其 中有结构强度的非线形分析和优化设计，接触问题有限元分析，物理电磁学有限元 分析，流体力学有限元问题分析，大应变/大变形显示功能和用 ANSYS 参数设计语言 的扩展命令等等功能。以 Motif 作为其分析基础的菜单选项能让用户通过简易对话 框、下拉菜单及其子菜单更方便的选择使用功能和输入数据，从而为用户使用 ANSYS 软件提供了指引。 1.2.3 ANSYS 的基本组成的基本组成 ANSYS 构架分为两层，一是起始层（Begin Level） ，二是处理层（Processor Level） 。这两层的相互联系就是需要通过起始层进入到不同处理器再开始输入命令。 处理器被当作分析问题所列步骤的组合命令。处理器的主要功能就是接收相关类型 分析任务的指令，定义问题类型、分析计算求解及检查结果也是分析问题所需步骤 的组合命令。 软件主要包含了三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。其中第 一部分给用户提供了实体建模和划分网格的菜单，用户能便捷的构造出需要的模型。 ANSYS 软件前处理模块主要的内容可分为两部分：实体建模机械工业出版社,2003.2:13-35 12 许晓勇. 使用 ANSYS 在机械结构分析过程中的体会J. 大众科技,2006.93(7):132-148 13 刘鸿文.材料力学M,第四版.北京:高等教育出版社,2004.1:12-49 14 刘国庆,杨庆东. ANSYS 工程应用教程机械篇M. 北京:中国铁道出版社,2002.3:10-90 15 KATHURIA Y P. Theory and application with ANSYSJ. Surface and Coatings Technology, 2000, 1