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车刀切削过程中的温度场模拟毕业论文摘要IAbstractII1 绪论11.1 概述11.2 研究切削温度的意义11.3 切削温度在国内外的研究现状21.4 研究目的、意义和内容22 车刀及其材料32.1 车刀简介32.2 车刀的重要角度42.3 车刀分类52.4 刀具材料52.3.1刀具材料应具备的性能52.3.2常用的刀具材料62.3.3其它刀具材料63 金属切削刀具基础73.1 金属切削过程的基本概念73.2 切削表面与切削运动73.3 切削用量三要素84 ANSYS软件简介94.1 ANSYSA的定义94.2 ANSYS内容94.3 ANSYS软件提供的分析类型95 ANSYS 对物体的热分析105.1 热分析简介105.2 ANSYS热分析特点115.3 ANSYS软件求解的基本流程116 建立刀片模型137 热分析137.1 建立工作文件名和工作标题137.2 定义单元类型147.3 定义材料性能参数157.4 导入几何模型、划分网格177.5 加载求解217.6 输出温度场分布图298 对比分析319 结论32致谢34331 绪论1.1 概述在机械制造业中，虽然已经发展出各种不同的零件成型工艺，但目前仍有90%以上的机械零件是通过切削加工制成。在切削工程中，机床做功转换为等量的切削热，这些切削热除少量逸散到周围介质中以外，其余均传入刀具、切屑和工件中，刀具、工件和机床温升将加速刀具磨损，从而引起工件热变形，严重时甚至引起机床热变形。因此，在进行切削理论研究、刀具切削性能试验及被加工材料加工性能试验等研究时，对切削温度的测量分析非常重要。在使用ANSYS测量分析切削温度时，既可以测定切削区域的平均温度，也可以测量出切屑、刀具和工件中的温度分布。本文就是通过ANSYS模拟90外圆车刀在切削过程中刀片的温度分布，通过与实验数据的比较证明ANSYS软件的准确性，并用ANSYS的模拟结果研究了切削速度对刀具温度分布的影响。1.2 研究切削温度的意义切削加工时，切削温度对工作前角、刀屑平均摩擦系数，单位切削功率及切屑变形系数的影响都很大。在切削温度低于600的情况下，切削温度直接影响切屑瘤的消长，从而影响到切屑瘤的前角，所以工作前角随切屑温度的变化而变化。刀屑平均摩擦系数随切削温度变化原因有二：一、积屑瘤前角随切削速度而变化： 当 300时，积屑瘤前角随着温度的提高而增大； 当 300 600时，积屑瘤前角随切削温度的升高而减小。二、刀屑界面上切屑底层金属的强度随切削温度的上升而下降： 当 600时，刀屑摩擦系数的下降主要就是由于这个原因。 当 600时，随工作前角的增大而减小；随工作前角的减小而增大；当 600时，积屑瘤消失，这时，切屑变形系数的减小是由于刀屑平均摩擦系数的减小； 单位切削功率pc 曲线有着与切屑变形系数曲线相似的形状，其理由是不言而喻的，切屑变形大，需要的功自然也就大些。 当切削温度较高时，会使被加工材料软化，与刀具间硬度差增大，有利于切削加工进行。一般认为，刀具的磨损是由于切削过程中的高温、高压、切屑与前刀面间的摩擦以及工件材料中有关化学元素与之发生粘结、亲和而引起的，即其磨损机制主要包括：1) 化磨损和相变磨损。刀具高速切削时的平均切削温度可达 10001200，在此高温下，即使在常压和空气气氛中也足以使刀具刀尖区产生氧化、放氮甚至相变。而刀具一经氧化和相变即会丧失其切削能力。2) 粘结磨损。在一定压力和高温条件下，刀尖与被加工材料接触区随着切屑不断流出，双方均不断裸露出新的表面。随着与合金元素的亲和倾向不断增加，将导致出现粘结磨损。这种磨损一般表现为微粒脱落，当刀尖区温度高达 1200左右时，局部颗粒将呈现“半熔化”状态，从而使粘结磨损大大加剧。3) 颗粒剥落与微崩刃。由于刀具是由无数细小的颗粒构成，颗粒之间呈晶界间的精细裂纹连接， 而且存在不均匀的内应力，因此当高温切屑流摩擦刮研刀尖时，会因工件材料硬度不均或存在硬质点所产生的微冲击而造成颗粒脱落或产生微崩刃。由此可见切削温度对加工工艺影响很大，对加工刀具寿命也有影响。研究切削温度可以避免一些不必要的经济损失。 1.3 切削温度在国内外的研究现状 近 40 年来，切削温度的研究越来越被人们重视，特别是工业发达国家，日本、美国、前苏联、英国和德国等都很重视研究升发，已经有不少成果实用化。 日本对切削温度的研究广泛深人，设有专门的研究机构。其中一些代表入物，对切削温度的基础理论和实际应用进行了大量系统、深入地研究，并且有专门的著作。20 世纪 70 年代以来，车削、磨削在日本己研究较成熟。取得了很好效果，在生产中发挥着重要的作用。 前苏联在切削方面的研究较早，20 世纪50 年代末60 年代初就发表过不少有价值的论文。在切削温度研究上作了大量工作，并在振动车削、磨削、攻螺纹、钻孔等应用方面职得了良好的经济效果。 美国在振动切削发展上曾走过弯路。20 世纪60 年代初开始的切削研究工作， 70 年代中期又重新开始，并在一些方面取得了系列成果，目前己制订部分标准供选用。 英国和德国等对切削温度的机理和应用也进行了大量研究开发工作，发表了不少有价值的论文，在生产中也得到了积极应用。 在我国，此项研究工作开始干20 世纪60 年代。1966 年哈尔滨工业大学应用国外先进的切削温度技术进行一系列的试验，取得了良好效果。1976 年以后，陕西机械学院等院校和单位先后做了一些车削、钻孔、攻螺纹与磨削等试验研究并部分应用于生产。1983 年 10 月在西安召开的全国第一次切削专题讨论会”，促进了切削技术在全国的深入研究和推广位用。20 世纪80 年代中期以后，哈尔滨工业大学又对车削淬硬不透钢、钻孔、铝复合材料攻丝进行了试验研究，取得了满意的效果。吉林工业大学对车削，北京航空航天大学对五合金攻丝都相继进行了试验研究，取得了可喜的成果。此外，河北机电学院、大连理工大学也对攻丝进行了研究，也取得了一系列的成绩。1.4 研究目的、意义和内容自切削技术的应用以来，以其独特的工艺效果，极大的提高了工厂生产的效率，减少了生产成本，为企业和工厂带来啦不少生产效益，从而受到国内外机械工程专家和企业的 广泛关注。但是，与传统的加工理论与方法相比，切削技术仍是一种“年轻”的工艺方法，其理论体系尚不完善，还有许多问题有待于深入研究。其中温度就是困扰大家的一个难题，没有太好的方法来解决。切削过程是一个涉及到弹性力学、塑性力学、断裂力学、热力学和摩擦学等学科综合交叉的一个非常复杂的过程，因此传统方法的研究大多停留在定性的分析上。只是到了近十几年来，有限元技术的发展，特别是一些商用有限元软件(如ANSYS ，ABAQUS 的开发，使之成为能够定量分析这一过程的强大工具。这方面关键的技术主要是用有限元对切削机理进行了数值模拟，从而大大降低了对切削过程分析的成本并提高了分析的质量。因此，用有限元对切削进行模拟也就成为切削加工过程的一个研究前沿和热点。根据最新的研究资料显示，目前的研究主要集中在以下几个方面 ：1) 一般的材料去除与切削过程的研究；2) 特殊加工过程的计算机模型的研究；3) 切削过程的几何与过程参数的研究；4) 加工过程中的热研究；5) 加工过程中残余应力的研究；6) 加工机床的动力学研究与控制；7) 机床磨损与误差的研究；8) 切屑形成机理的研究；9) 最优化与其他主题的研究。随着ANSYS 软件的开发，其已经逐渐成为一种必要的、且必不可少的研究手段。同时，受实验设备等客观条件的限制，研究人员不可能在试验中大幅度地随意改变工艺参数。因此，利用ANSYS 软件在切削过程中对切削温度问题进行建模模拟和仿真研究为切削温度问题的解决提供了一个重要的参考依据。 本论文主要对车削过程中的刀具与工件的相对位移移动所产生的摩擦热度进行分析依据的实例是：工件材料钛合金，刀片材料YT15，切削厚度1mm，切削速度3070m/min，进给速度0.10.3mm/r。2 车刀及其材料2.1 车刀简介车刀的工作部分就是产生和处理切屑的部分，包括刀刃、使切屑断碎或卷拢的结构、排屑或容储切屑的空间、切削液的通道等结构要素。 车刀的切削部分由主切削刃、副切削刃、前刀面、主后刀面和副后刀面，刀尖角成。车刀的切削部分和柄部(即装夹部分)的结合方式主要有整体式、焊接式、机械夹固式和焊接-机械夹固式。机械夹固式车刀可以避免硬质合金刀片在高温焊接时产生应力和裂纹，并且刀柄可多次使用。机械夹固式车刀一般是用螺钉和压板将刀片夹紧，装可转位刀片的机械夹固式车刀。图21车削刀具的组成车刀的切削部分由主切削刃、副切削刃、前面、后面和副后面等组成。它的几何形状由前角0、后角0、主偏角r、刃倾角s、副偏角kr 和刀尖圆弧半径r所决定。车刀几何参数的选择受多种因素影响，必须根据具体情况选取。前角0根据工件材料的成分和强度来选取，切削强度较高的材料时，应取较小的值。例如，硬质合金车刀在切削普通碳素钢时前角取1015；在切削铬锰钢或淬火钢时取 -2-10。一般情况下后角取 610。主偏角r根据工艺系统的刚性条件而定,一般取3075,刚性差时取较大的值，在车阶梯轴时，由于切削方式的需要取大于或等于90。刀尖圆弧半径r和副偏角kr一般按加工表面粗糙度的要求而选取。刃倾角s则根据所要求的排屑方向和刀刃强度确定。2.2 车刀的重要角度车刀属于单锋刀具，因车削工作物形状不同而有很多型式，但它各部位的名称及作用却是相同的。一支良好的车刀必须具有刚性良好的刀柄及锋利的刀锋两大部份。车刀的刀刃角度，直接影响车削效果，不同的车刀材质及工件材料、刀刃的角度亦不相同。车床用车刀具有四个重要角度，即前间隙角、边间隙角、后斜角及边斜角。 1) 前间隙角 自刀鼻往下向刀内倾斜的角度为前间隙角，因有前间隙角，工作面和刀尖下形成一空间，使切削作用集中于刀鼻。若此角度太小，刀具将在表面上摩擦，而产生粗糙面，角度太大，刀具容易发生震颤，使刀鼻碎裂无法光制。装上具有倾斜中刀把的车刀磨前间隙角时，需考虑刀把倾斜角度。高速钢车刀此角度约810度之间，碳化物车刀则在68度之间。 2) 边间隙角 刀侧面自切削边向刀内倾斜的角度为边间隙角。边间隙角使工作物面和刀侧面形成一空间使切削作用集中于切削边提高切削效率。高速钢车刀此角度约1012度之间。 3) 后斜角 从刀顶面自刀鼻向刀柄倾斜的角度为后斜角。此角度主要是在引导排屑及减少排屑阻力。切削一般金属，高速钢车刀一般为816度，而碳化物车刀为负倾角或零度。 4) 边斜角 从刀顶面自切削边向另一边倾斜，此倾斜面和水平面所成角度为边斜角。此角度是使切屑脱离工作物的角度，使排屑容易并获得有效之车削。切削一般金属，高速钢车刀此角度大约为1014度，而碳化物车刀可为正倾角也可为负倾角。 5) 刀端角 刀刃前端与刀柄垂直之角度。此角度的作用为保持刀刃前端与工件有一间隙避免刀刃与工件磨擦或擦伤已加工之表面。 6) 切边角 刀刃前端与刀柄垂直之角度，其作用为改变切层的厚度。同时切边角亦可改变车刀受力方向，减少进刀阻力，增加刀具寿命，因此一般粗车时，宜采用切边角较大之车刀，以减少进刀阻力，增加切削速度。 7) 刀鼻半径 刀刃最高点之刀口圆弧半径。刀鼻半径大强度大，用于大的切削深度，但容易产生高频振动。2.3 车刀分类一、按结构可分为整体车刀、焊接车刀、机夹车刀、可转位车刀和成型车刀。其中可转位车刀的应用日益广泛，在车刀中所占比例逐渐增加。 二、硬质合金焊接车刀 所谓焊接式车刀，就是在碳钢刀杆上按刀具几何角度的要求开出刀槽，用焊料将硬质合金刀片焊接在刀槽内，并按所选择的几何参数刃磨后使用的车刀。 三、机夹车刀机夹车刀是采用普通刀片，用机械夹固的方法将刀片夹持在刀杆上使用的车刀。按加工面的不同车刀可分为：外圆车刀、端面车刀、内孔车刀、切断车刀、切槽车刀；根据车刀的结构不同可分为：整体车刀、焊接车刀、焊接装配式车刀、机夹车刀、可转位车刀；根据刀杆截面形状的不同，可分为正方形、矩形、圆形和不规则四边形四种。本文以90外圆车刀为例进行模拟试验。选择车刀主要参数为：刀片（A320），ltsR（2011711mm），r=1mm，e=0.8mm；刀杆（06R2525），Lhb（1402525mm）。2.4 刀具材料刀具切削性能的好坏，取决于构成刀具切削部分的材料、几何形状和刀具结构。刀具材料对刀具使用寿命、加工效率、加工质量和加工成本等都有很大影响，因此要重视刀具材料的正确选择与和合理使用。2.3.1 刀具材料应具备的性能1、 高的硬度和耐磨性刀具材料要比工件材料硬度高，常温硬度在HRC62以上；耐磨性表示抵抗磨损的能力，它取决于组织中硬质点的硬度、数量和分布。2、足够的强度和韧性为了承受切削中的压力冲击和韧性，避免崩刀和折断，刀具材料应具有足够的强度和韧性。3、高耐热性刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度和韧性得能力。4、良好的工艺性为了便于制造，要求刀具材料有较好的可加工性。如，切削加工性、铸造性、锻造性和热处理性等。5、良好的经济性2.3.2 常用的刀具材料目前，生产中所用的刀具材料以高速钢和硬质合金居多。碳素工具钢（如T10A、T12A）、工具钢（如SiCr、CrWMn）因耐热性差，仅用于一些手工或切削速度较低的刀具。1. 高速钢定义：是一种加入较多的钨、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。性能：有较高的热稳定性；有较高的强度、韧性、硬度和耐磨性；制造工艺简单，容易磨成锋利的切削刃，可锻造。是制造钻头、成形刀具、拉刀、齿轮刀具等的主要材料。分类：按用途分：通用型高速钢和高性能高速钢；按制造工艺分：熔炼高速钢和粉末冶金高速钢。1) 通用型高速钢钨钢：典型牌号为W18Cr4V，有良好的综合性能，可以制造各种复杂刀具。钨钼钢：典型牌号为W6Mo5Cr4V2，可做尺寸较小、承受冲击力较大的刀具；热塑性特别好，更适用于制造热轧钻头等；磨加工性好，目前各国广泛应用。2) 高性能高速钢典型牌号为高碳高速钢W18Cr4V、高钒高速钢W6MoCr4V3、钴高速钢W6MoCr4V2Co8和超硬高速钢W2Mo9Cr4Co8等。适合于加工高温合金、钛合金和超高强度钢等难加工材料。3) 粉末冶金高速钢用高压氩气或氮气雾化熔融的高速钢水，直接得到细小的高速钢粉末，高温下压制成致密的钢坯，而后锻压成材或刀具形状。适合于制造切削难加工材料的刀具、大尺寸刀具（如滚刀、插齿刀）、精密刀具、磨加工量大的复杂刀具、高动载荷下使用的刀具等。2. 硬质合金由难熔金属化合物（如WC、TiC）和金属粘结剂（Co）经粉末冶金法制成。硬质合金以其切削性能优良被广泛用作刀具材料（约占50%）。如大多数的车刀、端铣刀以至深孔钻、铰刀、拉刀、齿轮刀具等。具有高耐磨性和高耐热性，但抗弯强度低、冲击韧性差，很少用于制造整体刀具。它还可用于高速钢刀具不能切削的淬硬钢等硬材料。ISO将切削用的硬质合金分为三类： a) YG(K)类，即WC-Co类硬质合金b) YT(P)类，即WC-TiC-Co类硬质合金c) YW(M)类，即WC-TiC-TaC-Co类硬质合金2.3.3 其它刀具材料a) 涂层刀具b) 陶瓷：硬度高、耐用度高，还可用于冲击负荷下的粗加工，切削效率显著提高。c) 金刚石d) 立方氮化硼本文选择硬质合金YT15作为焊接刀片材料，其主要热物理参数为：泊松比：67；热膨胀系数：2.39e-5；材料密度为13.5 kg/m3，外力加载为1180N，导热系数为：150W/m*K；对流传热系数为：600 W/(m2*K)。3 金属切削基础3.1 金属切削过程的基本概念车削就是在车床上，利用工件的旋转运动和刀具的直线运动或曲线运动来改变毛坯的形状和尺寸，把它加工成符合图纸的要求。 车削加工是在车床上利用工件相对于刀具旋转对工件进行切削加工的方法。车削加工的切削能主要由工件而不是刀具提供。车削是最基本、最常见的切削加工方法，在生产中占有十分重要的地位。车削适于加工回转表面，大部分具有回转表面的工件都可以用车削方法加工，如内外圆柱面、内外圆锥面、端面、沟槽、螺纹和回转成形面等，所用刀具主要是车刀。 在各类金属切削机床中，车床是应用最广泛的一类，约占机床总数的50%。车床既可用车刀对工件进行车削加工，又可用钻头、铰刀、丝锥和滚花刀进行钻孔、铰孔、攻螺纹和滚花等操作。按工艺特点、布局形式和结构特性等的不同，车床可以分为卧式车床、落地车床、立式车床、转塔车床以及仿形车床等，其中大部分为卧式车床。3.2 切削表面与切削运动切削表面切削加工过程是一个动态过程， 在切削过程中，工件上通常存在着三个不断变化的切削表面。即：待加工表面：工件上即将被切除的表面。已加工表面：工件上已切去切削层而形成的新表面。过渡表面(加工表面)：工件上正被刀具切削着的表面，介于已加工表面和待加工表面之间。以车削外圆为例，如图3-1。图3- 2切削运动与切削表面示意图切削运动刀具与工件间的相对运动称为切削运动（即表面成形运动）。按作用来分，切削运动可分为主运动和进给运动。上图给出了车刀进行普通外圆车削时的切削运动，图中合成运动的切削速度Ve、主运动速度Vc和进给运动速度Vf之间的关系。（1） 主运动主运动是刀具与工件之间的相对运动。它使刀具的前刀面能够接近工件，切除工件上的被切削层，使之转变为切屑，从而完成切屑加工。一般，主运动速度最高，消耗功率最大，机床通常只有一个主运动。例如，车削加工时，工件的回转运动是主运动。（2） 进给运动进给运动是配合主运动实现依次连续不断地切除多余金属层的刀具与工件之间的附加相对运动。进给运动与主运动配合即可完成所需的表面几何形状的加工，根据工件表面形状成形的需要，进给运动可以是多个，也可以是一个；可以是连续的，也可以是间歇的。（3） 合成运动与合成切削速度当主运动和进给运动同时进行时，刀具切削刃上某一点相对于工件的运动称为合成切削运动，其大小和方向用合成速度向量ve表示, 见上图。Ve=Vc+Vf3.3 切削用量三要素 1、切削速度vc切削速度vc是刀具切削刃上选定点相对于工件的主运动瞬时线速度。由于切削刃上各点的切削速度可能是不同，计算时常用最大切削速度代表刀具的切削速度。当主运动为回转运动时：式中d切削刃上选定点的回转直径，mm； n主运动的转速，r/s或r/min。2、进给速度vf 、进给量f进给速度vf切削刃上选定点相对于工件的进给运动瞬时速度，mm/s或mm/min.。进给量f刀具在进给运动方向上相对于工件的位移量，用刀具或工件每转或每行程的位移量来表述，mm/r或mm/行程。Vf= n f3、切削深度ap对于车削和刨削加工来说，切削深度ap（背吃刀量）是在与主运动和进给运动方向相垂直的方向上度量的已加工表面与待加工表面之间的距离，单位mm。4 ANSYS软件简介4.1 ANSYSA的定义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 Pro/Engineer, NASTRAN, Allegro, IDEAS, AutoCAD 等， 是现代产品设计中的高级 CAD 工具之一。 ANSYS 有限元、电力、电磁场及碰撞等问题。因此它可应用于以下工业领域： 航空航天软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械，微机电气系统、运动器械等。4.2 ANSYS内容 ANSYS软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型； 分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力； 后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。 软件提供了 100 种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。该软件有多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如 PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY 等。4.3 ANSYS软件提供的分析类型 ANSYS 软件提供的分析类型如下： 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。ANSYS 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力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。ANSYS 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。ANSYS 程序可求解静态和瞬态非线性问题，包括材料非线性、几何非线性和单元非线性三种。4) 动力学分析 ANSYS 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间中的运动特性，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三种基本类型：传导、对流和辐射。热传递的三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 5 管、调节器、发电机、变换器、磁体、加速器、电解槽及无损检测装臵等的设计和分析领域。7) 流体动力学分析 ANSYS 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AC（交流）、DC（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、谐振器、麦克风等部件及其它电子设备的结构动态性能分析。可进行四种类型的分析：静态分析、模态分析、谐波响应分析、瞬态响应分析。5 ANSYS对物体的热分析5.1 热分析简介热分析用于计算一个系统或部件的温度分布及其它热物理参数，如热量的获取或损失、热梯度、热流密度（热通量）等。热分析在许多工程应用中扮演重要角色，如内燃机、涡轮机、换热器、管路系统、电子元件等。5.2 ANSYS热分析特点 ANSYS 热分析有以下几个特点： ANSYS 功能组件热分析能力 ANSYS/Multiphases、ANSYS/Mechanical、 ANSYS/Thermal、ANSYS/FLOTRAN、ANSYS/ED 五种产品中包含热分析功能, 其中 ANSYS/FLOTRAN 不含相变热分析。 ANSYS 热分析原则: ANSYS 热分析基于能量守恒原理的热平衡方程，用有限元法计算各节点的温度，并导出其它热物理参数。 ANSYS 热分析类型: ANSYS 热分析包括热传导、热对流及热辐射三种热传递方式。此外，还可以分析相变、有内热源、接触热阻等问题。5.3 ANSYS软件求解的基本流程1) 建模有限元分析的最终目的是还原一个实际工程系统的数学行为特征，即分析必须针对一个物理原型准确的数学模型。模型包括所有节点、单元、材料属性、实常数、边界条件以及其他用来表现这个物理系统的特征。ANSYS分析的前处理主要就是用来进行建模与网格划分。 ANSYS的图形用户界面对命令菜单的编排是非常有逻辑性的!前处理的命令菜单是按照单元类型(element type)、实常数（real constant）、材料属性（material props）、建模（modeling）、划分网格（meshing）这样的顺序编的。所以，我们在前处理中建模的顺序也就应该是与命令菜单编排相同的顺序，即：a) 确定分析目标及模型的基本形式；b) 选择合适的单元类型并考虑如何建立适当的网格密度；c) 确定实常数；d) 定义材料属性；e) 建立实体模型；f) 划分网格。2) 单元选择有限元模型可分为2D和3D 两种，可以由点单元、线单元、面单元或实体单元组成!也可将不同类型的单元混合使用。ANSYS的单元库包括两种基本类型的面单元和体单元，即线性单元和二次单元。对于大多数情况，主要问题是利用平面单元以很少的计算时间即可获得很高精度的结果。 但是必须保证使用足够多的平面单元来创建曲面，推荐3D平面壳单元延伸不要超过150的弧，圆锥壳单元应限制在100弧以内。对于结构分析，带有附加形函数的角点单元会在合理的计算时间内得到准确的结果。使用这些单元时要注意防止在关键区域的退化形式，即避免在结果梯度很大或其他关注的区域使用2D三角线单元或四面体形的3D单元，还应避免使用过于扭曲的线性单元。对于非线性结构分析，如果使用线性单元细致的进行网格划分，而不是用二次单元相对粗糙的划分，则可以以很少的花费获得很好的精度。因此，推荐在非线性分析中优先选用线性单元，在连接有不同自由度的单元时必须小心，因为在界面处可能会发生不协调的情况。这种情况下，求解时会在不同单元之间传递不适当的力或位移。为保证协调!两个单元必须有相同的自由度，例如必须有相同数目和类型的位移自由度及旋转自由度，而且自由度必须是耦合的，即它们必须连续地穿过界面处的单元。3) 网格划分众所周知，对于有限元分析来说，网格划分是其中一个重要的步骤，网格划分的好坏直接影响到计算的精度和速度。ANSYS中的网格划分方法主要有自由网格划分、映射网格划分和体扫掠网格划分三种。自由网格划分是自动化程度最高的网格划分技术，对所有划分的模型没有特殊的要求，可以应用于任何模型的网格划分。在面上、平面、曲面，它自动生成三角形或四边形网格，在体上它自动生成四面体网格。在自由网格划分时可以应用ANSYS内置的一个专家系统智能尺寸控制系统对网格的疏密进行控制，也可以手工控制，建议在自由网格划分时打开智能尺寸控制。虽然应用自由网格划分技术划分网格省时省力，效率很高，但是由于它只能将体划分成四面体网格，这样造成有限元模型网格数量过大，降低了计算的精度和速度，所以在对体进行网格划分时尽量不使用自由网格划分。如果由于模型比较复杂，必须使用自由网格划分时，则尽量选用二次四面体单元，不要选用线性六面体单元，因为线性六面体单元没有中间节点，在使用自由网格划分后，自动将其退化为相应的线性四面体单元，该类型单元有过高的刚度，将会影响计算的精度。映射网格划分是对规整模型的一种网格划分技术，它在面上生成四边形网格，在体上生成六面体网格。使用这种方法生成的有限元网格形状规则，数量要比相应的自由网格少很多，可以大大节省计算时间，提高计算精度扫掠网格划分是由面网格经过拖拉、旋转、偏移等方式而生成网格的一种网格划分技术。在ANSYS中碰到柱状的模型一般可以考虑使用扫掠网格划分。例如!对于具有高度不规则横截面的3D 模型，在横截面上自由划分四边形网格，然后在体内扫掠成六面体单元。在扫掠前可对四边形网格加密。确认加密后产生的单元保持四边形以保证扫掠成六面体单元。4) 求解有限元模型建好后，就可以进入ANSYS求解器进行加载求解。当施加载荷和边界条件的面、节点或单元比较多时，应该用实体选择命令把这些对象选出来，然后在其上施加载荷或边界条件，以保证所施加的载荷或边界条件的正确性。在ANSYS求解过程中!有时发现，程序没有错误提示，但结果并不合理，这就需要有一定的力学理论基础来分析问题，运用一些技巧以加快问题的解决。对于非线性分析，一般都是非常耗时的，特别是模型比较复杂时，怎样节约机时就显得尤为重要。当一个非线性问题求解开始后，不用让程序求解完后，发现结果不对，修改参数，又重新计算。而应该时刻观察求解的收敛情况，如果程序出现不收敛的情况，应终止程序，查看应力，变形，等结果，以调整相关设置；即使程序收敛，当程序计算到一定程度也要终止程序观看结果，一方面可能模型有问题，另一方面边界条件不对，特别是计算子模型时，数据输入的工作量大，边界位移条件出错的可能性很大，因而要根据变形结果来及时纠正数据，以免浪费机时，如结果符合预期的话，可通过重启动，从终止的点继续计算。ANSYS有两个后处理器，即通用后处理器和时间历程后处理器。通用后处理器可以用来查看整个模型在某一时间段的计算结果，而时间历程后处理器可以用来查看模型的某一部分在整个时间段上的计算结果。6 建立刀片模型Solidworks软件功能强大，组件繁多。 Solidworks 功能强大、易学易用和技术创新是SolidWorks 的三大特点，使得SolidWorks 成为领先的、主流的三维CAD解决方案。SolidWorks 能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。SolidWorks 不仅提供如此强大的功能，同时对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。因此，本文选择Solidworks作为建立3D模型的工具，主要操作包括，建立草图、拉伸、旋转切除、倒圆、倒角等。7 热分析7.1 建立工作文件名和工作标题1) GUI：Utility Menu | File | Change Jobname，出现Change Jobname对话框如图6-1。图61定义工作文件名2) 在/FILNAM Enter new jobname输入框中输入工作文件名biyesheji，New log and error files设置为Yes，单击OK按钮关闭该对话框。图 63定义工作标题3) GUI：Utility Menu | File | Change Title，出现Change Title对话框，在输入框中输入biyesheji，单击OK按钮关闭该对话框，如图6-2。4) GUI：Main Menu | Preferences,出现Preferences for GUI Filtering对话框，选择Thermal，单击Ok按钮关闭对话框，如图6-3。图64过滤图形界面7.2 定义单元类型1) GUI：Main Menu | Preprocessor | Element Type | Add/Edit/Delete，出现Element Types 对话框，如图6-4。图 6 5添加单元类型2) 单击Add按钮，出现Library of Element Types对话框。图66选择单元类型3) 在Library of Element Types中选择Thermal Solid和Tet 10node 87，在Element type reference number输入框中输入1，如图6-5。4) 单击Ok按钮，关闭Library of Element Types对话框。5) 单击Close按钮，关闭Element Types对话框。7.3 定义材料性能参数1) GUI：Main Menu | Preprocessor | Material Props | Material Models，出现Define Material Model Behavior对话框。2) 在Material Models Available列表框中依次双击Thermal、Conductivity、Isotropic选项，出现Conductivity for Material Number 1对话框，在KXX输入框中输入材料导热系数：150。单击OK关闭，如图6-6。图6- 7输入导热系数3) 点击Favorites、Linear Static、Thermal Expansion(secant-iso),出现的对话框中，在ALPX中输入热膨胀系数：2.39e-5,单击OK关闭，如图6-7。图6- 8输入热膨胀系数4) 打开Linear Static、Density ，出现Density for Material Number 1对话框，在DENS中输入材料密度：13.5 ，如图6-8。图 9输入材料密度5) 选择Main Menu、Preprocessor、material models behavior一栏中双击Linear Isotropic对话框。在EX中输入压力值：1180；在PRXY对话框中输入材料泊松比：0.3。图6- 10输入压力值、泊松比7.4 导入几何模型、划分网格1) 选择Utility Menu | Import | IGES，如图6-10，在出现的Import IGES File对话框中的/AUX15IOPTN Option for IGES Import / Iges Import Option中选择Defeature model ，其他默认，单击OK按钮关闭，进入文件所在目录选择。图6- 11导入IGS模型设置2) 在出现的文件目录选择中，单击Browse按钮，选择几何模型文件（IGS），如图6-11图6- 12选择模型文件所在位置3) GUI：Main Menu | Preprocessor | Meshing | Mesh Tool ，出现Mesh Tool 对话框，如图6-12。图6- 13Mesh Tool设置界面4) 在Element Attributes 选择Volumes，在Smart Size复选框单击，调节网格大小到Fine，即为1最精确，在Mesh中选择Volume（体），在Refine at框中选择Elements，单击Mesh按钮，选择实体，单击Ok按钮，如图6-13。图6-14选择划分网格的体5) 出现划分网格后的模型，如图6-14。图6- 15划分网格后的模型6) GUI：Utility Menu | File | Save as，出现Save Database对话框，在Save Database to输入框中输入biyesheji.db，保存上树的操作过程，单击Ok按钮关闭该对话框，如图6-15.图6- 16保存操作7.5 加载求解1) GUI：Main Menu | Solution | Analysis Type | New Analysis，出现New Analysis对话框，选择分析类型为Steady-State单击Ok按钮关闭该对话框，如图6-16.图6- 17选择热分析类型2) GUI：Utility Menu | Select | Everything3) GUI：Utility Menu | Plot | Lines，出现线框模型，如图6-17.图6- 18线框模型4) GUI：Utility Menu | Select | Entities，出现Select Entities菜单。在第一个下拉列表框中选择Lines，在第二个下拉列表框中选择By Num/pick，在第三个单选框中选择From Full，如图6-18.图6- 19选择实体菜单5) 单击Ok按钮进入线段选择，输入10，单击Ok按钮完成线段选择，如图6-19。图6- 20选择线段对话框6) GUI：Utility Menu | Select | Entities，出现Select Entities对话框。在第一个下拉列表框中选择Nodes，在第二个下拉列表框中选择Attached to，在第三个单选框中选择Lines，all，单击Ok按钮关闭该菜单，如图6-20。图6- 21选择节点对话框7) GUI：Main Menu | Solution | Define Loads | Apply | Thermal | Temperature | On Nodes ，出现节点选择菜单。如图6-21。图6- 22选择节点对话框8) 在主界面选择刀刃5m长度内的Nodes，单击Ok按钮，进入Apply TEMP on Nodes对话框，在Lab2 DOFs to be constrained列表框中选择TEMP，在VALUE Load TEMP value 输入930，单击OK关闭该对话框。如图6-22.图6- 23输入节点温度载荷9) GUI：Utility Menu | Select | Everything10) GUI：Utility Menu | Plot | Replot11) GUI：Utility Menu | Select | Entities，出现Select Entities对话框。在第一个下拉列表框中选择Areas，在第二个下拉列表框中选择By Num/Pick，在第三个单选框中选择From Full。如图6-23.图6- 24选择面实体菜单12) 单击Ok按钮，出现Select Areas菜单。在主界面选择Area 1，2，4，单击Ok按钮关闭该菜单，如图6-24。图6- 25选择面实体对话框13) GUI：Utility Menu | Select | Entities，出现Select Entities对话框。在第一个下拉列表框中选择Nodes，在第二个下拉列表框中选择Attached to，在第三个单选框中选择Areas，all，单击OK按钮关闭该对话框。如图6-25图6- 26选择已选面上的节点14) GUI：Main Menu | Solution | Define Loads | Apply | Thermal |Temperature | On Nodes,出现Apply TEMP on Nodes菜单。如图6-26.图6- 27选择加载节点对话框15) 单击Pick All 按钮，出现Apply TEMP on Nodes对话框。在Lab2 DOFs to be constrained列表框中选择TEMP，在VALUE Load TEMP value 输入25（室温），单击OK关闭该对话框。如图6-27.图6- 28输入环境固定温度载荷16) GUI: Utility Menu | Select | Everything。17) GUI: Utility Menu | Plot | Replot，进行加载。18) GUI: Main Menu | Solution Load Step Opts | Output Ctrls | Solu Printout，出现Solution Printout Controls对话框。如图6-28.图6- 29设置分析输出控制19) 在Item Item for printout controls 下拉列表框中选择Basic quantities,在FREQ Print frequency 单选框中选择Every substep,如图6-28所示,单击OK按钮关闭对话框。20) GUI：Main Menu | Solution | Solve | Current LS命令，出现Slove Current Load Step对话框，同时出现STATUS Command窗口，单击File | Close 命令，关闭该窗口。21) 单击Solve Current Load Step对话框中的OK按钮，ANSYS开始求解计算。22) GUI：Utility Menu | File | Save as命令，出现Save Database对话框，在Save Database to输入框中输入biyesheji.db,保存上述的求解过程，单击OK按钮关闭该对话框。7.6 输出温度场分布图1) GUI：Main Menu | General Postproc | Plot Results | Contour Plot | Nodal Solu，出现Contour Nodal Solution Data对话框。2) 在Item,Item to be plotted单选框中选择DOF solution Temperature TEMP,在KUND Item to be plooted 单选框中选择Def shape only，如图6-29。图6- 30选择图表显示内容3) 单击OK按钮，ANSYS窗口将显示如图6-30所示的温度场分布等值线图。图6- 31刀具温度模拟输出结果4) 选择Utility Menu/ File/ Exit命令，出现Exit from ANSYS对话框，选择Quit-No Save！如图，单击OK，关闭ANSYS。如图6-31.图6-