毕业设计（论文）-钻夹头夹爪螺母设计与强度分析.doc

河南理工大学本科毕业设计 论文 I 摘摘 要要 随着有限元理论的不断发展和成熟 以及计算机处理能力的不断提高 有限元 分析方法已经广泛应用于机械设计的各个领域 已成为计算机辅助设计系统的重要 组成部分 一些大型通用和专用的有限元软件也相继投入实际应用 本文采用结构参数化设计方法建立了含有复杂螺旋曲面特征的钻夹头参数化有 限元模型 探讨和解决了钻夹头夹紧强度分析中夹爪与螺母接触分析参数的选择 约束边界和载荷处理 分析流程文件创建等关键技术问题 综合运用 ANSYS 提供的 二次开发语言 APDL 建立钻夹头夹爪螺母有限元强度接触分析模型 并利用该模 型对钻夹头进行了强度分析 为避免重复工作和提高分析效率 本文结合 ANSYS 提供的二次开发参数化设计 语言 APDL 实现了对有限元分析软件 ANSYS 命令流的调用 解决了通用程序与专业 需求之间的矛盾 完成了钻夹头有限元参数化程序分析 对钻夹头的强度性能进行 了分析和仿真 模拟钻夹头实际生成过程中的性能测试试验 探讨加工误差引起的 不同装配角度等参数对钻夹头强度性能的影响 关健词关健词 有限元 钻夹头强度分析 有限元建模 接触分析 参数化设计 APDL 河南理工大学本科毕业设计 论文 II ABSTRACT Along with the development of computer technology the method of FEM Finite Element Method is used to the analysis and calculation of engineering comprehensively which occupies an important part in Computer Aided Engineering CAE Some finite element analysis software has been inputted into the practical project applications Based on the idea of the structure parametric design method the parametric finite element model of drill chuck with complicated spiral surface character was established The related key technologies of drill chuck s strength analysis were discussed and solved such as the contact analysis parameters selection the boundary conditions and the load processing ANSYS command 一一 string building and so on A high efficiency drill chuck strength analysis system was developed by using APDL that is a secondary development parameter design language provided by ANSYS The results of an actual drill chuck strength analyzed by The de veloped system are more coincident with those achieved in experiment In order to avoid repeating job in the most extent and improve efficiency of design using the idea of structure parametric design Based on APDL the FEA drill chuck model can be easily created by adjust several geometric parametric and the process of FEA is automatically executed This paper discusses the affections of different parameters for the stress capability of drill chuck The high efficiency drill chuck strength analysis system can help designer develop new products Keywords FEA Strength analysis of drill chuck Finite element modeling Contact analysis Parametric design APDL 河南理工大学本科毕业设计 论文 III 目录目录 摘 要 III ABSTRACT III 第一章 绪 论 1 1 1 钻夹头概述 1 1 2 选题背景和研究意义 2 1 3 有限元分析法在工程结构分析中的应用 4 1 4 参数化技术及其在有限元领域的应用 5 1 5 本文的主要研究工作 8 第二章 ANSYS 简介以及 ANSYS 分析系统概述 8 2 1 ANSYS 及其参数化设计语言简介 8 2 1 1 有限元分析软件 ANSYS 概述 9 2 1 2 ANSYS 软件的组成与特点 9 2 1 3 ANSYS 的二次开发功能 12 2 2 ANSYS 分析系统概述 14 2 2 1 ANSYS 分析过程 14 2 2 2 ANSYS 软件的主要模块介绍 15 2 2 3 ANSYS 的操作方式 19 2 3 本章小结 19 第三章 钻夹头夹爪螺母参数化有限元建模 20 3 1 参数化有限元技术 20 3 1 1 参数化设计方法及分类 20 3 1 2 参数化有限元分析简介 22 3 1 3 参数化前处理过程 24 3 1 4 参数化后处理过程 29 3 2 钻夹头夹爪螺母参数化有限元建模 30 3 2 1 几何特征参数化 30 3 2 2 建立螺母实体模型 32 3 2 2 1 建立螺旋线 32 3 2 2 2 建立螺母 34 3 2 3 建立夹爪实体模型 35 3 2 4 网格划分 37 3 3 本章小结 39 河南理工大学本科毕业设计 论文 IV 第四章 钻夹头夹爪螺母强度分析 40 4 1 钻夹头夹爪螺母三维接触分析 40 4 1 1 钻夹头夹爪螺母接触分析模型 40 4 2 钻夹头夹爪螺母强度分析 47 4 2 1 边界条件的设定 47 4 2 2 不同工况下载荷施加 49 4 2 3 强度分析实常数设置 51 4 2 4 加工误差对接触分析应力的影响 52 4 3 结果对比 54 4 4 本章小结 54 第五章 总结 54 5 1 论文总结 54 5 2 工作展望 55 参考文献 56 致 谢 57 附 录 58 河南理工大学本科毕业设计 论文 1 第一章第一章 绪绪 论论 钻夹头是电动工具手电钻和机床台钻上常用的配件 主要用于夹紧钻头进行钻 孔加工 其关键零部件主要由钻体 夹爪和螺母等组成 夹爪和螺母的强度对钻夹 头的使用性能和寿命都有重要的影响 对其进行强度分析十分必要 1 11 1 钻夹头概述钻夹头概述 目前国内电动工具及机床附件行业迅速发展 出口量连年递增 而电钻系列是 这一行业发展比较迅猛的产品之一 作为电动工具手电钻和机床台钻上主要部件的 钻夹头的需求量也在不断增大 钻夹头关键零部件主要有外套 钻体 螺母 夹爪 扳轮 扳柄等 钻夹头实现夹紧功能的原理和结构都相对比较简单 一般通过螺纹 传动来实现夹紧功能 其结构如图 1 1 所示 图中 a 和 b 分别为手紧式和扳手式钻 夹头示意图 从国外标准来看 DIN ISO 10887 2003 Key type three jaw drill chucks 是比较全面和先进的钻夹头标准 这个标准将钻夹头按用途不同分为三种 型式 H 型 重型钻夹头 主要用于钻床和重负荷加工 M 型 中型钻夹头 主要用于手持式工业用电钻和便携式工具 L 型 轻型钻夹头 主要用于家用钻 具和轻负荷加工 每种型式的钻夹头都有多种联接方式 如锥孔联接和螺纹孔联接 另外 按照结构形式的不同 通常又分为扳手式钻夹头 手紧式钻夹头和自紧式钻 夹头等 常用的扳手钻夹头结构如图 1 1b 所示 其上的齿圈是主要的受力件之一 当用扳手带动含有锥齿的螺母时 内孔的锥形螺纹通过螺纹传动 则带动夹爪在钻 体孔内上下运动 从而实现对工件的夹紧 齿形和内螺纹承受相当的负荷并受到冲 击 钻夹头关键零部件夹爪和螺母螺纹强度 以及扳轮扳柄对钻夹头的夹紧和使用 性能都有很大的影响 夹爪和螺母螺纹之间的面面接触 以及夹爪和钻头直接的接 触磨损与振动 加工制造误差引起的装配角度不同等都会对钻夹头的夹紧性能有一 河南理工大学本科毕业设计 论文 2 定的影响 通常企业通过制造昂贵的物理样机和性能测试来检验钻夹头的使用性能 如落锤实验 跌落测试 超扭力测试等 在钻夹头的研究方面 大部分是集中于开发新的工艺和生产方法上面 而很少 涉足于对钻夹头结构强度分析以及使用过程中夹紧力性能进行分析的 文献 1 2 对钻夹头齿圈粉末冶金产品的开发分析 讨论了粉末冶金结构件开发中遇到的一些 问题和处理方法 并比较了将粉末冶金用于齿圈生产的几种工艺方案 文献 3 根 据钻夹头的工作原理 对其进行了力学分析和计算 分析了一些参数对钻夹头夹紧 力和输出夹紧力矩的影响 纵观近年来国内外钻夹头的发展 可以看出 在夹紧原 理上并没有新的突破 但在传动方式和总体结构上采用了一些新方法和新工艺 a 手紧钻夹头 b 扳手钻夹头 图1 1 钻夹头结构图 1 钻体 2 前套 3 螺母 4 夹爪 5 挡圈 6 轴承 7 螺母套组件 8 后套 9 装饰套 1 21 2 选题背景和研究意义选题背景和研究意义 钻夹头工作原理和结构相对比较简单 通过螺纹传动实现夹紧功能 对于扳手 河南理工大学本科毕业设计 论文 3 钻夹头 其上的齿圈 夹爪和扳手等是主要的受力件 目前钻夹头的设计主要采用 传统的设计方法 即按规范设计 经验设计 实验设计 常做的钻夹头性能测试实 验主要有落锤实验 跌落测试 超扭力测试 冲击实验等 实验的主要目的是检验 螺母 夹爪螺纹有无断裂 扳手以及扳手齿圈有无出现断齿 即检验关键零部件的 强度是否满足设计要求 根据钻头是否脱落 松动 检验钻夹头的夹持能力 实验 方法要求设计人员必须制造出不同的实验产品 然后进行测试和评估 通过实验查 找设计中的不足并不断的改进 其周期比较长 人为因素以及实验的随机性和误差 等不可确定性因素比较多 使实验的正确性和成功率难以得到保证 另外实验和模 型的费用也比较昂贵 CAE 即计算机辅助工程 在产品设计过程中根据提出的产品原型建立相应的 计算机仿真模型和虚拟工作环境 利用计算机仿真程序检验产品的各种功能特性 测试产品能否实现预期的功能 通过对工程和产品进行加工 性能和安全可靠性的 模拟 可以及早发现设计缺陷 快速对新设计进行校核 便于方案比较 在某种程 度上可以代替昂贵的物理样机制造 利用仿真分析技术作为产品钻夹头设计的辅助 设计 系统分析研究的重要手段 可以进行开发前期的全面评价 将设计错误和设 计缺陷尽量在产品设计阶段消除 随着有限元理论的不断发展和高性能计算机的普 及 CAE 技术得到了广泛的应用 其理论基础主要是有限元 边界元法等现代计 算力学方法 有限元方法己成为应用最广泛 最有效的数值方法之一 有限元法的 主要优点是物理概念清晰 容易理解和掌握 适用性强 应用范围广泛 许多复杂 的工况和边界条件都可灵活地加以考虑 常用的有限元分析软件有 ANSYS MSC NASTRAN ABAQUS ALGOR 等 在众多通用和专用有限元软件中 ANSYS 是最为通用和有效的商用有限元软件之一 用户也最为广泛 大多数有限 元分析软件都提供了友好的用户界面 强大的计算分析功能和前后处理功能 并与 多种图形软件提供了接口 如 UG I DEAS CATIA PRO E 等 有的软件还为用户提 供了二次开发接口 方便用户开发适用于本专业的专用有限元分析模板 河南理工大学本科毕业设计 论文 4 然而 采用通用有限元软件对钻夹头进行结构分析还存在着很多问题 例如有 限元建模的参数化程度不高 生成的模型不便于修改 通用有限元程序由于其复杂 性不易被快速掌握 这在一定程度上影响了通用有限元程序的应用普及 在结构有 限元分析过程中 首要的任务是根据结构的物理模型建立离散化的有限元模型 即 有限元建模或前处理 有限元建模是有限元分析所必须的数据前置处理过程 也是 有限元方法在实际应用中的主要困难 经有限元模型的建立和数据输入 即前处理 约占有限元分析各阶段所用时间的 40 50 分析结果的判读和评定 即后处理 约 占 50 55 而分析计算只占 5 左右 对于同类型的钻夹头模型 其在结构上形 式相似 在结构尺寸上形成了一个系列 对于这类设计任务 在进行有限元结构分 析中 如果逐一地进行建模与分析 重复工作量将相当庞大 也无谓地延长了设计 周期 影响到设计分析的效率 另外 钻夹头的设计常需要反复进行 设计 建模 分析 修改设计 再建模 再分析 的过程 对于重复进行的再分析 存在着大 量的重复性工作 影响设计分析效率 为克服这些问题 在有限元建模和分析过程 中 利用结构参数化设计思想 使有限元建模和分析以及结果后处理实现参数化 APDL 是对 ANSYS 进行定制和二次开发的基础 作为一种解释性语言 可以用来 自动完成一些通用性强的任务 1 31 3 有限元分析法在有限元分析法在工程结构分析中工程结构分析中的应用的应用 近几十年来 结构有限元分析法在CAE工程中应用越来越广泛 例如在汽车行 业 航空航天等都得到了广泛的应用 有限元分析软件在结构分析上的应用 可以 帮助我们明确结构性能 为确定理想的设计方案提供基础 从60年代开始 有限元 结构分析软件逐步由原来专用的程序发展成大型 通用的有限元结构分析系统 相 继出现了许多结构分析软件 这些软件功能越来越完善 不仅包含多种条件下的有 限元分析程序而且带有功能强大的前处理和后处理程序 由于使用方便 计算精度 高等特点 有限元分析计算结果已成为各类工程结构分析的可靠依据 在汽车结构分析中 由于有限元法能够解决结构形状和边界条件都非常任意的 河南理工大学本科毕业设计 论文 5 力学问题的独特优点而被广泛使用 各种汽车结构件都可应用有限元法进行静态分 析 固有特性分析和动态分析 并且从原来对实际问题的静态分析为主转化为要求 以模态分析和动态分析为主 具体主要体现在 能够在汽车设计中对所有的结构件 及主要机械零部件进行刚度 强度 稳定性分析 在汽车的计算机辅助设计和优化 设计中 可以用有限元法作为结构分析的工具 对汽车结构进行模态分析 可以在 计算机上直观地再现各构件的振动模态 计算出各构件的动态响应 较真实地描绘 出动态过程 为结构的动态设计提供方便有效的工具 另外 汽车碰撞过程的计算 机模拟是一个难度很大的非线性工程计算问题 这也是有限元分析在汽车结构应用 上的重要内容之一 在航空工业领域 结构分析软件得到了广泛的应用 可以分析飞机整机结构性 能 也可以分析飞机零部件的结构性能 从整机模型分析到零件分析都可以使用有 限元方法 分析的目的主要是确定由外部环境引起的载荷在飞机结构内部的分布情 况 随着有限元分析技术和计算机硬件技术的发展 有限元的应用得到了极大的扩 展 其发展的趋势和特点主要体现在 应用领域越来越宽 软件功能越来越强 从 单一的CAE功能转向CAD CAE CAT一体化 尤其是设计 分析一体化 专业融合 把 分析 CAE 与试验 CAT 结台在一起使用 形成一种更为广泛的 广义CAE 技术 通常设计者常用一些理想化的方法来进行大规模的结构分析工作 而理想化的 东西会带来很多错误 一些特别重要的区域涉及到结构动力学 如碰撞 振动 以 及声场分析 建立这些问题的模型很困难 而且在多数情况下 其工况的描述也是 困难的 一些局部特性如螺栓节点 耦合节点 钻孔公差 接头等 每一种工况都 有其复杂性 如何合理有效地将这些小范围的工况引进较大规模的分析中去 更加 完整地表达一个结构 是研究的一个难点 1 41 4 参数化技术及其在有限元领域的应用参数化技术及其在有限元领域的应用 参数化建模包涵面很广 通常主要是指参数化造型 它是一种使用重要几何参 河南理工大学本科毕业设计 论文 6 数快速构造和修改几何模型的造型方法 这些重要的几何参数包括控制形体大小的 尺寸和定位形体的方向矢量等 参数化建模包括由应用软件生成的图形具有参数化 的功能 具体可理解为图形的所有尺寸是参数化的 可以动态修改 参数化建模是 实现分析计算自动化的主要手段之一 现今比较成熟的参数化方法主要有以下几种 1 编程参数化方法 这是实现参数化设计的一种最简单的方法 通过分析模型 的特点 确定各尺寸之间的数字关系 给定输入参数 然后确定其它参数的值 并 用高级语言在CAD系统中加以实现 这种方法明显的缺点就是参数的数目和范围受 到很大的限制 而且模型一旦建立完成 它便不能够被修改 改变模型的唯一方法 就是再次运行程序 建立新的模型 2 人机交互参数化 主要有基于几何约束的变量几何法 基于几何推理的人工 智能方法 基于构造过程的参数化方法 基于辅助线的参数化方法 基于图形的参 数化方法等几种 近年来国内的一些机构和单位对参数化的研究也取得了较大的进展 并自主开 发了一些较高水平的商品化软件 如北京航空航天大学的金银花CAD软件 对参数 化的理论研究也有了较深入的进展 如浙江大学机械所潘双夏 张帅 冯培恩提出 的基于工程约束的参数化设计 将参数化设计从几何层面提高到工程领域 使之真 正面向工程设计 华中科技大学程才 王启付提出的基于知识的参数化建模方法研 究等 在有限元应用领域 参数化技术的使用还是比较有限和局部的 多数的应用都 集中在有限元建模参数化建模方面 主要的应用方向为用参数化技术解决形状优化 中设计模型的自动生成问题 阻碍有限元参数化从理论走向工程应用的一个主要困 难就是缺乏有效地自动生成及更新设计模型 Botkin将这一困难归结为两个方面 一方面比较缺乏对设计模型几何特征的参数化描述手段 另一方面是全自动的网格 生成器还不够完善 随着CAD和CAE技术的发展 上述两方面的难点逐渐得以解决 一些全自动的设计模型生成方法也得到相应的提出 河南理工大学本科毕业设计 论文 7 随着几何造型软件和有限元分析软件的相互融合 模型数据在软件之间的交换 问题已得到比较好的解决 如ANSYS与PROE之间等可以实现比较好的数据传递 目 前 一些通用有限元软件为有限元模型的参数化提供了功能全面的二次开发工具和 开放式的开发环境 如ANSYS的提供的APDL语言 MSC PATRAN的提供的PLC语言 它们类似C FORTAN语言 可供用户开发自编程序 完成有限元计算的参数化 一 般有限元分析过程包括三部分 即前处理 建立几何模型 定义材料 网格划分 载荷及边界加载 求解计算和后处理 结果查看 显示变形及应力值等 在ANSYS 软件中建立的有限元分析模型往往是单向式建模 即模型一旦建成 便不能进行的 修改 在求解完之后就没什么用处了 即使遇到下一个计算模型很类似 也必须得 重新建模 造成了时间和精力的浪费 针对结构相似的模型 如果能利用参数化设 计思想 提炼模型的参数 使得能够通过修改其中的参数 就能建立不同的模型 可以提高建模效率 在计算机辅助设计 制造及仿真领域即CAD CAM CAE 参数化技术的发展和应 用都很快 是当前该领域的研究重点 通常有限元软件都自带有几种开发工具或提 供接口 也可以利用其他开发工具 如Visual C Visual Basic NET Visual Fortran等进行二次开发 利用二次开发编写的软件包 不仅能实现有限元分析的 参数模块化 而且具有操作界面简单易用 对使用人员的专业知识要求也有降低 方便非专业人士的使用 国内外有相当多领域机构和个人进行了该方面的研究与开发应用 这种方法避 免了大量重复的有限元建模与前 后处理操作 明显提高了产品设计效率 综上所述 在有限元分析中采用参数化有限元和模块化技术 能有效地减少计 算工作量 并能保证较好的计算精度 并且通过编写用户界面 使专业程度较高的 有限元计算过程只需在简单的界面上填写参数就能实现有限元分析 大大方便了非 专业人员地使用 河南理工大学本科毕业设计 论文 8 1 51 5 本文的主要研究工作本文的主要研究工作 本文以钻夹头为对象 开发方便易用的钻夹头强度分析系统 辅助企业设计人 员进行相关设计和分析 使用户不必掌握 ANSYS 软件就可以很方便地使用 ANSYS 进 行分析 主要工作包括以下几个方面 1 对钻夹头夹爪螺母进行有限元强度分析 探讨因加工误差引起的不同装配 角度等因素对钻夹头结构强度和夹紧性能的影响 分析实际工作中夹紧力不足产生 的原因 2 采用参数化有限元技术建立含有复杂螺旋曲面特征的钻夹头参数化有限元 模型 解决夹爪与螺母接触分析参数选择 约束边界和载荷处理 分析流程文件创 建等关键技术问题 针对钻夹头的结构特点 进行合理简化提炼模型参数 采用 ANSYS提供的二次开发语言APDL语言编写模型的各个模块 主要包括几何模型 材 料定义 网格划分 求解和后处理等模块 3 建立钻夹头接触分析模型时为了简化问题 针对不同的强度性能实验测试 建立对应的合理简化模型 对于钻夹头模型几何特征参数 利用ANSYS有限元分析 软件提供的二次开发语言APDL 建立钻夹头关键零部件夹爪螺母的参数化有限元模 型 针对具体的实验模型 确定边界条件 建立与实验相符的有限元计算模型 第二章第二章 ANSYSANSYS 简介以及简介以及 ANSYSANSYS 分析系统概述分析系统概述 2 12 1 ANSYSANSYS及其参数化设计语言简介及其参数化设计语言简介 ANSYS软件拥有丰富和完善的单元库 材料模型库和求解器 保证了它能高效 地求解各类结构的静力 动力 振动 线性和非线性问题 稳态和瞬态热分析及热 结构耦合问题 压缩和不可压缩的流体问题 其友好的图形界面和程序结构 交互 式的前后处理和图形软件 大大地减轻了用户在实际工程问题中创建模型 有限元 河南理工大学本科毕业设计 论文 9 求解以及结果分析和评价的工作量 它的统一集中式的数据库保证了各模块之间的 有效可靠地集成 并实现了与多个CAD CAE软件的友好连接 2 1 12 1 1 有限元分析软件有限元分析软件 ANSYSANSYS 概述概述 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 Alogor I DEAS AutoCAD 等 是现代产品设计中的高级 CAD 工具之一 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 2 1 22 1 2 ANSYSANSYS 软件的组成与特点软件的组成与特点 1 1 组成 组成 1 用户界面 尽管 ANSYS 程序功能强大 涉及范围广 但它友好的图形用户界面 GUI 及其优秀的程序构架使其易学易用 该程序使用了基于 Motif 标准的易 于理解的 GUI 通过 GUI 可方便地交互访问程序的各种功能 命令 用户手册和参考材料 河南理工大学本科毕业设计 论文 10 并可一步一步地完成整个分析 因而使 ANSYS 易于使用 同时 该程序提供 了完整的在线说明和状态途径的超文本帮助系统 以协助有经验的用户进行高级 应用 图 2 1 ANSYS 用户界面 在用户界面中 ANSYS 程序提供了四种通用方法输入命令 菜单 对话框 工具杆 直接输入命令 菜单由运行 ANSYS 程序时相关的命令和操作功能组成 位于各自的窗口中 ANSYS 命令根据其功能分组 保证了用户快速访问到合适的命令 ANSYS 共 有七个菜单窗口 具体包括 实用菜单 主菜单 输入窗口 图形窗口 输出窗 口 工具杆 对话框 2 图形 完全交互式图形是 ANSYS 程序不可分割的组成部分 图形对于效验前处理 河南理工大学本科毕业设计 论文 11 数据和在后处理中检查求解结果都是非常重要的 ANSYS 的 PowerGraphics 能够迅速完成 ANSYS 几何图形及计算结果的显 示 在于其几何图形是以对象而不是以需重新组合的数据来贮存的 PowerGraphics 的显示特性保证了单元和等值线的显示 并且既可用于 p 单元也 可用于 h 单元 PowerGraphics 的显示特性加速了等值面显示 断面 覆盖 Q 切 片显示以及在 Q 切片中的显示 3 处理器 图 2 2 ANSYS 集中式数据库关系图 ANSYS 按功能分为若干个处理器 包括一个前处理器 一个求解器 两 个后处理器 几个辅助处理器如设计优化器等 ANSYS 前处理器用于生成有限 元模型 指定随后求解中所需的选择项 ANSYS 求解器用于施加载荷及边界条 件 然后完成求解运算 ANSYS 后处理器用于获取并检查求解结果 以对模 型做出评价 进而进行其他感兴趣的计算 4 数据库 ANSYS 程序使用统一的集中式数据库来储存所有模型数据及求解结果如图 2 2 模型数据 包括实体模型和有限元模型 材料等 通过前处理器写入数据库 Graphics Displays 河南理工大学本科毕业设计 论文 12 载荷和求解结果通过求解器写入数据库 后处理结果通过后处理器写入数据库 数据一旦通过某一处理器写入数据库中 如需要 即可为其他处理器所用 5 文件格式 文件可用于将数据从程序的一部分传输到另一部分 存储数据库以及存储程序 输出 这些文件包括数据库文件 计算结果文件 图形文件等等 2 2 特点 特点 ANSYS程序是一个功能强大的设计分析及优化软件包 其特点主要体现在 1 数据统一 ANSYS使用统一的数据库来存储模型数据及求解结果 实现前后 处理 分析求解及多场分析的数据统一 2 强大的建模能力 3 强大的求解功能 ANSYS提供了数种求解器 用户可以根据分析要求选择合 适的求解器 4 强大的非线性分析功能 ANSYS具有强大的非线性分析功能 可进行几何非 线性 材料非线性及状态非线性分析 5 智能网格划分 ANSYS具有智能网格划分功能 根据模型的特点自动生成有 限元网格 6 良好的用户开发环境 允许用户在 ANSYS 系统上进行二次开发和扩展新的 用户功能 包括在用户程序中调用 ANSYS 系统 开发新的用户单元 在 ANSYS 系统 中调用用户子程序 建立用户蠕变准则等等 2 1 32 1 3 ANSYSANSYS的二次开发功能的二次开发功能 标准ANSYS程序是一个功能强大 通用性好的有限元分析程序 同时它还具 有良好的开放性 用户可以根据自身的需要在标准ANSYS版本上进行功能扩充和 系统集成 生成具有行业分析特点和符合用户需要的用户版本的ANSYS程序 开 发功能包括三个组成部分 1 1 参数化设计语言参数化设计语言 APDL APDL 河南理工大学本科毕业设计 论文 13 参数化设计语言实质上由类似于FORTRAN 的程序设计语言部分和1000多条 ANSYS命令组成 其中 程序设计语言部分与其它编程语言一样 具有参数 数组 表达式 函数 流程控制 循环与分支 重复执行命令 缩写 宏以及用户程 序等 标准的ANSYS程序运行是由1000多条命令驱动的 这些命令可以写进程序 设计语言编写的程序 命令的参数可以赋确定值 也可以通过表达式的结果或参数 的方式进行赋值 从ANSYS命令的功能上讲 它们分别对应ANSYS分析过程中的 定义几何模型 划分单元网格 材料定义 添加载荷和边界条件 控制和执行 求解和后处理计算结果等指令 用户可以利用设计语言将ANSYS命令组织起来 编写出参数化的用户程序 从 而实现有限元分析的全过程 即建立参数化的CAD模型 参数化的网格划分与 控制 参数化的材料定义 参数化的载荷和边界条件定义 参数化的分析控制和求 解以及参数化的后处理 宏是具有某种特殊功能的命令组合 实质上是参数化的用户小程序 可以当作 ANSYS的命令处理 可以有输入参数或没有输入参数 缩写是某条命令或宏的替代名称 它与被替代命令或宏存在一一对应的关系 在ANSYS中二者是完全等同的 但缩写更符合用户习惯 更易于记忆 减少敲击键 盘的次数 ANSYS工具条就是一个很好的缩写例子 2 2 用户界面设计语言用户界面设计语言 UIDL UIDL 标准ANSYS交互图形界面可以驱动ANSYS命令 提供命令的各类输入参数接口和 控制开关 用户在图形驱动的级别上进行有限元分析 整个过程变得直观轻松 用户图形界面设计语言 UIDL 就是编写或改造ANSYS图形界面的专用设计语言 主 要完成以下三种图形界面的设计 主菜单系统及菜单项 对话框和拾取对话框 帮助系统 河南理工大学本科毕业设计 论文 14 通过用户界面设计语言 UIDL 用户可以在扩充ANSYS功能的同时建立起对应 的图形驱动界面 如在主菜单的某位置增加菜单项 设计对应的对话框 拾取对话 框 实现参数的输入和其它程序运行的控制 同时提供相应的联机帮助 使操作者 能方便地获取系统帮助 3 3 用户程序特性用户程序特性 UPFs UPFs 用户程序特性 UPFs 向用户提供丰富的FORTRAN77用户程序开发子程序和函数 用户利用它们从开发程序源代码的级别上扩充ANSYS的功能 使用这些子程序和函 数 编写用户功能的源代码程序 在与ANSYS版本要录匹配的FORTRAN或C 编译器 上重新编译和连接 生成用户版本的ANSYS程序 另外 还提供了外部命令功能 允许用户创建ANSYS可以利用的共享库 2 22 2 ANSYSANSYS 分析系统概述分析系统概述 2 2 12 2 1 ANSYSANSYS 分析过程分析过程 有限元分析是对物理现象 几何及载荷工况 的模拟 是对真实情况的数值 近似 通过对对象划分网格 求解有限个数值来近似模拟真实环境的无限个未知 量 ANSYS 分析过程包括三个主要的步骤 1 创建实体模型及有限元模型 前处理 现在大部分的有限元分析模型都是用实体模型建模 类似 CAD ANSYS 以数学 的方式表达结构的几何形状 用于在里面划分结点和单元 还可在几何模型边界 上方便地施加载荷 但实体模型并不参与有限元分析 所有施加在几何实体上的 载荷或约束最终必须传递到有限元模型上 结点或单元上 进行求解 1 创建或读入几何模型 2 定义材料属性 3 划分网格 结点及单元 2 施加载荷并求解 求解器 河南理工大学本科毕业设计 论文 15 求解器的功能是求解关于结构自由度的联立线性方程组 ANSYS 提供了两个直接 求解器波前求解器 稀疏矩阵求解器 同时 提供了三个迭代求解器 PCG JCG ICCG 两个直接求解器和 PCG 求解器均可用于非线性问题 对于模态 分析 ANSYS 提供了六种不同的特征值提取法 1 施加载荷及载荷选项 设定约束条件 2 求解 3 查看结果 后处理器 ANSYS 有两个后处理器 通用后处理器 POST1 只能观看整个模型在某一时 刻的结果 时间 历程后处理器 POST26 可观看模型在不同时间段或子 步历程上的结果 常用于处理瞬态和 或动力分析结果 1 查看分析结果 2 检验结果 分析流程如图 2 3 所示 图2 3 ANSYS分析过程流程图 2 2 22 2 2 ANSYSANSYS软件的主要模块介绍软件的主要模块介绍 ANSYS软件含有多种有限元的分析能力 包括从简单线形静态分析到复杂非线 提取并分析结果 1 通过位移图 应力图及对应的数值分布 2 重点关注局部的应力极值状态 针对问题 确定以下内容 1 分析类型 结构 流体 热分析等 2 材料属性 弹性模量 泊松比 密度等 3 分析几何尺寸 边界条件 作用载荷 确定实体模型 1 选定单元类型并输入相应材料属性 2 划分单元网格 3 设定边界约束 施加外力载荷 求解 选择求解器 设定载荷步等 后处理 是否合理 前处理 修改数据 根据求解结果确定合理 的结构设计方案 是 否 河南理工大学本科毕业设计 论文 16 性动态分析 ANSYS软件功能的强大与其有着很多的模块应用是分不开的 ANSYS的 模块化结构如图2 4所示 在有限元的分析过程中 程序通常使用以下三个部分 前处理模块 PREP7 分析 求解模块 SOLUTION 和后处理模块 POST1和POST26 前处理模块为一个强大的实 体建模和网格划分工具 通过这个模块用户可以建立自己想要的工程有限元模型 分析求解模块即是对已建立好的模型在一定的载荷和边界条件下进行有限元计算 求解平衡微分方程 包括结构分析 流体动力分析 声场分析 电磁场分析 压电 分析和多物理场的藕合分析 热一应力祸合 流一固藕合以及电一磁一热一应力藕 合 等 后处理模型是对计算结果进行处理 可将结果以等值线 梯度 矢量 粒 子流及云图等图形方式显示出来 也可以用图表 曲线的方式输出 181下面 对 ANSYS软件三种模块的功能进行一下简要的介绍 图 2 4 ANSYS程序的模块化结构 1 1 前处理模块前处理模块 PREP7 PREP7 ANSYS软件的前处理模块主要实现三种功能 参数定义 实体建模和网格划分 1 参数定义 ANSYS程序在进行结构建模的过程中 首先要对所有被建模型的材料进行参数 河南理工大学本科毕业设计 论文 17 定义 包括定义使用单位制 定义所使用单元的类型 定义单元的实常数 定义材 料的特性及使用材料库文件等 在 单 位制 的制定中 ANSYS并没有为分析指定固定的系统单位 除了磁场分 析外 可以使用任意一种单位制 只要保证输入的所有数据都是使用同一单位制里 的单位即可 单元类型的定义是结构进行网格划分的必要前提 ANSYS程序根据所定义的单 元类型进行实际的网格划分 而单元实常数的确定也依赖于单元类型的特性 材料的特性是针对每一种材料的性质参数 例如在对材料进行线性分析的过程 中 首先要知道这种材料的弹性模量和泊松比 在一个分析过程中 可能有多个材 料特性组 每一组材料特性有一个材料参考号 ANSYS通过独特的参考号码来识别 每一个材料特性组 2 实体建模 在实体建模过程中 ANSYS程序提供了两种方法 从高级到低级的建模与从低级 到高级的建模 对于一个有限元模型 图元的等级从低到高分别是 点 线 面和体 ANSYS 程序提供了很多高级图元的建立 如球体 圆柱等 当用户直接构建高级图元时 程序则自动定义相关的低级图元 面 线和点 此外 用户也可以先定义点 线 面 然后由所定义的图元生成体 无论用户采用哪种方式进行建模 都需要进行布 尔操作来组合结构数据 以构建用户想要得到的模型 例如加运算 减运算 相交 删除 重叠和粘贴等 3 网格划分 ANSYS系统的网格划分功能十分强大 使用起来十分便捷 从使用选择的角度 来讲 程序的网格划分可以分为系统智能划分和人工选择划分两种 从网格划分的 功能来讲 则包括四种划分方式 延伸划分 映像划分 自由划分和自适应划分 延伸划分时将一个二维网格延伸成一个三维网格单元 映像网格划分是将一个几何 河南理工大学本科毕业设计 论文 18 模型分解成为几部分 然后选择合适的单元属性和网格控制 分别加以划分生成映 像网格 ANSYS程序提供了六面体 四面体和三角形的映像网格划分 自由网格划 分是由ANSYS程序的网格自由划分器来实现的 通过这种划分可以避免不同组件在 装配过程中网格不匹配带来的问题 自适应网格划分是在生成了具有边界条件的实 体模型以后 用户指示程序自动产生有限元网格 分析 估计网格的离散误差 然 后重新定义网格的大小 再次分析计算 估计网格的离散误差 直至误差低于用户 定义的值或者达到用户定义的求解次数 2 2 求解模块求解模块 SOLUTION SOLUTION 求解模块是程序用来完成对己经生成的有限元模型进行力学分析和有限元求解 的 在此阶段 用户可以定义分析类型 分析选项 载荷数据和载荷步选项 定义分析类型和分析选项 用户可以根据所施加的载荷条件和所要计算的响应来选择分析类型 例如 要 计算固有频率和模态 就必须选择模态分析 在ANSYS程序中 可以进行下列类型 的分析 静态 或稳态 瞬态 调谐 模态 谱 挠度和子结构 另外 有一点要 说明的是 并不是所有分析类型对所有的学科都有效 例如 模态分析对于热力模 型无效 分析选项允许用户自定义分析类型 典型的分析选项是求解的方法 应力硬化 的打开和关闭以及Newton Raphson选择 一般所谓的载荷应该包括边界条件 约束 支承或边界场的参数 和其它外部 或内部作用载荷 载荷步选项是用于更改载荷步的选项 如子步数 载荷步的结束时间和输出控 制 根据所作分析的类型 载荷步选项可有可无 3 3 后处理模块后处理模块 POSTI POSTI和和POST26 POST26 当完成计算以后 可以通过后处理器察看结果 ANSYS程序的后处理包含两个 部分 通用后处理模块 POSTI 和时间历程后处理模块 POST26 通过程序的菜单操 河南理工大学本科毕业设计 论文 19 作 可以很方便地获得求解的计算结果 结构文件的输出形式有图形显示和 数据列表显示两种 1 通用后处理模块 POST1 通用后处理器可以用于查看这个模块或选定的部分模块在某一子步 时间步 的 结果 可以获得等值线显示 变形形状以及检查和解释分析的结果和列表 POST1 也提供了很多其它的功能 包括误差估计 载荷工况组合 结果数据的计算和路径 操作等 通过单击主菜单中的General Postproc可以直接进入到通用后处理模块 2 时间历程后处理模块 POST26 POST26为时间历程后处理模块 可用于查看模型的特定点在所有时间步内的 结果 可获得结果数据对时间 或频率 的关系的图形曲线以及列表 如绘制位移 时间列表 应力 应变曲线等 另外 POST26还具有其它的功能 可以进 行曲线的代数运算 变量之间可以进行加 减 乘 除运算以产生新的曲线 也可 以取绝对值 平方根 对数 指数 以及求最大和最小值等 并且也可以求出曲线 的微积分运算 还能够从时间历程结果中生成谱响应 2 2 32 2 3 ANSYSANSYS的操作方式的操作方式 ANSYS软件有两种操作方式 交互式图形用户界面方式 GUI 和命令流批处理方 式 BATCH 通过GUI方式可以方便地实现交互式访问程序的各种功能 命令 材料 性质和帮助手册 可以一步一步完成整个分析过程 从而使ANSYS操作简便明了 特别适合初学者和简单的工程问题的分析和计算 命令流批处理方式是一种后台工 作方式 批处理文件的编写是通过ANSYS软件自带的一种过程化话言 参数设计语 言 APDL 来实现的 通过APDL语言程序的编写 可以实现整个分析过程的一次性完 成 大大地提高了工作效率 缩短了分析过程中所花的时间 并且用APDL语言的编 写程序易于修改和维护 对于相似的问题进行分析时 只需对程序源文件进行少量 的修改便可以重新使用 2 32 3 本章小结本章小结 河南理工大学本科毕业设计 论文 20 本章首先简要介绍了 ANSYS 软件的组成 特点和三种二次开发功能 以及其分 析过程 主要模块及两种操作方式 本章是第三章 第四章内容的基础 第三章第三章 钻夹头夹爪螺母参数化有限元建模钻夹头夹爪螺母参数化有限元建模 3 13 1 参数化有限元技术参数化有限元技术 将参数化设计与有限元结构分析相结合 实现结构参数调整 自动生成分析模 型并完成有限元结构分析 可以极大地优化产品结构 缩减产品设计周期 提高产 品质量 为了减少烦琐的有限元计算的建模 材料赋值 网格划分及后处理工作 采用参数化的自动建模计算及后处理是近年来有限元分析领域的一个研究重点 3 1 13 1 1 参数化设计方法及分类参数化设计方法及分类 参数化设计是CAD CAE应用领域的一个重要且蓬勃发展的研究方向 40 参数化 设计是指设计对象的结构形状比较定型 用一组参数来约束尺寸的关系 参数化设 计对象的控制尺寸有显然的对应关系 设计结果的修改受尺寸驱动的影响 所以也 称为参数化尺寸驱动 参数化分析是在参数化设计出的几何模型的基础上对其强度 刚度和振动频率等性能进行分析 可以极大地方便模型的设计和修改 显著提高产 品设计的效率和质量 参数化方法的发展由来己久 现在已经提出了许多思路 常见的参数化方法分 成以下的几种 代数法 人工智能法 直接操作法和语言描述法 这几种方法各有 优缺点 前两者建立在图形学知识库应用基础上 而后两者是建立在已有软件的应 用上 也就是通常意义上的基于某一系统的二次开发 对于一般专业产品的设计与 分析 二次开发更为有效 1 代数法 这种方法是把尺寸约束转化为联立方程组 通过求解方程 从而 得到满足尺寸约束的解 所定义的任何尺寸约束均可以作为操作几何形体的参数 修改这些参数求出受影响的约束方程 可以获得满足新定义约束的几何模型 数值 迭代法 符号法 概率约束法与基于遗传和退火算法的参数化设计方法都可归结为 河南理工大学本科毕业设计 论文 21 代数法 PROE系列造型软件采用的也是代数方法思想 该方法难于检查和处理无效 尺寸模式 2 人工智能法 它是通过推理机制逐步构造物体的几何模型 随着人工智能 科学的不断发展 这种方法越来越占主导地位 它使用被存放在库中的一些简单的 规则进行推理 这些规则由条件和结论构成 系统提取约束 把这些约束作为事实 与规则的条件进行匹配 从而推出一些中间结论 再把这些中间结论作为事实继续 推理 最终求出物体的所有特征点 构造出几何图形 人工智能方法是进行参数设 计较好的途径之一 近年来