有限元分析报告.doc

题目名称创新实习报告题目名称 基于Solidworks simulation的潜孔冲击器前接头有限元分析 学 院（系） 机 械 工 程 学 院 专 业 班 级 材料成型及控制工程 0801班 学 生 姓 名 （10） 指 导 教 师 杨雄教授 日 期 2012.2.27 至 2012.3.23 基于Solidworks simulation的潜孔冲击器前接头有限元分析目录1. 有限元分析软件简介22. 潜孔冲击器前接头实物及断口相片53. 潜孔冲击器前接头的基本属性，工作情况，受力情况的分析64. 利用三维画图软件建模75. 利用solidworkd sinulation对零件进行有限元分析145.1 分析原理及步骤5.2 算例属性5.3 单位5.4 材料属性5.5 载荷和约束5.6 载荷5.7 接触5.8 网格信息5.9 反作用力，自由实体力，自由体力矩5.10 算例结果 6.分析结论156.1失效分析6.2提出优化方案6.3对优化方案进行有限元分析6.4分析比较并得出结论7.小结188.参考文献18一有限元分析软件 常用有限元分析软件有限元分析软件目前最流行的有：ANSYS、ADINA、ABAQUS、MSC四个比较知名比较大的公司，其中ADINA、ABAQUS在非线性分析方面有较强的能力目前是业内最认可的两款有限元分析软件，ANSYS、MSC进入中国比较早所以在国内知名度高应用广泛。目前在多物理场耦合方面几大公司都可以做到结构、流体、热的耦合分析，但是除ADINA以外其它三个必须与别的软件搭配进行迭代分析，唯一能做到真正流固耦合的软件只有ADINA。大型三维画图软件也有嵌入的有限元分析软件，虽然功能不如ansys等专业软件强大，但是由于操作界面有中文版，所以应用也比较广泛，尤其是对一些简单零件的有限元分析软件对比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。SolidWorks Simulation的仿真向导，包含以下顾问向导：算例顾问、性能顾问、约束和载荷顾问、连接顾问、结果顾问。 主要分析功能： a)系统及部件级分析 以FEA为例，为了实现有价值的分析，设计的几何部件会需要不同的单元类型，实体、壳、梁、杆进行离散。而且需要充分考虑装配体间的连接关系和接触关系。 其中连接关系的处理尤其重要，涉及到螺栓连接、销钉连接、弹簧、点焊、轴承等非常复杂的连接关系。 b)多领域的全面分析 任何一个产品决计不能仅考虑静强度，必须考虑多领域的问题，比如静强度、动强度、模态、疲劳、参数优化等。图5展示了在统一界面下产品的多领域分析。 c)面向设计者的多场耦合 热-结构、流体-结构、多体动力学-结构等多场分析是目前分析中的一个重要发展方向，他可以解决非常复杂的工程问题。 d)特殊行业及领域的需求 面对很多行业有很多特殊需求，因此需要特殊的CAE模块。例如面对压力容器，需要符合ASME标准的压力容器校核工具；面对电子和消费品领域，需要解决跌落分析的能力。 e)高级分析需求 面对日益复杂的使用环境，必须考虑复合材料、材料非线性、高级机械振动、非线性动力学等高级分析的需求。本零件有限元分析初步选择用SolidWorks Simulation进行分析二、潜孔冲击器前接头实物及断口相片图1 零件断口图2 零件整体结构图图3 零件断口及下半部分图4 潜孔冲击器整体结构图三、潜孔冲击器前接头的基本属性，工作情况，受力情况的分析1.零件材料：40CrNiMo，主要热处理工艺为淬火2.零件机械加工过程如下： 2.1下料 2.2粗车，按粗车图车成 2.3精车大端外圆及内孔，留余量0.8mm 2.4精车小端外圆及内孔，留余量0.8mm 2.5钳修螺纹尾部最小宽度3mm 2.6淬火HRC45-50 2.7表面超音频淬火HRC52-57,淬硬层深度2.5-3.5mm 2.8精车 2.9线切割花键 2.10精整，所有尖角倒钝0.2-0.4mm 2.11打标记3.工作情况分析与受力分析 潜孔冲击器前接头又叫卡钳套，通过螺纹与外套管联接，依靠前接头内花键带动钻头转动工作，工作环境一般为钻炮眼或钻油井中，工作过程中承受钻头的高速冲击和钻杆的低速旋转形成的扭矩，如果材料热处理工艺选择不合理，很容易出现前接头断裂现象4.前接头主要失效形式为：断裂。四利用Solidworks进行实体建模 主要步骤：建模，定义零件材料，生成零件图 图5 零件整体三维结构图图6 零件图五利用Solidworkd simulation对零件进行有限元分析 Solidworkd simulation有限元分析原理及步骤： Solidworkd simulation的核心思想是结构的离散化，就是将实际结构假想地离散为有限数目的规则单元组合体，将求解域看成是由许多称为有限元的小的互相连接的子域组成，对每一个单元假定一个合适的近似解，然后推导求解这个满足条件的解，从而得到问题的解。在应用Solidworkd simulation时，须遵循以下步骤：（1） 建立数学模型Simulation分析从Solidworkd 零件或装配体模型的几何体开始。几何体必须能够被正确的，适度的有限元单元所划分，对于小的概念，并不是表示风格中单元的数量。有时需要对CAD几何体进行修改以满足网格划分的要求，这种修改可以采取消除细节，理想化或清除等方法（2） 建立有限元模型通过离散化过程，将数学模型部分成有限单元，这一过程称为网格划分。离散化在视觉上既是将几何体划分为网格。然而，载荷和支撑在网格完成后也需要离散化，离散化的载荷和支撑将施加到有限单元网格的节点上。（3） 求解有限元模型创建了有限单元模型后，使用Simulation的求解器来得出一些感兴趣的数据。（4） 结果分析结果分析是最困难的一步，有限元分析提供了非常详细的数据，这些数据可以用各种格式表达，对结果的正确解释需要熟悉和理解各种假设，简化约定，以及在前面三步中产生的误差。Simulation有限元分析过程：1. 新建材料库,并定义零件材料为40crnimo图7 材料库及材料属性参数2.利用solidworks中的有限元分析插件simulation进行分析添加约束，模拟工作时的受力过程图8 给零件添加约束添加载荷：分析零件工作时受力过程，进行模拟分析（a）添加力，即零件在工作时受到钻头给它的冲击力(b) 添加扭矩，即添加零件在工作时受到的扭矩图9 添加载荷3划分网格图10 划分网格4.运行分析结果4.1应力分析结果：最大应力为1887643904N/m2，超过许用屈服应力980000000 N/m2危险部位（应力最大处）图11 应力分布图运行结果显示在此受力下，零件部分位置受力较大已经过载，如图红色部分受力最大最易破坏4.2在最危险部位进行探测（各部位受力大小）图12 探测位置图图13 探测结果曲线图5.位移图解，显示最大位移位置图14 位移分布图探测显示零件最大位移位置，最大位移数值及位移变化图15 位移分布及曲线图6.应变图解图16 应变分布图图17 探测应变变化曲线图7.疲劳检测图18 零件疲劳检测图图中红色部位为疲劳部位利用分析软件导出的数据参数：表1 算例属性算例名称算例 1分析类型Static网格类型:实体网格解算器类型FFEPlus平面内效果: 关闭软弹簧: 关闭惯性卸除: 关闭热力效果: 输入温度零应变温度298.000000单位Kelvin包括 SolidWorks Flow Simulation 中的液压效应关闭摩擦: 关闭为表面接触忽略间隙关闭使用自适应方法: 关闭表2：单位单位系统:公制长度/位移mm温度Kelvin角速度rad/s应力/压力N/m2表3：材料属性号数实体名称材料质量体积1SolidBody 1(旋转3)40crnimo17.1025 kg0.00217866 m3材料名称:40crnimo说明:合金钢材料来源:材料模型类型:线性弹性同向性默认失败准则:最大 von Mises 应力应用程序数据:属性名称数值单位数值类型弹性模量2.09e+011N/m2恒定泊松比0.28NA恒定抗剪模量7.9e+010N/m2恒定质量密度7850kg/m3恒定张力强度1.1008e+009N/m2恒定屈服强度9.8e+008N/m2恒定热扩张系数1.1e-005/Kelvin恒定热导率14W/(m.K)恒定比热440J/(kg.K)恒定表5 夹具约束名称选择组说明固定-1 于 1 面 固定。 表6：载荷载荷名称选择组装载类型说明力-1 于 1 面 应用法向力 50000 N使用均匀分布 按序装载扭矩-1 于 10 面 应用力矩60000 N-m 相对于所选参考 基准轴1使用均匀分布 按序装载接触相触状态：接触面 - 自由 表7 网格信息网格类型:实体网格所用网格器: 标准网格自动过渡: 关闭光滑表面: 打开雅可比检查: 4 Points 单元大小:12.966 mm公差:0.64832 mm品质:高单元数:19617节数:33489完成网格的时间(时;分;秒): 00:00:11计算机名:SUIFENGJIANG-PC表8 反作用力选择组单位总和 X总和 Y总和 Z合力整个实体N-1689.49-50090-1570.9450143.1自由实体力选择组单位总和 X总和 Y总和 Z合力整个实体N-0.956299-0.116562-1.190351.53135自由体力矩选择组单位总和 X总和 Y总和 Z合力整个实体N-m0001e-033表9 算例结果名称类型最小位置最大位置应力1VON:von Mises 应力3.7655e+006 N/m2节: 18999(-22.4921 mm,-84.8913 mm,56.5006 mm)7.20025e+009 N/m2节: 33253(52.1559 mm,23.5402 mm,-65.9093 mm)位移1URES:合位移0 mm节: 1651(62.7317 mm,-93.31 mm,-78.2021 mm)1.89516 mm节: 16501(-36.9247 mm,151.705 mm,51.0067 mm)应变1ESTRN :对等应变1.59577e-005 单元: 15131(77.167 mm,-86.5473 mm,-41.567 mm)0.0232375 单元: 1689(53.1434 mm,23.565 mm,-64.6948 mm)六分析结论如图11示应力最大位置受力过大,应力集中,长期作用导致该处疲劳断裂，为改善此处受力，可以将此处附近过渡形式改为圆弧过渡，针对出现的断裂问题对潜孔冲击器作了改进，如图19所示132图19 优化后零件图321图20 失效零件（1） 图19，图20所示1处过渡由30度的倒角过渡改为R6的圆弧过渡，减小应力集中；（2） 将双螺纹长度由133.39mm减小为127mm,以增大受力部位到应力集中部位的距离，减小此处破坏的可能性;（3） 将2处长度尺寸由35.26mm改为33mm，以增大受力面积，减少应力集中区域及破坏可能性;优化：优化后零件有有限元分析结果：图21 优化后零件的应力分析结果图图22 优化后零件的位移分析结果图图23 优化后零件的应变分析结果图结果对比：表10 应力位移应变极限值名称类型最大值位置最小值位置应力/PaVON:von-Mises应力旧新旧新旧新旧新1887643904820348800距下端面112mm距下端面118.5mm44378944237905顶端顶端位移/mm对等位移6139e-0014.031e-001距下端面247mm距下端面245mm1.000e-0301.000e-030底端底端应变ESTPN：对等应变6.051e-0032.557e-003距下端面112mm距下端面118.5mm3.980e-0054.258e-005顶端顶端由极限值表可以看出，零件在经过优化后，应力，位移，应变相应降低，受力情况得到改善，由图7材料库知潜孔冲击器所用材料为40CrNiMo，材料屈服极限为980MPa，改善后最大应力值为820348800Pa，位移极值由6139e-001减小到4.031e-001，最大应变由6.051e-003减小到2.557e-003，分析结果与实际想要结构相符，说明改进方法可行。七小结 这次的创新实习其实是一个解决实际问题的过程，即分析潜孔冲击器前接头的失效，通过三维建模并对其进行有限元分析，初步分析零件的结构，并提出优化方案，通过硬度实验了解零件材料的综合性能，成份分析实验了解零件的各种化学成份及其含量，金像实验观察零件内部组织，进而进一步分析其失效形式，最后综合这些分析和实验结果提出最终优化方案，整个过程新鲜复杂而又富有挑战，让我们受益