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叉车主体结构的有限元设计与安全性能分析【优秀机械全套课程毕业设计含SW三维建模及4张CAD图纸】

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关键词：: 叉车主体结构有限元机械设计安全性能机械毕业设计三维建模叉车主体结构的有限元设计与安全性能分析

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叉车主体结构的有限元设计与安全性能分析

叉车主体结构的设计

叉车主体结构的有限元设计与安全性能分析【优秀机械全套课程毕业设计含SW三维建模及4张CAD图纸】

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摘要

叉车是现在人们常用的搬运车辆之一，是成件托盘货物进行装卸、堆垛和短距离运输、重物搬运作业的各种轮式搬运车辆。广泛应用于港口、车站、机场、货场、工厂车间、仓库、流通中心和配送中心等，并可进入船舱、车厢和集装箱内进行托盘货物的装卸、搬运作业，是托盘运输、集装箱运输中必不可少的设备。叉车应用之广泛，使用之频繁，必然引起叉车设计者及叉车使用人员对叉车主体结构和安全性能的重视。

关键词：叉车，强度

Abstract

The link group comprises a connecting rod, the connecting rod cover, connecting rod bushing, connecting rod bearing and rod bolts (or screws). The connecting rod group under gas force piston pin came and its swing and piston reciprocating inertia forces, the magnitude and direction of these forces are cyclical changes. The connecting rod by compression, stretching and alternating load. The connecting rod must have enough fatigue strength and structural stiffness. The fatigue strength is insufficient, often caused by fracture of connecting rod or the connecting rod bolt, resulting in destruction of the major accident. If the lack of rigidity, it will cause deformation of round rod bending deformation and the connecting rod, piston, cylinder, cause partial grinding bearing and crank pin.

Key Words: rice thresher threshing; improved design;

摘要III

AbstractIV

目录V

第1章绪论1

第2章叉车简介2

2.1 叉车工作原理2

2.2 叉车发展状况及部分功能3

2.2.1国内外发展趋势5

2.2.2 防翻架的特性7

2.2.3 顶棚的作用及意义9

第3章叉车结构设计11

3.1 叉车设计13

3.2 叉车配件设计14

第4章有限元分析16

4.1 有限元简介16

4.1.1 有限元强度分析简介16

4.1.2 有限元模态分析简介16

4.2 前处理17

4.3 网格划分19

4.4 边界条件设定21

4.5 强度分析22

4.6 模态分析23

第5章分析结果24

5.1 顶棚分析结论25

5.2 防翻架分析结论25

结论26

参考文献27

致谢28

第1章绪论

目前，世界上所有的叉车在技术上分为欧系派和日系派，欧系派以林德叉车为代表，特点是行走系统采用静压传动，车体采用上下车架组合式，中间有硅阻尼减震器减震，整车具有微动性能好，噪声低，传动精度高的特点。而日系叉车一般以丰田叉车为代表，特点是行走系统采用液力传动，车体为整体式车架，具有传动效率高，制造成本有效控制的特点。

上世纪年代后到2000年前，世界叉车的年销量在40～70万辆左右。叉车作为物流装备，当世界经济平稳运行时，叉车也将随着经济的平稳运行而平稳发展。中国叉车的发展经历了三个阶段。第一阶段从建国开始到1978年，是中国叉车的起源阶段。1953年上海生产了第一台非机动搬运车，1958年沈阳电工机器厂研制了1.5吨电动平衡重式叉车，上世纪60年代，上海交通装卸机械厂研制了首台3吨内燃平衡重式叉车，山西机器厂研制出了首台1吨平衡重式汽油叉车。第二阶段，1978～2000年，是中国叉车行业规范、发展的阶段。1981年北京叉车总厂、大连叉车总厂引进了三菱技术，1985年安徽合力、宝鸡叉车引进了TCM技术。1987年上刚三厂轧制了14号、16号门架C形异型钢。根据日本技术，叉车行业的门架型钢由CC型改为焊接的CJ型。现国内3吨叉车主要的配套机型为490发动机。1995年后叉车质量得到了普遍提高。第三阶段，2001年到现在，这一阶段是中国叉车高速发展的阶段。叉车生产量大大提升。20006年，按照“引进、消化、吸收、创新”的策略，在辽宁宏昌轧钢厂采用OEM的形式，开发出了叉车C、J形门架异型钢，结束了中国没有J型钢的历史，并在此基础上，开发了10个型号的叉车门架异型钢，有力地促进了叉车行业产品质量的提高，也促进了叉车的出口。现在，中国叉车在产品规格型号上，已经基本与国际接轨。叉车起重量的范围达到了0.5～46吨，高度14米，基本接近或达到国际先进水平。

参考文献

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内容简介：: 1 分类号密级宁毕业设计 (论文 ) 叉车主体结构的有限元设计与安全性能分析所在学院机械与电气工程学院专业机械设计制造及其自动化班级 11 机自 x 班姓名学号指导老师 2015 年 3 月 31 日 nts II 摘要叉车是现在人们常用的搬运车辆之一，是成件托盘货物进行装卸、堆垛和短距离运输、重物搬运作业的各种轮式搬运车辆。广泛应用于港口、车站、机场、货场、工厂车间、仓库、流通中心和配送中心等，并可进入船舱、车厢和集装箱内进行托盘货物的装卸、搬运作业，是托盘运输、集装箱运输中必不可少的设备。叉车应用之广泛，使用之频繁，必然引起叉车设计者及叉车使用人员对叉车主体结构和安全性能的重视。关键词：叉车，强度 nts III Abstract The link group comprises a connecting rod, the connecting rod cover, connecting rod bushing, connecting rod bearing and rod bolts (or screws). The connecting rod group under gas force piston pin came and its swing and piston reciprocating inertia forces, the magnitude and direction of these forces are cyclical changes. The connecting rod by compression, stretching and alternating load. The connecting rod must have enough fatigue strength and structural stiffness. The fatigue strength is insufficient, often caused by fracture of connecting rod or the connecting rod bolt, resulting in destruction of the major accident. If the lack of rigidity, it will cause deformation of round rod bending deformation and the connecting rod, piston, cylinder, cause partial grinding bearing and crank pin. Key Words: rice thresher threshing; improved design; nts IV 目录摘要 . II Abstract. III 目录 . IV 第 1 章绪论 . 6 第 2 章叉车简介 . 6 2.1 叉车工作原理 . 7 2.2 叉车发展状况及部分功能 . 7 2.2.1 国内外发展趋势 . 5 2.2.2 防翻架的特性 . 7 2.2.3 顶棚的作用及意义 . 9 第 3 章叉车结构设计 . 11 3.1 叉车设计 . 13 3.2 叉车配件设计 . 19 第 4 章有限元分析 . 111 4.1 有限元简介 . 111 4.1.1 有限元强度分析简介 . 111 4.1.2 有限元模态分析简介 . 115 4.2 前处理 . 1 错误 !未定义书签。 4.3 网格划分 . 19 4.4 边界条件设定 . 21 4.5 强度分析 . 22 4.6 模态分析 . 23 第 5 章分析结果 . 24 5.1 顶棚分析结论 . 25 5.2 防翻架分析结论 . 25 nts V 结论 . 31 参考文献 . 32 致谢 . 33 nts 6 第 1 章绪论现在，世界上所有的叉车技术上分为欧洲派和日系派，欧洲派林德叉车为首，特点是走路的系统采用静压传动，车身车架采用单元式，中间硅衰减减震阻尼，车辆微动性能好，噪音低，传动精度高的特点。日系叉车一般是丰田叉车为首，特点是走路的系统采用液力传动，车身一体式框架，传动效率高，制造成本控制的特征。世纪的年代到 2000 年前，世界叉车的年销售额超过 40 70 万台左右。叉车物流装备，世界经济平稳的时候，叉车也经济平稳快速发展。中国叉车发展经验的三个阶段。第 1 阶段从建国到 1978 年，中国叉车的起源的阶段。 1953 年上海生产的第一次的非机动搬运车， 1958 年沈阳电工机械工厂开发 1.5 吨的平衡重式电动叉车，年代上海交通装卸机械工厂开发的首次 3 吨内燃平衡重式叉车、山西机械工厂开发的第一次平衡重式 1吨汽油叉车。第二阶段， 1978 2000 年，中国叉车行业规范，发展的阶段。 1981 年北京叉车总工厂，大连叉车总工厂的三菱汽车的技术引进， 1985 年安徽是力量，宝鸡叉车中医技术引进。 1987 年刚三厂轧制 14 号， 16 号门机 C 型异型钢。日本的技术，而叉车行业的门机型钢是焊接 CC 型变更 CJ 型。目前国内 3 吨叉车主要的组合的机种 490 发动机。 1995 年后叉车一般提高质量。第三阶段，从 2001 年开始到现在，在这个阶段是中国叉车高速发展的阶段。叉车生产量大幅度提高。 2005 年，“导入，消化吸收、创新”的策略，在辽宁宏昌轧钢厂 OEM 形式，采用开发的叉车 C， J 形门机异型钢结束了中国 J型钢的历史，并在此基础上，开发了的 10 模型叉车门机异型钢，有力地促进了叉车行业的产品质量的提高，促进了叉车的出口也。现在，中国叉车产品的规格基本与国际接轨。叉车的范围从重量达到了 0.5 46 吨，高 14 米达，基本性地近和国际先进水平。 nts 7 第 2 章叉车简介 2.1 叉车工作原理叉车机构中的构件有杆状、块状、偏心轮、偏心轴和曲轴等型式。当构件上两转动副轴线间距较大时，一般做成杆状。带两个转动副的双副杆结构：带三个转动副的三副杆结构：杆状结构的构件应尽量做成直杆。有时为了避免构件之间的运动干涉，也可将杆状构件做成其他结构。带三个转动副的三副杆的结构设计较为灵活，与三个转动副的相对位置和构件加工工艺有关，下图为 8 种典型结构形式： nts 8 2.2 叉车叉车发展状况 1），清洁的排放叉车技术发展的主要方向 2），轻量化，设计不同品种叉车的发展趋势： 1），电动叉车市场需求对比例内燃叉车、持续、快速提升。 2）、电动叉车的安装方式，串卷，他励、交流、永久磁石等顺序交替发展。 3）、内燃叉车、天然气叉车清洁排放可以达到国家，“ 4”的排放要求。经济上，约 40%的费用可以节省，动力性，蓄能方式，继续工作的时间性也出色的电动叉车，因此，日然气叉车急速的发展机遇。 4），生产汽油和柴油叉车企业，国家排放关注政策和发动机的技术的进步，石油价格走势，总体增长放缓。发发 2.2.1 国内外发展趋势叉车小头很多薄壁圆的环状构造的减少，活塞销之间的磨损，小头孔内压入薄肉青铜衬套。小头和布什钻孔和牛奶坦克，飞溅的润滑油泡沫布什和活塞销配合的表面。叉车轴长棒的事，工作中受力大，那弯曲变形防止，轴必要充分的刚度。因此，汽车发动机的叉车轴多采用形截面，形断面刚度和强度都充分的情况为最小高质量、发动机采用强化的 H 形截面。有发动机采用叉车小头喷射冷却活塞发动机机油，须在轴纵钻通孔。应力集中，以避免，叉车轴和小头，主要部分的连接大圆弧平滑转移。发动机的振动必须降低各缸叉车的质量不限制在最小范围内，工厂组装发动机，一般是克计量单位叉车的大，小头质量分组，同样的发动机选用同组叉车。型发动机，其左，右两排对应汽缸共用曲轴销，叉车排列叉车，叉形叉车及主要副叉车三种型式。 2.2.2 叉车的整机结构及选择叉车组件由叉车轴，叉车盖，小轴套，大轴瓦，螺丝等组成，如上图所示 nts 9 2.2.3 叉车叉车的工作流程叉车的主要损伤的形式是疲劳断裂和过剩变形。通常疲劳断裂部位叉车上的 3 个区域的高应力。叉车的工作条件叉车高强度和抗疲劳性能；另外要求很充分的钢性和韧性。传统叉车加工过程中其材料一般 45 钢， 40 Cr 和 40 MnB 等调质钢、硬度高，所以德国汽车企业的新型叉车 C 70 S6 高碳材料，例如微合金非调质钢， SPLITASCO 系列锻造钢，FRACTIM 锻造钢锻钢等 S 53 CV - FS（以上都是德国 din 标准）。合金钢非常高强度，对应力集中敏感的。所以，叉车外形，过度的公亩等必要严格要求，应该注意的表面加工提高质量疲劳强度，否则高强度合金钢的应用预期效果不能达到。第 3 章叉车设计 3.1 叉车原理叉车的身体三部分构成，活塞销连接的部分和叉车小头；与曲轴连接的部分和叉车大头，连接小头大头贴的杆部称叉车轴。叉车小头很多薄壁圆的环状构造的减少，活塞销之间的磨损，小头孔内压入薄肉青铜衬套。小头和布什钻孔和牛奶坦克，飞溅的润滑油泡沫布什和活塞销配合的表面。叉车轴长棒的事，工作中受力大，那弯曲变形防止，轴必要充分的刚度。因此，汽车发动机的叉车轴多采用形截面，形断面刚度和强度都充分的情况为最小高质量、发动机采用强化的 H 形截面。有发动机采用叉车小头喷射冷却活塞发动机机油，须在轴纵钻通孔。应力集中，以避免，叉车轴和小头，主要部分的连接大圆弧平滑转移。发动机的振动必须降低各缸叉车的质量不限制在最小范围内，工厂组装发动机，一般是克计量单位叉车的大，小头质量分组，同样的发动机选用同组叉车。型发动机，其左，右两排对应汽缸共用曲轴销，叉车排列叉车，叉形叉车及主要副叉车三种型式。 3.2 叉车配件设计 nts 10 叉车盖设计如上图所示 nts 11 第 4 章有限元分析 4.1 有限元简介 4.1.1 有限元强度分析简介数学，有限要素法（ FEM， Finite Element）是一种求解微分方程边值问题近似解的数值技术。解的时候全体的问题区域分解，各地区简单的部分，这个简单的部分就和有限的。这是，变分法，误差函数最小值生成稳定解。类比连接多级微小直线近似日元的思想，有限要素法在内的所有可能的方法很多，这些方法称为有限元的小领域上的简单方程相连，其更大的地域，推定上的复杂的方程式。那是解域和许多被称为有限元的小的相互连接子区组成，每单元的假设一个合适的（比较简单的）近似解解，然后推导这个地区的总的条件（如结构的平衡条件），其结果问题解。这是正确理解解，而是近似解，实际问题是比较简单的问题。大部分的实际问题，正确理解难以得到有限元，计算精度高，它不仅能适应各种复杂形状，有效的手段工程分析。位移模式选择有限单元法，选择节点移位作为基本的未知量被称为位移法；选择节点力作为基本未知量称为力法；部分节点力和一部分的节点移位作为基本的未知量被称为混合法。位移法容易实现计算自动化，所以，有限单元法最宽的应用范围位移法。位移法录用的时候，物体或构造物离散化后，单位总的物理量等的位移，应变应力等节点位的一部分表示。这个时候单位位移分布收割迫近原函数的近似函数说明。通常，有限要素法我们位移坐标变量的简单的函数。这个函数被称为位移模式和位移函数。分析单元的力学的性质单元的材料的性质不同，形状，尺寸、节点的数量，位置和意义等标题，单元节点力和节点移位的关系式，组合分析的关键的一步。这个时候应用弹性力学的几何学的方程式和物理的方程式建立力和位移方程式引导，从而单元刚性矩阵，这是有限要素法的基本步骤之一。计算等价节点力物体离散化后，假设力、节点传给其他单位单元。但是，实际上的连续对身体，力量单元的公共传达别的单元一边。因此，这种作用机体境界上的表面力，体积力和集中nts 12 力也需要转移等价的节点，等价的节点力代替所有的作用在单位的力量。计算机技术的迅速发展，工程的领域，有限要素解析（自愿），越来越模拟真实的工程问题的解决。这些年来，越来越多的工程师，应用数学者和物理学家证明这个解采用微分方程（ PDE）的方法解决很多的物理现象，这些的微分方程用来说明流动，电磁场和结构力学等。有限的方法用这些众所周知的数学方程式转化为近似的数码图像。早期的有限的主要关注的专业领域，比如应力和疲劳，但是，一般来说，是一个物理现象。例如，只是运动热，热反过来影响一些材料属性，例如导电率，化学反应速度的粘性等，流体。这种物理系统的结合是我们所说的多的物理场，分析相比我们单独去分析物理场遥远复杂。很明显，我们必要以上的物理场分析工具。世纪 90 年代以前，计算机资源短缺，物理场模拟仅仅停留在理论的阶段，有限要素造型限定是单一的物理场的模拟，最多的是对力学，发烧，流体和电磁场的模拟。看到有限元模拟的命运就是单独的物理场的模拟。这种情况已经开始改变。十经过数年的努力，计算科学的发展，为我们提供了更巧妙的快速算法简洁、更强大的硬件多的物理场的有限要素模拟成为可能。新兴的有限要素法多物理场分析，提供新的机遇，满足了工程师真实物理系统的求解必要。有限要素很多物理场的解的未来。千言万语通道下以外显示多几个例子物理场的有限元分析未来的一些潜在的应用。压电传声器电流转换音响压力场所，或者反过来，声场转换电流场。这个装置是一般用空气和液体中的音源，比如相控阵麦克风，超声波生物图像装置、音响声纳传感器，生物治疗仪等，都可以利用一些的机械装置例如喷气式飞机压电马达等。压电传声器 3 个不同的物理场：结构的场，电场和流体中的声音。只是有很多物理场分析能力的软件这个模型解。压电材料的选择 PZT 5 - H 结晶，这个材料压电传感器比较广泛。空气和晶体的境界方面，境界条件设定压力声场等于结构场的法线加速度，这样的压力空气中流传。另外，结晶地区空气压力的影响，变形。模拟的研究的振幅震荡 200V，频率是 300 KHz电流发生后，结晶的声波传播。这个模型的描述及其完美的结果表明在任何复杂的模型下，我们都可以用一系列的数学模型进行表达，进而求解。众多的物理建模的场所不同的优势是在学校，学生们直观以前不看取得的一些现象，简单易懂的表现也获得了学生们的好感度。这是 Krishan Kumar 博士纽约 Glassboro nts 13 Rowan 高的大学毕业的讲义传热方程课程介绍造型及分析工具的感觉，他的学生的课题是如何冷却的摩托车的发动的情况。 Bhatia 博士教如何利用“设计、制造 -检测”的理念做出判断，问题解决的问题，问题找到。计算机模拟的应用的话，这种方法在课堂上的普及是不可想象的，所以需要的费用太大。 COMSOL Multiphysics 优秀的用户界面，学生方便设置传热问题，并立即必要的结果。“我的目标是所有学生都能理解的偏微分方程，的时候，还有这样的问题，他们已担心的是“博士说，“这是必须知道太多的分析工具，总的来说，学生反映这个模型工具“精彩”。很多优秀的高科技工程公司多的物理模拟能帮助保持竞争力场。众多的物理模型工具工程师场很多虚拟分析每次都需要实物测试。是的，他们是经济迅速优化产品。印度尼西亚的 Medrad Innovations 集团，约翰 Kalafut 博士带领的研究队，采用多的物理研究细长场分析工具，用注射器血细胞的注射的过程中，这是一种非牛顿的流体，而且非常高剪切速率。通过这次的学习， Medrad 工程师制造了一个崭新的装置，被称为“前卫型血管造影导管刚才的传统导管相比喷嘴采用，采用扩散型喷嘴的新管造影剂更均匀分布。造影剂是去透视拍照时，内脏器官病变显示更加清楚的特殊材料。另一个问题是使用传统导管中造影剂有很大的速度，甚至可能会损伤血管。前卫型血管造影降低血管导管造影剂产生的冲击力，最小血管损伤的可能性。关键问题是怎么设计导管的喷嘴形状优化，双方的流体的速度可以减少构造变形。Kalafut 的研究小组多物理建模方法利用场层流发生的力量结合后应力应变分析，并且各种各样的喷嘴的形状，布局流固结合分析。“我们的实习生对不同的流体喷嘴区域不同的配置，进行了分析 Kalafut 博士”，“这些分析结果利用这些评价新想法的可能性，并且降低实体模型制造的次数”。摩擦搅拌焊接（ FSW）以来， 1991 年专利申请被以来，已经广泛，铝合金焊接。航空工业最初这些技术，采用正在研究如何利用那个制造成本降低。摩擦搅拌焊接过程中，一个圆柱轴肩膀和头的转弯插入工具搅拌两张的金属连接。转动轴肩膀和头搅拌来世热，但是这个热还不够熔化金属。相反，软化塑性金属会形成一道坚实的屏障，会阻止氧气氧化金属和气泡的形成。粉碎，搅拌和挤压的动作可以使焊缝处的结构比原先的金所属结构，强度也原来的 2 倍。这个焊接装置可以使用也不同类型的铝合金焊接。 nts 14 空中客车（ AirBus）资金很多关于摩擦搅拌焊接的研究。制造商的大规模投资和重组的生产线前， Cranfield 大学的 Paul Colegrove 博士利用多的物理场分析工具，帮助理解了加工。第一个研究成果摩擦搅拌焊接的数学模型，空中客车公司的工程师”“透视检查焊接温度分布和显微结构的变化。 Colegrove 博士和他的研究小组编写的图形界面的模拟工具的工程师，空中客车直接提取材料的热属性和焊缝极限强度。这个摩擦搅拌焊接模拟的过程中，三次元的热分析和二次元轴对称的涡流模拟结合起来。热分析，热计算刀表面密度后，结构的热分布。刀具的位移可以提取，热的边界条件和焊接处材料的福尔摩斯属性。下面是刀表面处的三维热分布模特到二次元映射。结合的模型是计算的过程中热流体的相互作用。为基片的电磁，抵抗和导热行为结合花费的真正的物理场分析工具。典型的应用于半导体的加工与退火的过程中，是一种感应加热的热利用壁炉，因此半导体晶片生长，这是电子行业中的一个重要的技术。众多的物理场分析工具，指出的整体的基板热量的迁移，结构的应力变化和温度上升导致变形。这样做可以使用提高回路基板设计的合理性和材料选择的合理性。计算机能力的提高来有限元分析单场分析分析多场变成现实，未来几年的时间里，很多物理场分析工具是学术界和工程界的冲击。单调的“设计检查”的设计方法逐渐被淘汰，虚拟造型技术是你的思想到远方去，通过模拟革新的火花点火。 2000 年以来，国内外非线形构造问题数値解法了大量的研究。修改牛顿 -拉爱普生的迭代法的出现，保证计算精度提供了保障。但是，解结构极限强度来说，这种方法很难找到极限点。 Wright & amp； Gaylord 发展的虚拟弹簧法保证后极限强度地域构造刚性行列正定成功，应用框架结构分析。 Bergan 等提出了现在的刚度参数法，抑制临界地域平衡的反复进一步极限点。 Batoz 为位移控制依法位移变化过程反求结构内力求，从而极限点结构后极限强度响应。 Riks 首次弧长控制法 ,1981 年由 Crisfield、 Ramm、Powell 和 Simons 们重新评估，然后和修正牛顿 -拉爱普生的法相结合，成功实现了后解极限平衡路径中的“段”（ Snap 郭跃 - through）问题。高素荷等区分的网格密度和有限要素解精度的关系研究。各种各样的网格密度，不同的单位类型的有限要素动力学模型和计算结果正确理解的分析比较，探索研究单位的网格划分和有限要素解精度的内部关系，保证有限要素解满足工程实际精度要求的前提下，合理确定的网格密度，效率提nts 15 高有限要素解析有益的探索。研究证明几何尖角处，应力应变大变化的地域，有限元分析应选择适当增加高阶次单元单元网格密度。这是，无法保证单元的形状，另外，精度提高精度，可解及加速收敛速度。全自动网格分开，优先高阶单元。网格区分和初步的理解的时候，先简后繁粗后，先精。工程结构一般反复对称或轴对称，镜像对称等特点，提高解充分利用效率，反复和对称等特点，采用孩子对称结构和模型解效率和精度提高。 4.1.2 有限元模态分析简介模态分析研究结构动力特性的一种现代方法，系统的辨别方法是工程的振动的领域的应用。模态机械结构的固有振动特性，每一个模式是特定的固有频率，阻尼比模态振型。这些模态参数计算和考试从分析，取得的计算和考试分析过程被称为模态分析。如果这个分析过程有限元计算方法取了，计算模态分析称；如果考试通过采集系统输入和输出信号参数获得识别模态参数，称为考试模态分析。通常，模态分析，考试模态分析。振动模式的弹性的结构的固有的，全体的特性。模态分析的方法，通过清醒的构造物的容易被影响的频率范围内的各主要模式的特性，那个对应预言结构内外部或内部各种：的作用下发生的实际的振动响应。所以，模态分析结构设计及设备故障诊断动态的重要方法。机械、建筑、航天飞机，船舶、汽车等实际的振动模式各自不同。模态分析提供了各类振动特性研究的有效途径。首先，构造物静止状态人为加振，通过测定加振力和响应双通道快速傅立叶变换（ FFT）的分析，任意两点之间的机械导纳函数（传递函数）。模态分析理论考试导纳函数拟合的曲线，认识构造物模态参数，建立从而构造物模态模型。模态叠加原理，已知的各种载荷时间过程的场合，预言结构物的实际的振动的反应过程和反应谱。这十几年，计算机技术 FFT 分析仪，高速数据采集系统和振动传感器，驱动程序等的技术的发展，得到考试模态分析的迅速的发展的影响，机械、电气、建筑、水利、航空、航天等众多产业部门的重视。已经多种等级，各种原理的模态分析硬件和软件登场。 nts 16 4.2 前处理打开 ansys 软件，界面如图所示点击 Geometry 功能选项，将其拖入 Project schematic 界面，如上图所示在 Analysis Systems 中点击 Static Structural 功能选项，将其拖入nts 17 到 Geometry 旋向框上面，如图所示，自动生成分析选项界面。导入模型以后，需要对模型赋予材质。本结构中，零部件材质设定为结构钢杨氏模量为 2.1e13pa 泊松比为 0.3 如下图所示，分别对每个零部件进行材料设定 4.3 网格划分区分网格前，用户首先需要对模型中将使用单位设定。单元的属性主要是：单元类型，实常数，材料常数。典型的实常数，厚度，截面，高度，梁的惯性等。材料的属性包括：弹性模量、泊松分布，密度，热膨胀系数等。 ANSYS 为用户提供了两种网格分割类型：自由与映射所谓的“自由”的体现，不特定的标准，单元形状无限制，生成机体不规律，基本上适用于所有的模型。自由网格生成的内部节点位置比较随意，用户无法控制。操作方法是打开 Mesh Tool 工具栏的自由选择。用单元形状于是对面是身体依赖网格区分。对面的自由，只有网格是四角形的组合也尽量三角形单元组成，或两者混合。身体有自由、网格单元nts 18 限制四面体。映射网格区分要求方面和身体的形状，一定规则，且映射面网格只包括三角形的单位和四角形的单位，映射身体网格只包括六面体单元，这就是规则生成单元形状形状，适用规则的脸和身体。网格映射分，生成单元尺寸依靠，当前 DSIZE ESIZE， KESIZE， LESIZE和 ASIZE设置。 Smartsize不能用于映射网格区分。使用时硬时，不支持映射网格的区分。这方面是 3 或 4 条线围起来，腋下相等的单元的分割数必须。如果这方面 3 条线围成三条方面的单元的分割数等于是偶数，必须要。对边格数的差别，平等，或网格边数相等，另外的格数的差是偶数，网格区分映射。如果一个方面比 4 条线围成，那是直接采用映射网格被分为了，但是，总的线数量的减少 4，其中的一些线配合（ add）和连接（ concatenated，一种区分网格时的操作）。代替连接操作（ concatenation），拾音器方面的 3 个或四角点面映射网格，分为它简化的方法的两个分映射网格点之间的内部连接线。为了得到映射网格，必须在一旁指定相等的线的分割数（或定义线的分割数对应的接力方式）。不需要所有的线指定分割数，只要采用映射网格，分程序线的分割数 1 根边，一边传达传达给所有的旁边的网格方面）区分身体映射网格：为了一个人分割六面体单位，必须满足了块形状（六面体）、 5 面体和四方面的体形对面和定义的单元的分割数必须等于如果身体棱柱形和四面的尺寸，三角形方面的单元的分割数是偶数相对缘区分的学分，必须等于 nts 19 导入模型以后如上图所示，打开主界面 ,对模型进行网格划分，点击mesh 功能旋向，右击插入 mesh 方法，选择 sizing，即设定网格大小。设nts 20 定整体网格大小为 1mm。点击 mesh，软件对模型进行网格划分，划分结果如下图所示： nts 21 可以看到最终网格划分效果，以及网格数量，如下图：如图所示，网格总数量为 487658，节点数量为 170523 网格质量 100 nts 22 4.4 边界条件设定网格划分完毕需要对整体装置进行边界条件设定，如下图所示，为模型固定条件，即模型中某些零部件进行固定设定。 nts 23 设定轴承外圈上与小棍接触部分为固定。即 fixed support 另外设定约束条件，即受力载荷或者位移载荷 nts 24 nts 25 设定与轴承外圈接触的冷碾辊部分以及外部受力打小为 2000N 如上图所示 4.5 强度分析点 solve，软件对模型进行计算，最终计算结果如下图 nts 26 第 5 章分析结果 5.1 顶棚分析结论顶棚分析结果如下：如图所示为最大主应力图，由图可知，在有重物下落的时候，顶棚的受力状况如上图，中间横支撑部分有很大的应力集中，说明其在整个受力过程中起很大的作用。 nts 27 nts 28 由上图可知，在受力过程中，顶棚中间有最大的变形位移，由彩虹图可以看出各部分分别变形的大小。可以在设计过程中给予参考。 nts 29 5.2 防翻架分析结论 nts 30 由上图可以知道，防翻架在工作过程中，杆件部分受力最大，变形也是最大，从而可以知道，需要在设计过程中重点加强杆件部分的力学强度。可以采用高强度的材料或者热处理加强杆件的强度。nts 31 结论一、总结第一部分，文献资料的搜集与整理。通过专利网、文献库和老师给的资料，了解了当前主流的几种机车转向架助推器类型。然后根据文献资料，综合分析每种助推器的优劣，综合比较借鉴，初步确定采用撬棍杠杆式助推方式。第二部分，确定局部和整体方案。进一步分析撬棍式助推器的助推方式，及需要哪些相配合的机构，将助推器分为执行系统、系统和驱动系统三部分。然后先对执行机构进行理论受力分析，分析其位移量。借此计算出部分齿轮减速的比和需要的电机的转矩，从而确定电机选型，至此部分和驱动部分也同时确定下来。第四部分，各部件具体机构设计和校核。根据前面三章的内容，确定执行系统、系统各部件的具体结构尺寸，确定轴上零件的定位和装配方式，最后选择合适的轴承并对各部件进行校核。二、设计的不足之处这次的设计还只是阶段性的，助推器的结构还可以进行局部优化，中间的系统也有很多不同的方案可以选择，比如选择齿轮代替链传，三、个人体会毕业设计是大学四年期间最后一次正式的机构设计了，可以说是跨出大学校园的最后一步。需要考察自己大学期间学习的各项专业技能和课程知识，并且要综合运用，对自己也是一次全面的提高。因为考研的关系，很多时间被占用了，所以毕业设计的时间比较紧，中间过程略显仓促。刚开始做课题使并没有什么头绪，不知道从哪里下手。就像无头的苍蝇，这里做一些，那里做一些，其中受力分析就做了很多遍，事实证明这些都是无用功。后来跟指导老师沟通了很多次，确定下来步骤。先综合分析助推器的总体结构，分成几部分，比如驱动、执行部分，这样就有了一个大的方向。因此，我体会到初步设计必须确定每一部分的工作，由大到小，先分析结构，再对结构的运动和动力性能综合分析，不断的修正、不断的改进，这样才能做出完整的设计。 nts 32 参考文献 1杨颖萍，施俊俊，孙英彪 .客车转向架构架焊修工艺的探讨 A.第十四届全国机械设计年会论文集C.中国机械工程学会， 2008. 2苍松 .动车组转向架虚拟装配技术的研究与应用 D.辽宁：大连交通大学， 2009 3Http:/www.easymover.it/en/pusher.php,5-20/2013-5-20 4Gregory James Newell. Materials handling device and system. P.U.S. Patent No.7168514B2,Jan.30,2007 5Http:/www.fetec-papier.de/Easy_Mover_-_Rllentransportger/Details_Easy_Mover/details_easy_mover.html,5-20/2013-5-20 6Http:/,5-20/2013-5-20 7濮良贵，纪名刚，陈国定等 .机械设计 M.第八版 .北京：高等教育出版社 ,2006,5 8王昆，何小柏，汪信远 .机械设计、机械设计基础课程设计 M.北京：高等教育出版社， 1996 9. 黄志新，刘成柱 ANSYS Workbench 14.0超级学习手册 10. 刘鸿文材料力学 11. 胡小华； , 摩托车发动机叉车疲劳可靠性分析及寿命预测 , 重庆大学硕士论文 , 2014 12. 王立峰 , 发动机曲轴叉车机构动力学仿真及疲劳分析 ,长安大学硕士论文 , 2010 13. 龚立新，发动机叉车静态与动态特性的有限元分析研究，哈尔滨工程大学硕士论文 , 2007 nts 33 致谢毕业设计也接近尾声了，也意味我在大学的生活就要划上一个句号。回过头来看看自己做设计的过程，也有很多体会。助推器的助推方案不断推倒，不断重建。也让我对专业技能有了更深的了解。首先，诚挚感谢我的指导老师。每当我有不懂的问题的时候，老师总是耐心为我解答，而且解答地很详细，让我对下一步的工作有了清晰的认识。在我没有头绪的时候，老师总是适时地提出自己的建议，循循善诱，给我思考的空间，锻炼了我的专业思维。老师总是抽出自己的时间来督促我论文的进度，这是很无私的。在此，向老师表示崇高的谢意！感谢四年来同学、老师的陪伴，感谢他们为我提出的有益的和宝贵的建议，有了他们的支持和鼓励，才让我度过了四年充实的大学生活。 nts1 分类号密级宁毕业设计 (论文 ) 叉车主体结构的有限元设计与安全性能分析所在学院机械与电气工程学院专业机械设计制造及其自动化班级 11 机自 x 班姓名学号指导老师 2015 年 3 月 31 日 nts II 摘要叉车是现在人们常用的搬运车辆之一，是成件托盘货物进行装卸、堆垛和短距离运输、重物搬运作业的各种轮式搬运车辆。广泛应用于港口、车站、机场、货场、工厂车间、仓库、流通中心和配送中心等，并可进入船舱、车厢和集装箱内进行托盘货物的装卸、搬运作业，是托盘运输、集装箱运输中必不可少的设备。叉车应用之广泛，使用之频繁，必然引起叉车设计者及叉车使用人员对叉车主体结构和安全性能的重视。关键词：叉车，强度 nts III Abstract The link group comprises a connecting rod, the connecting rod cover, connecting rod bushing, connecting rod bearing and rod bolts (or screws). The connecting rod group under gas force piston pin came and its swing and piston reciprocating inertia forces, the magnitude and direction of these forces are cyclical changes. The connecting rod by compression, stretching and alternating load. The connecting rod must have enough fatigue strength and structural stiffness. The fatigue strength is insufficient, often caused by fracture of connecting rod or the connecting rod bolt, resulting in destruction of the major accident. If the lack of rigidity, it will cause deformation of round rod bending deformation and the connecting rod, piston, cylinder, cause partial grinding bearing and crank pin. Key Words: rice thresher threshing; improved design; nts IV 目录摘要 . II Abstract. III 目录 . IV 第 1 章绪论 . 6 第 2 章叉车简介 . 6 2.1 叉车工作原理 . 7 2.2 叉车发展状况及部分功能 . 7 2.2.1 国内外发展趋势 . 5 2.2.2 防翻架的特性 . 7 2.2.3 顶棚的作用及意义 . 9 第 3 章叉车结构设计 . 11 3.1 叉车设计 . 13 3.2 叉车配件设计 . 19 第 4 章有限元分析 . 111 4.1 有限元简介 . 111 4.1.1 有限元强度分析简介 . 111 4.1.2 有限元模态分析简介 . 115 4.2 前处理 . 1 错误 !未定义书签。 4.3 网格划分 . 19 4.4 边界条件设定 . 21 4.5 强度分析 . 22 4.6 模态分析 . 23 第 5 章分析结果 . 24 5.1 顶棚分析结论 . 25 5.2 防翻架分析结论 . 25 nts V 结论 . 32 参考文献 . 33 致谢 . 34 nts 6 第 1 章绪论目前，世界上所有的叉车在技术上分为欧系派和日系派，欧系派以林德叉车为代表，特点是行走系统采用静压传动，车体采用上下车架组合式，中间有硅阻尼减震器减震，整车具有微动性能好，噪声低，传动精度高的特点。而日系叉车一般以丰田叉车为代表，特点是行走系统采用液力传动，车体为整体式车架，具有传动效率高，制造成本有效控制的特点。上世纪年代后到 2000 年前，世界叉车的年销量在 40 70 万辆左右。叉车作为物流装备，当世界经济平稳运行时，叉车也将随着经济的平稳运行而平稳发展。中国叉车的发展经历了三个阶段。第一阶段从建国开始到 1978 年，是中国叉车的起源阶段。1953 年上海生产了第一台非机动搬运车， 1958 年沈阳电工机器厂研制了 1.5 吨电动平衡重式叉车，上世纪 60 年代，上海交通装卸机械厂研制了首台 3 吨内燃平衡重式叉车，山西机器厂研制出了首台 1 吨平衡重式汽油叉车。第二阶段， 1978 2000 年，是中国叉车行业规范、发展的阶段。 1981 年北京叉车总厂、大连叉车总厂引进了三菱技术， 1985年安徽合力、宝鸡叉车引进了 TCM 技术。 1987 年上刚三厂轧制了 14 号、 16 号门架 C 形异型钢。根据日本技术，叉车行业的门架型钢由 CC 型改为焊接的 CJ 型。现国内 3 吨叉车主要的配套机型为 490 发动机。 1995 年后叉车质量得到了普遍提高。第三阶段， 2001年到现在，这一阶段是中国叉车高速发展的阶段。叉车生产量大大提升。 20006 年，按照“引进、消化、吸收、创新”的策略，在辽宁宏昌轧钢厂采用 OEM 的形式，开发出了叉车 C、 J 形门架异型钢，结束了中国没有 J 型钢的历史，并在此基础上，开发了 10 个型号的叉车门架异型钢，有力地促进了叉车行业产品质量的提高，也促进了叉车的出口。现在，中国叉车在产品规格型号上，已经基本与国际接轨。叉车起重量的范围达到了0.5 46 吨，高度 14 米，基本接近或达到国际先进水平。 nts 7 第 2 章叉车简介 2.1 叉车工作原理叉车机构中的构件有杆状、块状、偏心轮、偏心轴和曲轴等型式。当构件上两转动副轴线间距较大时，一般做成杆状。带两个转动副的双副杆结构：带三个转动副的三副杆结构：杆状结构的构件应尽量做成直杆。有时为了避免构件之间的运动干涉，也可将杆状构件做成其他结构。带三个转动副的三副杆的结构设计较为灵活，与三个转动副的相对位置和构件加工工艺有关，下图为 8 种典型结构形式： nts 8 2.2 叉车叉车发展状况 1）、清洁排放是叉车技术发展的首要方向 2）、轻量化设计不同品种叉车的发展趋势 : 1）、电动叉车市场需求的比例相对于内燃叉车而言，将会持续、快速的提高。 2）、电动叉车的励磁方式，将会按照串励、他励、交流、永磁等的顺序换代发展。 3）、内燃叉车中，由于天然气叉车在清洁排放上，可以达到“国四”的排放要求；在经济性上，可以节省大约 40%的费用，在动力性上、蓄能方式上、持续工作时间上都优于电动叉车，因此，天然气叉车将会迎来快速的发展机遇。 4）、生产汽油和柴油叉车的企业，应当关注国家的排放政策和发动机的技术进步，以及石油价格的走势，整体上增速会放缓。发发 2.2.1 国内外发展趋势叉车小头多为薄壁圆环形结构，为减少与活塞销之间的磨损，在小头孔内压入薄壁青铜衬套。在小头和衬套上钻孔或铣槽，以使飞溅的油沫进入润滑衬套与活塞销的配合表面。叉车杆身是一个长杆件，在工作中受力也较大，为防止其弯曲变形，杆身必须要具有足够的刚度。为此，车用发动机的叉车杆身大都采用形断面，形断面可以在刚度与强度都足够的情况下使质量最小，高强化发动机有采用 H 形断面的。有的发动机采用叉车小头喷射机油冷却活塞，须在杆身纵向钻通孔。为避免应力集中，叉车杆身与小头、大头连接处均采用大圆弧光滑过渡。为降低发动机的振动，必须把各缸叉车的质量差限制在最小范围内，在工厂装配发动机时，一般都以克为计量单位按叉车的大、小头质量分组，同一台发动机选用同一组叉车。 V 型发动机上，其左、右两列的相应气缸共用一个曲柄销，叉车有并列叉车、叉形叉车及主副叉车三种型式。 2.2.2 叉车的整机结构及选择 nts 9 叉车组件由叉车轴，叉车盖，小轴套，大轴瓦，螺丝等组成，如上图所示 2.2.3 叉车叉车的工作流程叉车的主要损坏形式是疲劳断裂和过量变形。通常疲劳断裂的部位是在叉车上的三个高应力区域。叉车的工作条件要求叉车具有较高的强度和抗疲劳性能；又要求具有足够的钢性和韧性。传统叉车加工工艺中其材料一般采用 45 钢、 40Cr 或 40MnB 等调质钢，硬度更高，因此，以德国汽车企业生产的新型叉车材料如 C70S6 高碳微合金非调质钢、SPLITASCO 系列锻钢、 FRACTIM 锻钢和 S53CV-FS 锻钢等 (以上均为德国 din 标准 )。合金钢虽具有很高强度，但对应力集中很敏感。所以，在叉车外形、过度圆角等方面需严格要求，还应注意表面加工质量以提高疲劳强度，否则高强度合金钢的应用并不能达到预期效果。第 3 章叉车设计 3.1 叉车原理叉车体由三部分构成，与活塞销连接的部分称叉车小头；与曲轴连接的部分称叉车大头，连接小头与大头的杆部称叉车杆身。叉车小头多为薄壁圆环形结构，为减少与活塞销之间的磨损，在小头孔内压入薄壁青铜衬套。在小头和衬套上钻孔或铣槽，以使飞溅的油沫进入润滑衬套与活塞销的配合表面。叉车杆身是一个长杆件，在工作中受力也较大，为防止其弯曲变形，杆身必须要具有足够的刚度。为此，车用发动机的叉车杆身大都采用形断面，形断面可以在刚度与强度都足够的情况下使质量最小，高强化发动机有采用 H 形断面的。有的发动机采用叉车小头喷射机油冷却活塞，须在杆身纵向钻通孔。为避免应力集中，叉车杆身与小头、大头连接处均采用大圆弧光滑过渡。为降低发动机的振动，必须把各缸叉车的质量差限制在最小范围内，在工厂装配发动机时，一般都以克为计量单位按叉车的大、小头质量分组，同一台发动机选用同一组叉车。 V 型发动机上，其左、右两列的相应气缸共用一个曲柄销，叉车有并列叉车、叉形叉车及主副叉车三种型式。 nts 10 3.2 叉车配件设计叉车盖设计如上图所示 nts 11 第 4 章有限元分析 4.1 有限元简介 4.1.1 有限元强度分析简介在数学中，有限元法（ FEM， Finite Element Method）是一种为求解偏微分方程边值问题近似解的数值技术。求解时对整个问题区域进行分解，每个子区域都成为简单的部分，这种简单部分就称作有限元。它通过变分方法，使得误差函数达到最小值并产生稳定解。类比于连接多段微小直线逼近圆的思想，有限元法包含了一切可能的方法，这些方法将许多被称为有限元的小区域上的简单方程联系起来，并用其去估计更大区域上的复杂方程。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的 (较简单的）近似解，然后推导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。选择位移模式在有限单元法中，选择节点位移作为基本未知量时称为位移法；选择节点力作为基本未知量时称为力法；取一部分节点力和一部分节点位移作为基本未知量时称为混合法。位移法易于实现计算自动化，所以，在有限单元法中位移法应用范围最广。当采用位移法时，物体或结构物离散化之后，就可把单元总的一些物理量如位移，应变和应力等由节点位移来表示。这时可以对单元中位移的分布采用一些能逼近原函数的近似函数予以描述。通常，有限元法我们就将位移表示为坐标变量的简单函数。这种函数称为位移模式或位移函数。分析单元的力学性质根据单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位置及其含义等，找出单元节点力和节点位移的关系式，这是单元分析中的关键一步。此时需要应用弹性力学中的几何方程和物理方程来建立力和位移的方程式，从而导出单元刚度矩阵，这是有限元法的基本步骤之一。计算等效节点力 nts 12 物体离散化后，假定力是通过节点从一个单元传递到另一个单元。但是，对于实际的连续体，力是从单元的公共边传递到另一个单元中去的。因而，这种作用在单元边界上的表面力、体积力和集中力都需要等效的移到节点上去，也就是用等效的节点力来代替所有作用在单元上的力。随着计算机技术的迅速发展，在工程领域中，有限元分析（ FEA）越来越多地用于仿真模拟，来求解真实的工程问题。这些年来，越来越多的工程师、应用数学家和物理学家已经证明这种采用求解偏微分方程（ PDE）的方法可以求解许多物理现象，这些偏微分方程可以用来描述流动、电磁场以及结构力学等等。有限元方法用来将这些众所周知的数学方程转化为近似的数字式图象。早期的有限元主要关注于某个专业领域，比如应力或疲劳，但是，一般来说，物理现象都不是单独存在的。例如，只要运动就会产生热，而热反过来又影响一些材料属性，如电导率、化学反应速率、流体的粘性等等。这种物理系统的耦合就是我们所说的多物理场，分析起来比我们单独去分析一个物理场要复杂得多。很明显，我们需要一个多物理场分析工具。在上个世纪 90 年代以前，由于计算机资源的缺乏，多物理场模拟仅仅停留在理论阶段，有限元建模也局限于对单个物理场的模拟，最常见的也就是对力学、传热、流体以及电磁场的模拟。看起来有限元仿真的命运好像也就是对单个物理场的模拟。这种情况已经开始改变。经过数十年的努力，计算科学的发展为我们提供了更灵巧简洁而又快速的算法，更强劲的硬件配置，使得对多物理场的有限元模拟成为可能。新兴的有限元方法为多物理场分析提供了一个新的机遇，满足了工程师对真实物理系统的求解需要。有限元的未来在于多物理场求解。千言万语道不尽，下面只能通过几个例子来展示多物理场的有限元分析在未来的一些潜在应用。压电扩音器可以将电流转换为声学压力场，或者反过来，将声场转换为电流场。这种装置一般用在空气或者液体中的声源装置上，比如相控阵麦克风，超声生物成像仪，声纳传感器，声学生物治疗仪等，也可用在一些机械装置比如喷墨机和压电马达等。压电扩音器涉及到三个不同的物理场：结构场，电场以及流体中的声场。只有具有多物理场分析能力的软件才能求解这个模型。压电材料选用 PZT5-H 晶体，这种材料在压电传感器中用得比较广泛。在空气和晶体的交界面处，将声场边界条件设置为压力等于结构场的法向加速度，这样可以将压力nts 13 传到空气中去。另外，晶体域中又会因为空气压力对其的影响而产生变形。仿真研究了在施加一个幅值 200V，震荡频率为 300 KHz 的电流后，晶体产生的声波传播。这个模型的描述及其完美的结果表明在任何复杂的模型下，我们都可以用一系列的数学模型进行表达，进而求解。多物理场建模的另外一个优势就是在学校里，学生们直观地获取了以前无法见到的一些现象，而简单易懂的表达方式也获得了学生们的好感。这只是 Krishan Kumar 博士在纽约 Glassboro 的 Rowan 大学给高年级的毕业生讲授传热方程课程时介绍建模及分析工具所感受到的，他的学生的课题是如何冷却一个摩托车的发动机箱。 Bhatia 博士教他们如何利用 “ 设计制造检测 ” 的理念来判断问题、找出问题、解决问题。如果没有计算机仿真的应用，这种方法在课堂上推广是不可想象的，因为所需费用实在是太大了。 COMSOL Multiphysics 拥有优秀的用户界面，可以使学生方便地设置传热问题，并很快得到所需要的结果。 “ 我的目标是使每个学生都能了解偏微分方程，当下次再遇到这样的问题时，他们不会再担心， ” 博士说， “ 这不需要了解太多的分析工具，总的来说，学生都反映这个建模工具太棒了 ” 。很多优秀的高科技工程公司已经看到多物理场建模可以帮助他们保持竞争力。多物理场建模工具可以让工程师进行更多的虚拟分析而不是每次都需要进行实物测试。这样，他们就可以快速而经济地优化产品。在印度尼西亚的 Medrad Innovations Group中，由 John Kalafut 博士带领着一个研究小组，采用多物理场分析工具来研究细长的注射器中血细胞的注射过程，这是一种非牛顿流体，而且具有很高的剪切速率。通过这项研究， Medrad 的工程师制造了一个新颖的装置称为先锋型血管造影导管同采用尖喷嘴的传统导管相比，采用扩散型喷嘴的新导管使得造影剂分布得更加均匀。造影剂就是在进行 X 光拍照时，将病变的器官显示得更加清楚的特殊材料。另外一个问题就是传统导管在使用过程中可能会使得造影剂产生很大的速度，进而可能会损伤血管。先锋型血管造影导管降低了造影剂对血管产生的冲击力，将血管损伤的可能性降至最低。关键的问题就是如何去设计导管的喷嘴形状，使其既能优化流体速度又能减少结构变形。 Kalafut 的研究小组利用多物理场建模方法将层流产生的力耦合到应力应变分析中去，进而对各种不同喷嘴的形状、布局进行流固耦合分析。 “ 我们的一个实习生针对nts 14 不同的流体区域建立不同的喷嘴布局，并进行了分析， ” Kalafut 博士说， “ 我们利用这些分析结果来评估这些新想法的可行性，进而降低实体模型制造次数 ” 。摩擦搅拌焊接（ FSW），自从 1991 年被申请专利以来，已经广泛应用于铝合金的焊接。航空工业最先开始采用这些技术，正在研究如何利用它来降低制造成本。在摩擦搅拌焊接的过程中，一个圆柱状具有轴肩和搅拌头的刀具旋转插入两片金属的连接处。旋转的轴肩和搅拌头用来生热，但是这个热还不足以融化金属。反之，软化呈塑性的金属会形成一道坚实的屏障，会阻止氧气氧化金属和气泡的形成。粉碎，搅拌和挤压的动作可以使焊缝处的结构比原先的金属结构还要好，强度甚至可以到原来的两倍。这种焊接装置甚至可以用于不同类型的铝合金焊接。空中客车（ AirBus）资助了很多关于摩擦搅拌焊接的研究。在制造商大规模投资和重组生产线之前， Cranfield 大学的 Paul Colegrove 博士利用多物理场分析工具帮助他们理解了加工过程。第一个研究成果是一个摩擦搅拌焊接的数学模型，这让空客的工程师 “ 透视 ” 到焊缝中来检查温度分布和微结构的变化。 Colegrove 博士和他的研究小组还编写了一个带有图形界面的仿真工具，这样空客的工程师可以直接提取材料的热力属性以及焊缝极限强度。在这个摩擦搅拌焊接的模拟过程中，将三维的传热分析和二维轴对称的涡流模拟耦合起来。传热分析计算在刀具表面施加热流密度后，结构的热分布。可以提取出刀具的位移，热边界条件，以及焊接处材料的热学属性。接下来将刀具表面处的三维热分布映射到二维模型上。耦合起来的模型就可以计算在加工过程中热和流体之间的相互作用。将基片的电磁、电阻以及传热行为耦合起来需要一个真正的多物理场分析工具。一个典型的应用是在半导体的加工和退火的工艺中，有一种利用感应加热的热壁熔炉，它用来让半导体晶圆生长，这是电子行业中的一项关键技术。多物理场分析工具可以分析出整个电路板上热量的转移，结构的应力变化以及由于温度的上升导致的变形。这样做可以用来提升电路板设计的合理性以及材料选择的合理性。计算机能力的提升使得有限元分析由单场分析到多场分析变成现实，未来的几年内，多物理场分析工具将会给学术界和工程界带来震惊。单调的 “ 设计校验 ” 的设计nts 15 方法将会慢慢被淘汰，虚拟造型技术将让你的思想走得更远，通过模拟仿真将会点燃创新的火花。自 2000 年以来 ,国内外对非线性结构问题的数值解法做了大量的研究。修正的牛顿拉普森迭代法的出现 ,为保证计算精度提供了保障。但是 ,对求解结构极限强度而言 ,这种方法仍很难找到极限点。 Wright&Gaylord 发展了假想弹簧法以保证后极限强度区域结构刚度矩阵的正定 ,并成功应用于框架结构的分析。 Bergan 等提出了当前刚度参数法 ,来抑制临界区域的平衡迭代进而穿越极限点。 Batoz 提出了位移控制法 ,通过施加已知位移变化过程反求结构内力 ,从而穿越极限点求出结构的后极限强度响应。 Riks 首次提出弧长控制法 ,1981 年由 Crisfield、 Ramm、 Powell 和 Simons 等人做了改进 ,并与修正的牛顿拉普森法相结合 ,成功地实现了求解后极限平衡路径中的 “ 阶跃 ”(Snap -through)问题。高素荷等人对网格划分密度与有限元求解精度的关系进行了研究。通过对不同网格密度、不同单元类型的有限元力学模型计算结果与精确解的分析比较 ,探索研究单元网格划分与有限元求解精度的内在联系 ,为在保证有限元解满足工程实际精度要求的前提下 ,确定合理的网格密度 ,提高有限元分析效率进行了有益的探索。研究证明 :对于几何尖角处、应力应变变化较大区域 ,有限元分析时应选择高阶次单元 ,并适当增加单元网格密度。这样 ,既可保证单元的形状 ,同时 ,又可提高求解精度、准确性及加快收敛速度。全自动划分网格时 ,优先考虑选用高阶单元。在网格划分和初步求解时 ,应做到先简后繁 ,先粗后精。由于工程结构一般具有重复对称或轴对称、镜象对称等特点 ,为提高求解效率 ,应充分利用重复与对称等特征 ,采用子结构或对称模型以提高求解效率和精度。 4.1.2 有限元模态分析简介模态分析是研究结构动力特性一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。这个分析过程如果是由有限元计算的方法取得的，则称为计算模态分析；nts 16 如果通过试验将采集的系统输入与输出信号经过参数识别获得模态参数，称为试验模态分析。通常，模态分析都是指试验模态分析。振动模态是弹性结构固有的、整体的特性。通过模态分析方法搞清楚了结构物在某一易受影响的频率范围内的各阶主要模态的特性，就可以预言结构在此频段内在外部或内部各种振源作用下产生的实际振动响应。因此，模态分析是结构动态设计及设备故障诊断的重要方法。机器、建筑物、航天航空飞行器、船舶、汽车等的实际振动模态各不相同。模态分析提供了研究各类振动特性的一条有效途径。首先，将结构物在静止状态下进行人为激振，通过测量激振力与响应并进行双通道快速傅里叶变换（ FFT）分析，得到任意两点之间的机械导纳函数（传递函数）。用模态分析理论通过对试验导纳函数的曲线拟合，识别出结构物的模态参数，从而建立起结构物的模态模型。根据模态叠加原理，在已知各种载荷时间历程的情况下，就可以预言结构物的实际振动的响应历程或响应谱。近十多年来，由于计算机技术、 FFT 分析仪、高速数据采集系统以及振动传感器、激励器等技术的发展，试验模态分析得到了很快的发展，受到了机械、电力、建筑、水利、航空、航天等许多产业部门的高度重视。已有多种档次、各种原理的模态分析硬件与软件问世。 4.2 前处理打开 ansys 软件，界面如图所示 nts 17 点击 Geometry 功能选项，将其拖入 Project schematic 界面，如上图所示在 Analysis Systems 中点击 Static Structural 功能选项，将其拖入到 Geometry 旋向框上面，如图所示，自动生成分析选项界面。导入模型以后，需要对模型赋予材质。本结构中，零部件材质设定为nts 18 结构钢杨氏模量为 2.1e13pa 泊松比为 0.3 如下图所示，分别对每个零部件进行材料设定 4.3 网格划分在划分网格前，用户首先需要对模型中将要用到的单元属性进行定义。单元属性主要包括：单元类型、实常数、材料常数。典型的实常数包括：厚度、横截面面积、高度、梁的惯性矩等。材料属性包括：弹性模量、泊松比、密度、热膨胀系数等。 ANSYS 为用户提供了两种网格划分类型：自由和映射所谓“自由”，体现在没有特定的准则，对单元形状无限制，生成的单元不规则，基本适用于所有的模型。自由网格生成的内部节点位置比较随意，用户无法控制。操作方式是打开 Mesh Tool 工具条上的 Free 选项。所用单元形状依赖于是对面还是对体进行网格划分。对于面，自由网格可以只由四边形单元组成，也可以只由三角形单元组成，或两者混合。对于体，自由网格一般限制为四面体单元。映射网格划分要求面或体形状满足一定规则，且映射面网格只包括三角nts 19 形单元或四边形单元，映射体网格只包括六面体单元，它生成的单元形状比较规则，适用于形状规则的面和体。对于映射网格划分，生成的单元尺寸依赖于当前 DSIZE、 ESIZE、 KESIZE、 LESIZE 和 ASIZE 的设置。Smartsize 不能用于映射网格划分。当使用硬点时，不支持映射网格划分。此面必须由 3 或 4 条线围成，在对边上必须有相等的单元划分数。如果此面由 3 条线围成，则三条边上的单元划分数必须相等且必须是偶数。对边网格数之差相等，或者一对对边网格数相等，另一对网格数之差为偶数，也可以进行映射网格划分。如果一个面由多于 4条的线围成，则它不能直接采用映射网格进行划分，然而，为了将总的线数减少到 4，其中的某些线可以被加起来（ add）或连接起来（ concatenated，一种进行网格划分时的操作）。代替进行连接操作（ concatenation），可以用拾取一个面的 3 个或 4个角点来进行面映射网格划分，这种简化的映射网格划分方法将两个关键点之间的多条线内部连接起来。为了得到映射网格，必须在面的对边上指定相等的线的划分数（或者定义线的划分数对应于某种传递方式）。不需要在所有的线上指定划分数，只要是采用映射网格划分，程序会将线的划分数由一条边传递到对边，传递所有相邻的要

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