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柴油机
曲轴
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490Q柴油机曲轴有限元分析,柴油机,曲轴,有限元分析
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天津工程师范学院 2004 级学生毕业设计（论文）中期报告 系别 汽车工程系 班级 汽修 0402 班 学生 姓名 宋炜 指导 教师 阎文兵 课题名称： 490Q 柴油机曲轴有限元分析 1、开题以来所做的具体工作： 1） 去天津图书大厦、汽车书店、学校图书馆、上网 收集相关资料和翻译资料，并对相关资料进行了分析及整理。 2） 确定总体方案，进行多方案比较，构思 490Q 柴油机曲轴有限元分析 的 分析 思路。 3） 安装 限元分析软件 。 4） 学习 件，参照资料模拟例题 。 5） 参照 490Q 柴油发动机曲轴 纸进行建模 。 2、开题以来取得的进展和成果： 1）有了明确的 析思路 2） 成功用 490Q 柴油机曲轴进行建模 。 3）有了明确的翻译资料并已独立翻译了一部分。 3、 下一步 的 主要 研究任务，具体设想和安排 ： （ 1） 修改和完善 轴模型给指导老师审查，在根据老师的意见对该模型 进行相应的修改和完善。 （ 2） 采用 件对曲轴进行自由模态的有限元分析 。 （ 3） 初步完成论文正文 ，由指导老师提出修改意见 。 （ 4） 完成翻译资料 。 （ 5） 整理答辩提纲和准备毕业答辩。 学生签字： 年 月 日 指导教师的建议与要求： 指导教师签字： 年 月 日 注：本表格同毕业设计（论文）一 同装订成册，由所在单位归档保存。 天津工程师范学院 毕业设计（论文）任务书 2007年 12月 题 目 （包括副标题） 490Q 柴油机曲轴有限元分析 教师姓名 阎文兵 系 别 汽车工程系 职 称 教授 学生姓名 宋 炜 班 级 汽 0402 班 学 号 14 号 课题成果形式 论文 设计说明书 实物 软件 其它 1毕业设计（论文）课题任务的内容及方法 ： 1、本课题 的研究任务是 ：（ 1）了解模态的概念及模态分析的基本理论；掌握有限元解题思路与步骤；（ 2）了解曲轴的结构及工作特点；（ 3）熟练掌握 限元分析软件。并应用其对 490Q 柴油机曲轴进行有限元模态分析分析。 2、本课题的研究方法： 应用 件对 490Q 柴油机曲轴进行分析 ： （ 1） 曲轴的工况分析 及 模 e 或其他三维 件建模 （ 2） 有限元网格划分 （ 3） 确定边界条件，施加载荷 （ 4） 三维有限元计算，求解前十二阶固有频率 （ 5） 调出 分析结果 2毕业设计（论文）工作进度计划： 周 次 工作内容 第 1 周 周 第 4 周 周 第 6 周 周 第 9 周 0 周 第 11周 2周 查阅搜集资料，学习有关知识； 总体结构及多方案比较 自学模态分析的基本理论及方法；自学 有限元法的基本理论，了解有限元分析的基本步骤； 自学 有限元分析软件 件及工艺设计 应用 有限元分析软件 立 曲轴 的三维模型并进行曲轴自由模态计算，要求求解曲轴前六阶固有频率，分析计算结果 ； 撰写毕业论文，准备答辩。 教研室（学科组）主任签字： 业 论 文 专 业： 汽车维修工程教育 班级 学号 ： 汽修 0402 学生姓名： 宋 炜 指导教师： 阎文兵 教授 二 八 年 六 月 天津工程师范学院本科生毕业论文 490Q 柴油机曲轴的有限元模态分析 of 90Q 业班级： 汽修 0402 学生姓名： 宋 炜 指导教师： 阎文兵 教授 系 别： 汽车工程系 2008 年 6 月 毕 业 论 文 开 题 报 告 490 系 别： 汽车工程系 班 级： 汽修 0402 班 学生姓名： 宋 炜 指导教师： 阎文兵 2008 年 01 月 14 日 开题报告填写要求 1开题报告作为毕业论文答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一，应在指导教师指导下，由学生在毕业论文工作前期完成，经指导教师签署意见、专家组及系主任审查后生效； 2开题报告必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴； 3毕业论文开题报告应包括以下内容： （ 1）研究的目的； （ 2）主要研究内容； （ 3）课题的准备情况及进度计划； （ 4）参考文献。 4开题报告的撰写应符合科技文献规范，且不少于 2000 字；参考文献应不少于 15 篇，包括中外文科技期刊、教科书、专著等。 5开题报告正文字体采用宋体小四号， 行距。附页为 型，左边距 3边距 2下边距为 体采用宋体小四号， 行距。 6“课题性质” 一栏： 理工类： C 工程设计 经管文教类： “课题来源”一栏： “成果形式”一栏： 毕业论文开题报告 课题题目 490Q 柴油机曲轴有限元分析 课题性质 A B C D E 课题来源 A B C D 成果形式 A B C D E 同组同学 开题报告内容（可另附页） 指导教师意见（课题难度是否适中、工作量是否饱满、进度安排是否合理、工作条件是否具备等） 指导教师签名： 月 日 专家组及系里意见（选题是否适宜、各项内容是否达到毕业设计（论文）大纲要求、整改意见等） 专家组成员签字： 教学主任（签章）： 月 日 一 研究的 背景 、目的、意义 ： 曲轴是发动机中最重 要的运动部件之一。它的尺寸参数还影响着发动机整体尺寸、重量和制造成本，并且在很大程度上影响着发动机的可靠性和寿命。曲轴在工作中承受着汽缸内周期性变化的气体压力、往复运动质量及旋转质量惯性力引起的周期性变化的载荷，并对外输出扭矩，因此承受交变的拉伸、压缩、弯曲和扭转的复合应力，同时还有弯曲振动，从而会引起曲轴疲劳失效，而一旦失效，就可能引起其他零件随之破坏。所以对于整体式多缸发动机曲轴，如何比较准确地得到应力、变形的大小及分布，对用于指导曲轴的优化、改进和设计具有重要意义。 随着科技的进步和使用要求的不断提高 ，以经验和试制、实验为典型特征的传统设计方法已远不能满足现代产品对性能的需求，取而代之的是以计算机为基本工具，以数值仿真分析为主要手段的现代设计理论和方法的广泛应用。汽车发动机设计是典型的机械系统设计，针对汽车发动机的现代设计技术研究具有代表性意义。曲轴是汽车发动机至为关键的部件之一，其性能优劣直接影响着汽车发动机的可靠性和寿命，所以利用计算机仿真对曲轴设计及生产有着积极的指导作用。 有限元技术的出现，为工程设计领域提供了一个强有力的计算工具。经过迄今约半个世纪的发展，它已日趋成熟实用。发动机零部件的设计是 有限元技术最早的应用领域之一。有限元技术在发动机零部件设计中的广泛应用，提高了设计的可靠性，优化了结构，缩短了设计周期，降低了设计成本，大大推动了发动机工业的发展。 二 研究的设计思路及主要内容 ： 本科题的研究任务 是： （ 1）了解模态的概念及模态分析的基本理论；掌握有限元解题思路与步骤；（ 2）了解曲轴的结构及工作特点；（ 3）熟练掌握 限元分析软件。并应用其对 490Q 柴油机曲轴进行有限元模态分析分析。 态的概念 模态是机械结构的固有振动特性。用于反映模态特征的参数，如固有频率 、阻尼比和模态振型。每一阶模态都拥有与其相对的模态参数，各阶模态的叠加就是结构固有振动特性的全貌。 模态分析是研究结构动力特性的一种近代分析方法。 基于线形叠加原理，一个结构 的复杂振动是由无数阶模态叠加的结果，其中有对结构振动起主要作用的模态，也有对结构振动影响很小的模态。显然必须应用某 种 方法找出那些主要的模态，以便了解结构振动特性的实质，这种方法就是模态分析。 振动模态是弹性结构的固有的、整体的特性。如果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各阶主要模态的特性，就可能预言结构在此频段内在外部 或内部各种振源作用下实际振动响应。因此，模态分析是结构动态设计及设备的故障诊断的重要方法。 态分析方法 模态分析方法分为理论（解析）模态分析和 试 验模态分析 其中 )理论（解析）模态分析或称模态分析的理论过程，是 指以线形振动理论、有限元理论及方法（也可包括传递矩阵理论及方法） 为基础，以计算机及工程分析软件（ 手段，以建立研究对象物理参数及求解其动态特性为目标的研究激励、系统，响应三者之间关系的模态分析 如图所示 。理论模态分析实际上是一种理论建模及分析过程，其实施过程： 1)运用有限元理论及方法或其他方法（如集中参数法或传递矩阵法等）对振动结构进行离散、分析、再综合成整体，以建立其有限元理论模型，即建立有限元运动微分方程。 2)一般在比例阻尼和无阻尼的假设条件下，建立有限元理论模型的特征问题的数学模型，用各种近似方法（如子空间迭待法等）求解其特征值和特征向量，进而运用线形振动理论建立其模态参数模型。 3)根据模态参数模型，求其频率响应函数（或传递函数）、脉冲响应函数，就可导出其非参数模型。 4)理论模型的工程应用。 a) 理论模态分析 限元法 有限元法（ 于本世纪四十年代初期， 有限元方法的基物理参数模型 非参数模型 模态参数模型 工程应用 本思想是将结构离散化，用有限个容易分析的单元来表示复杂的对象，单元之间通过有限个节点相互连接，由于单元的数目是有限的，节点的数目也是有限的，所以称为有限元法。 有限元理论的发展为精确而全面地计算曲轴应力提供了条件。总体来看，已有的曲轴有限元分析的研究对象都是针对某种具体型号曲轴，而且从模型和边界条件的处理上存在较大的差别：在模型方面，二维平面模型和三维计算模型的 1/4 或 1/2 拐模型和单拐模型乃至整体曲轴模型都有采用；载荷处理上一般只考虑了 单一受载情况，而忽略了扭矩和惯性力的作用；连杆轴颈表面作用力和主轴颈约束采用不同的简化处理方法。同时，有限元软件也层出不穷，目前常用的有： I 。在美国、西欧、日本等发达国家和地区有限元分析早已作为一种基本的设计手段，尤其是在内燃机产品开发中的使用，大大的推动了发动机工业的发展。近几年来，随着计算机软硬件水平的提高，发动机零部件有限元技术又取得了许多新发展，由此也带出了新的研究课题。 题研究拟采用的手段 应用 件对 490Q 柴油机曲轴进 行分析 有限元网格划分 确定边界条件，施加载荷 曲轴的工况分析 模 e 或其他三维 件建模 三 课题的准备情况及进度计划 ： 1 周 2 周：查阅搜集资料，学习有关知识； 3 周 4 周：自学模态分析的基本理论及方法；自学 有限元法的基本理论，了解有限元分析的基本步骤； 5 周 6 周：自学 有限元分析软件 7 周 10 周：应用 有限元分析软件 立 曲轴 的三维模型并进行曲轴自由模态计算，要求求解曲轴前六阶固有 频率，分析计算结果 ； 11 周 12 周：撰写毕业论文，准备答辩。 四 参考文献 ： 1 苏铁雄，张儒华 ,蔡坪 ,等 车用发动机 ,1995,(4):35 40. 2 费少梅 内燃机工程 ,1998,(3):26 29. 3 李桂琴 ,钱伯雄 拖拉机与农用运输车 ,1997(5):19 24. 4 苏铁熊 ,张保成 柴油机设计与制造 ,2002,(2):15 17. 5 丁彦闯 ,牛天兰 ,吴昌华 ,等 内燃机工程 ,1999,(4):32 36,42. 6 巨建民 ,吴昌华 车用发动机 ,1996,(5):3232. 7蒲军平 , 吴昌华 计算结构力学及应用 ,1994,(3):330 335. 8苏铁熊 ,王和平 ,张保成 华北三维有限元计算，求解前十二阶固有频率 分析结果 工学院学报 ,2002,(1):71 74. 9 蒲明辉 , 黄世伟 油 机 曲 轴 有 限 元 分 析 . 广 西 大 学 学报 ,2000,25(2):101 104. 10丁培杰 ,吴昌华 状与展望 2003,(3):74 79. 11孙军 ,桂长林 ,李霞 论与回顾 2002,(2):179 184 12孙军 ,汪景峰 内燃机 ,2004,(1):14 17 13廖日东 ,左正兴 ,樊利霞 ,等 内燃机学报 ,1999,(2):191 196 14伏泽民 ,李延平 ,常勇 ,等 境中柴油机曲轴静动特性的有限元分析 2006,28(1):34 38 15冯国胜 ,张幽彤 ,张玉申 内燃机工程 ,2003,24(2):74 77 16刘波 武汉理工大学硕士学位论文 武汉理工大学 ,2006. 17 J., c of of 1991, p 197 摘要 曲轴是柴油机重要部件，本文在介绍 490据三维有限元分析理论和多自由度系统振动模态分析理论，运用 采用有限单元法 ,对 490Q 柴油机曲轴进行了符合实际情况的三维建模 ， 对柴油机曲轴的整体进行有限元 自由 模态分析，提取出它的前十二阶模态固有频率和振型，参考其总体位移变化云 图对曲轴整体振动特性进行分析和评价 ，结合曲轴应力应变云图，对曲轴结构 强度 进行分析， 为柴油机优化、改进设计提供了有价值的理论依据 。 关键词 :曲轴；有限元； 模态分析 he is an of a of 90Q at of on -D by up a 32190 s to 2 on to OF a of 目录 1 引言 . 1 题研究背景 . 1 题研究的意义 . 1 究任务 . 2 2 曲轴的功用和工作条件 . 3 用 . 3 作条件 . 3 3 模态分析的基本理论 . 5 态的概念 . 5 态分析方法 . 5 限元法 . 6 题研究拟采用的手段 . 6 4 介 . 7 件主要功能 . 7 件主要特点 . 7 运行环境（ . 8 5 基本使用 . 9 6 模态分析 . 16 模态分析的定义 . 16 模态提取方法 . 16 7 490Q 柴油机 曲轴 自由模态 分析 . 18 几何建模 . 18 曲轴自由模 态分析 . 26 获取处理图形和数据结果 . 28 结论 . 33 参考文献 . 34 致谢 . 36 天津工程师范学院 2008 届本科生毕业论文 1 1 引言 题研究背景 曲轴是发动机中最重要的运动部件之一。它的尺寸参数还影响着发动机整体尺寸、重量和制造成本，并且在很大程度上影响着发动机的可靠性和寿命。曲轴在工作中承受着汽缸内周期性变化的气体压力、往复运动质量及旋转质量惯性力引起的周期性变化的载荷，并对外输出扭矩，因此承受交变的拉伸、压缩、弯曲和扭转的复合应力，同时还有弯曲振动， 从而会引起曲轴疲劳失效，而一旦失效，就可能引起其他零件随之破坏。所以对于整体式多缸发动机曲轴，如何比较准确地得到应力、 变形的大小及分布，对用于指导曲轴的优化、改进和设计具有重要意义 1。 随着科技的进步和使用要求的不断提高，以经验和试制、实验为典型特征的传统设计方法已远不能满足现代产品对性能的需求，取而代之的是以计算机为基本工具，以数值仿真分析为主要手段的现代设计理论和方法的广泛应用。汽车发动机设计是典型的机械系统设计，针对汽车发动机的现代设计技术研究具有代表性意义。曲轴是汽车发动机至为关键的部件之一，其 性能优劣直接影响着汽车发动机的可靠 性和寿命，所以利用计算机仿真对曲轴设计及生产有着积极的指导作用 2。 有限元技术的出现，为工程设计领域提供了一个强有力的计算工具。经过迄今约半个世纪的发展，它已日趋成熟实用。发动机零部件的设计是有限元技术最早的应用领域之一。有限元技术在发动机零部件设计中的广泛应用，提高了设计的可靠性，优化了结构，缩短了设计周期，降低了设计成本，大大推动了发动机工业的发展 3。 题研究的意义 曲轴是发动机中最重要、载荷最大、价格最高的零件之一。曲轴承受着气缸内的气体压力及往复和 旋转质量惯性力引起的周期性变化的载荷 ,并对外输出扭矩 ,曲轴还有扭转振动 ,因此在曲轴内产生交变的弯曲应力和扭转应力 ,可能引起曲轴疲劳失效 ,而一旦曲轴失效 ,就可能引起其它零件随之破坏。所以对于整体式多缸机曲轴 ,如何比较准确地得到应力、变形的大小及分布和曲轴的固有频率及振形 ,对用于指导曲轴的设计和改进 ,具有重要意义。本文采用有限单元法 ,对 490Q 柴油机曲轴进行了符合实际情况的三维建模 ,研究了整体曲轴的变形和应力状态 ,校核了曲轴在交变载荷下的疲劳强度 ,探讨了目前曲轴应力有限元计算中广泛采用的单拐力学模型的可靠性 ,并 对曲轴进行了模态分析 , 曲轴的模态分析能准确地确定振形节点位置 ,并能快速地分析曲轴尺寸、平衡块大小与布置、曲轴材料等因素对轴系动特性的影响。这对产品天津工程师范学院 2008 届本科生毕业论文 2 改进和开发选择较优的轴系参数是很有效的 。 随着柴油机的不断强化，曲轴的工作条件愈加苛刻，保证曲轴的工作可靠性至关重要，其设计是否可靠，对柴油机的使用寿命有很大影响，因此在研制过程中需给予高度重视。由于曲轴的形状及其载荷比较复杂，对其采用经典力学的方法进行结构分析往往有局限性。有限元法是根据变分原理求解数学物理问题的一种数值计算方法，是分析各种结构问题的强有力的工具 ，使用有限元法可方便地进行分析并为设计提供理论依据随着柴油机的不断强化，曲轴的工作条件愈加苛刻，保证曲轴的工作可靠性至关重要，其设计是否可靠，对柴油机的使用寿命有很大影响，因此在研制过程中需给予高度重视。由于曲轴的形状及其载荷比较复杂，对其采用经典力学的方法进行结构分析往往有局限性。有限元法是根据变分原理求解数学物理问题的一种数值计算方法，是分析各种结构问题的强有力的工具，使用有限元法可方便地进行分析并为设计提供理论依据 45。 究任务 （ 1）了解模态的概念及模态分析的基本理论；掌握有限元解 题思路与步骤； （ 2）了解曲轴的结构及工作特点； （ 3）熟练掌握 限元分析软件。并应用其对 490Q 柴油机曲轴进行有限元模态分析分析。 天津工程师范学院 2008 届本科生毕业论文 3 2 柴油机曲轴的基本叙述 用 和工作条件 曲轴连杆机构是发动机五大机构之一。其曲轴是内燃机的一个重要零部件，也是内燃机中成本最高的零件，它的尺寸较大、材料昂贵、形状复杂、 加工精度要求很高。曲轴的主要功用是把活塞、连杆传来的气体压力、往复惯性力和旋转惯性力，转变为转矩，驱动汽车的传动系统和发动机的配器机构，及其它辅助装置（如喷油泵、水泵、机油泵、发电机、风扇等）。在周期性变化的气压力、往复和旋转运动引起的惯性力以及它们的弯扭矩共同作用下，使得曲轴在工作过程中既弯曲又扭转，因此，曲轴应具有足够的抗弯曲、抗扭转的疲劳强度和刚度；轴颈应具有足够大的承压表面和耐磨性；曲轴的质量应尽量小，对各轴颈的润滑应该充分。 轴的分类 曲轴的可根据不同的方式分类。从结构上可分为整体式曲轴和组合式曲轴；主从轴承可分为滑动轴承式曲轴和滚动轴承式曲轴；根据曲柄臂的特点，曲轴又分为普通型和圆盘形两种。对车辆发动机来说，整体式曲轴用的最多，其中又以采用滑动轴 承的占绝大多数。曲轴的不同结构型式，会使整个发动机结构有很大的变化，还会涉及到曲轴的制造方法与成本。所以要根据发动机的用途、要求和制造条件来考虑。本文选用多支承式滑动轴承整体式曲轴。 轴的结构设计 曲轴的 结构形式有很多种。 从结构上可分为整体式曲轴和组合式曲轴；主从轴承可分为滑动轴承式曲轴和滚动轴承式曲轴；根据曲柄臂的特点，曲轴又分为普通型和圆盘形两种。对车辆发动机来说，整体式曲轴用的最多，其中又以采用滑动轴承的占绝大多数。曲轴的不同结构型式，会使整个发动机结构有很大的变化，还会涉及到曲轴的制造方法 与成本。所以要根据发动机的用途、要求和制造条件来考虑。本文选用多支承式滑动轴承整体式曲轴 6。 天津工程师范学院 2008 届本科生毕业论文 4 （ a）整体式 （ b） 组合式 1 2图 2整体式曲轴和组合式曲轴 1 2柄销） 3 4 5 6图 2四缸直列式曲轴示意图 天津工程师范学院 2008 届本科生毕业论文 5 3 模态分析的基本理论 态的概念 模态是机械结构的固有振动特性。用于反映模态特征的参数，如固有频率、阻尼比和模态振型。每一阶模态都拥有与其相 对的模态参数，各阶模态的叠加就是结构固有振动特性的全貌。 模态分析是研究结构动力特性的一种近代分析方法。 基于线形叠加原理，一个结构的复杂振动是由无数阶模态叠加的结果，其中有对结构振动起主要作用的模态，也有对结构振动影响很小的模态。显然必须应用某种方法找出那些主要的模态，以便了解结构振动特性的实质，这种方法就是模态分析。 振动模态是弹性结构的固有的、整体的特性。如果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各阶主要模态的特性，就可能预言结构在此频段内在外部或内部各种振源作用下实际振动响应。因此，模 态分析是结构动态设计及设备的故障诊断的重要方法。 态分析方法 模态分析方法分为理论（解析）模态分析和试验模态分析其中 )理论（解析）模态分析或称模态分析的理论过程，是指以线形振动理论、有限元理论及方法（也可包括传递矩阵理论及方法）为基础，以计算机及工程分析软件（ 手段，以建立研究对象物理参数及求解其动态特性为目标的研究激励、系统，响应三者之间关系的模态分析如图所示。理论模态分析实际上是一种理论建模及分析过程，其实施过程： 1)运用有限元理论及方法或其他方法（如集中参数法或传递矩阵法等）对振动 结构进行离散、分析、再综合成整体，以建立其有限元理论模型，即建立有限元运动微分方程。 2)一般在比例阻尼和无阻尼的假设条件下，建立有限元理论模型的特征问题的数学模型，用各种近似方法（如子空间迭待法等）求解其特征值和特征向量，进而运用线形振动理论建立其模态参数模型。 3)根据模态参数模型，求其频率响应函数（或传递函数）、脉冲响应函数，就可导出其非参数模型。 4)理论模型的工程应用 7。 物理参数 模型 非参数模型 模态参数 模型 工程应用 天津工程师范学院 2008 届本科生毕业论文 6 限元法 有限元法（ 于本世纪四十年代初期，有限元方法的基本 思想是将结构离散化，用有限个容易分析的单元来表示复杂的对象，单元之间通过有限个节点相互连接，由于单元的数目是有限的，节点的数目也是有限的，所以称为有限元法。 有限元理论的发展为精确而全面地计算曲轴应力提供了条件。总体来看，已有的曲轴有限元分析的研究对象都是针对某种具体型号曲轴，而且从模型和边界条件的处理上存在较大的差别：在模型方面，二维平面模型和三维计算模型的 1/4 或1/2 拐模型和单拐模型乃至整体曲轴模型都有采用；载荷处理上一般只考虑了单一受载情况，而忽略了扭矩和惯性力的作用；连杆轴颈表面作用力和主轴颈约束采 用不同的简化处理方法。同时，有限元软件也层出不穷，目前常用的有： I 8。在美国、西欧、日本等发达国家和地区有限元分析早已作为一种基本的设计手段，尤其是在内燃机产品开发中的使用，大大的推动了发动机工业的发展。近几年来，随着计算机软硬件水平的提高，发动机零部件有限元技术又取得了许多新发展，由此也带出了新的研究课题。 课题研究拟采用的手段 应用 件对 490Q 柴油机曲轴进行分析 曲轴的工况分析 有限元网格划分 确定边界条件，施加载荷 三维有限元计算，求解前十二阶固有频率 调出分析结果 天津工程师范学院 2008 届本科生毕业论文 7 4 介 一种广泛的商业套装工程分析软件。所谓工程分析软件，主要是在机械结构系统受到外力负载所出现的反应，例如应力、位移、温度等，根据该反应可知道机械结构系统受到外力负载后的状态，进而判 断是否符合设计要求。一般机械结构系统的几何结构相当复杂，受的负载也相当多，理论分析往往无法进行。想要解答，必须先简化结构，采用数值模拟方法分析。由于计算机行业的发展，相应的软件也应运而生， 件在工程上应用相当广泛，在机械、电机、土木、电子及航空等领域的使用，都能达到某种程度的可信度，颇获各界好评。使用该软件，能够降低设计成本，缩短设计时间。 到 80 年代初期，国际上较大型的面向工程的有限元通用软件主要有： 。以 代表的工程数值 模拟软件，是一个多用途的有限元法分析软件，它从 1971 年的 本与今天的 本已有很大的不同，起初它仅提供结构线性分析和热分析，现在可用来求结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题的解答。它包含了前置处理、解题程序以及后置处理，将有限元分析、计算机图形学和优化技术相结合，已成为现代工程学问题必不可少的有力工具。 件主要功能 件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元软件，可广泛的用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子 、土木工程、生物医学、水利、日用家电等一般工业及科学研究。该软件提供了不断改进的功能清单，具体包括：结构高度非线性分析、电磁分析、计算流体力学分析、设计优化、接触分析、自适应网格划分及利用 数设计语言扩展宏命令功能。 件主要特点 主要技术特点： 唯一能实现多场及多场耦合分析的软件 唯一实现前后处理、求解及多场分析统一数据库的一体化大型 件 唯一具有多物理场优化功能的 件 唯一具有中文界面的大型通用有限元软件 强大的非线性分析功能 天津工程师范学院 2008 届本科生毕业论文 8 多种求解器分别适用于 不同的问题及不同的硬件配置 支持异种、异构平台的网络浮动，在异种、异构平台上用户界面统一、数据文件全部兼容 强大的并行计算功能支持分布式并行及共享内存式并行 多种自动网格划分技术 良好的用户开发环境 支持的图形传递标准： 与 件的接口 运行环境（ 64 500 000, T or 8 A 000/.0 8 02416A 17 or is . 天津工程师范学院 2008 届本科生毕业论文 9 5 基本使用 境简介 种是交互模式（ 另一个是非交互模式（ 交互模式是初学者和大多数使用者所采用，包括建模、保存文件、打印图形及结果分析等 ，一般无特别原因皆用交互模式。但若分析的问题要很长时间，如一、两天等，可把分析问题的命令做成文件，利用它的非交互模式进行分析。 运行该程序一般采用 入，这样可以定义工作名称，并且存放到指定的工作目录中。若使用 入还需使用命令定义工作文件名或使用默认的文件名，使用该方式进入一般是为恢复上一次中断的分析。所以在开始分析一个问题时，建议使用 入交互模式。 进入系统后会有 6个窗口，提供使用者与软件之间的交流，凭借这 6个窗口 可以非常容易的输入命令、检查模型的的建立、观察分析结果及图形输出与打印。整个窗口系统称为 如图 2 各窗口的功能如下： 1. 应用命令菜单（ 包含各种应用命令，如文件控制（ 对象选择（ 资料列式（ 图形显示（ 图形控制（ 工作界面设定（ 参数化设计（ 宏命令（ 窗口控制（ 辅助说明（ 。 2. 主菜单（ 包含分析过程的主要命令，如建立模块、外力负载、边界条件、分析类型的选择、求解过程等。 3. 工具栏（ 执行命令的快捷方式，可依照各人爱好自行设定。 4. 输入窗口（ 该窗口是输入命令的地方，同时可监视命令的历程。 5. 图形窗口（ 显示使用者所建立的模块及查看结果分析。 6. 输出窗口（ 该窗口叙述了输入命令执行的结果。 天津工程师范学院 2008 届本科生毕业论文 10 图 5界面 有限元法的基本构架 目前在工程领域内常用的数值模拟方法有：有限元法、边界元法、离散单元法和有限差分法，就其广泛性而言，主要还是有限单元法。它的基本思想是将问题的求解域划分为一系列的单元，单元之间仅靠节点相连。单元内部的待求量可由单元节点量通过选定的函数关系插值得到。由于单元形状简单，易于平衡关系和能量关系建立节点量的方程式，然后将各单元方程集组成总体代数方程组，计入边界条件后可对方程求解。 有限元的基本构成： 1. 节点（ 就是考虑工程系统中的一个点的坐标位置，构成有 限元系统的基本对象。具有其物理意义的自由度，该自由度为结构系统受到外力后，系统的反应。 2. 元素（ 元素是节点与节点相连而成，元素的组合由各节点相互连接。不同特性的工程统，可选用不同种类的元素， 使用是必须慎重选则元素型号。 3. 自由度（ f 上面提到节点具有某种程度的自由度，以表示工程系统受到外力后的反应结果。要知道节点的自由度数，请查看那里有每种元素类型的详尽介绍 。 天津工程师范学院 2008 届本科生毕业论文 11 构及命令 架分为两层，一是起始层（ 二是处理层（ 这两个层的关系主要是使用命令输入时，要通过起始层进入不同的处理器。处理器可视为解决问题步骤中的组合命令，它解决问题的基本流程叙述如下： 1. 前置处理（ 1） 建立有限元模型所需输入的资料，如节点、坐标资料、元素内节点排列次序 2） 材料属性 3） 元素切割的产生 2. 求解处理（ 1） 负载条件 2） 边界条件及求解 3. 后置处理（ 于静态结构分析、屈曲分析及模态分析，将解题部分所得的解答如：变位、应力、反力等资料，通过图形接口以各种不同表示方式把等位移图、等应力图等显示出来。 用于动态结构分析，用于与时间相关的时域处理。 典型的分析过程 析过程包含三个主要的步骤： 1. 创建有限元模型 1） 创建或 读入限元模型 2） 定义材料属性 3） 划分网格 2. 施加载荷并求解 1） 施加载荷及设定约束条件 2） 求解 3. 查看结果 1） 查看分析结果 2） 检查结果是否正确 件及工作文件名 分析过程中需要读写文件，文件格式为 中 天津工程师范学院 2008 届本科生毕业论文 12 设定的工作文件名， 由 义的扩展名，用于区分文件的用途和类型，默认的工作文件名是 析中有一些特殊的文件，其中主要的几个是数据库文件 录文件 出文件 果文件 图形文件 图形控制 图形在校验前处理的数据和后处理中检查结果者是非常重要的。 图形常用功能如下： 在实体模型和有限元模型上边界条件显示 计算结果的彩色等值线显示 可以对视图进行放大、缩小、平移、旋转等操作 用于实体显示的橡皮筋技术 多窗口显示 隐藏线、剖面及透视显示 边缘显示 变形比率控制 三维内直观化显示 动画显示 窗口背影的选择 以上功能利用 方便实现，如打开图形控制窗 口（ ） 可对图形进行放大、缩小、平移、旋转等操作。也可通过键盘各三键鼠标实现上操作，同时按下 和鼠标左键并拖移可实现视图的平移；同时按下 和鼠标中键并拖移可实现视图的缩放各 Z 向旋转（上下拖动实现缩放，左右实现旋转）；同时按下 和鼠标中键并拖移可实现视图的 X 及 的有限元分析步骤 1. 前处理 前处理是指创建实体模型及有限元模型。它包括建立实体模型、定义单元属性、划分网格、模 型修正等几个方面的内容。与 类似， 数学的方式表达结构的几何形状，可以在里面划分节点和单元，还可以在几何模型边界上方便地施加载荷，但是实体模型并不参与 计算过程，而是 施加在实体模型边界上的载荷或者约束传递到有限元模型上进行最终的求解。 （ 1） 建模 天津工程师范学院 2008 届本科生毕业论文 13 建立模型在整个分析过程中所花费的时间应该远远多于其它过程。首先必须指定作业名和分析标题（也可使用 件默认的作业名和标题，但不推荐这样做），然后使用 处理）处理器定义单元类型、单元实常数、材料特性和几何模 型。序的单元库中有超过 100 多种的不同单元类型，每一种单元类型都有自己特定的编号和单元类型名；当为材料选择了划分网格的单元类型时，接下来应该输入与此单元类型相关的单元常数。单元类型的实常数是根据所选的单元类型而定的；大多数单元类型在分析时都要指定材料特性， 序可以选择的材料特性有：线性或非线性、各向同性、正交异性或非弹性、不随温度而变化或随着问题变化；接下来就可以创建几何模型， 提供两种创建有限元模型的方法：实体建模和直接生成。可以根据自己的需要选择合适的方式来生成有限元模型 。 虽然 件的前处理模块具有建模功能，但与其他 件相比，其功能还不够强大，对于一些形状较复杂的模型，建构起来还非常困难。因此，设置了与多种件如 、 的数据交换接口。通过这个接口，可以把模型直接传入 ，然后进行网格划分，加载求解等过程，此种方法适用于一些复杂的三维实体模型 12。 （ 2） 网格划分 在 序当中，网格划分是在几何模型建立好之后，最终进行求解之前完成的，也就是说，它既可以放在加载之前，也可以放在加载之后。在 ，有限 元的网格是由程序自己来完成的，用户所要做的就是通过给出一些参数与命令来对程序实行“宏观调控”。总的来说， 网格划分有两种。第一种是自由划分网格（ 主要用于划分边界形状不规则的区域，它所生成的网格相互之间是呈不规则的排列的。常常对于复杂形状的边界选择自由划分网格。它的缺点是 分析精度往往不够高。第二种是映射网格划分（ 该方法是将规则的形状（如正方形，三棱柱等）映射到不规则的区域（如畸变的四边形、底面不是正多边形的棱柱等）上面，它所生成的网格相互之间是呈规则的排列的，分析的精度也很高。但是，它要求划分区域满足一定的拓扑条件，否则就不能进行映射网格划分。而且该方法对于复杂形状的边界模拟能力较自由划分网格差。在非边界区域尽可能地采用映射网格划分，只有对于形状复杂的边界才采用自由划分网格。当然，对于精度条件不是很高的情况下，且没有足够的时间，不妨采用自由划 分网格。 在对模型划分网格之前，甚至在建立模型之前，确定是采用自由（ 格还是采用映射（ 格进行分析是十分重要的。自由网格对于单元形状没有限制，并且对模型没有特定的要求。与自由网格相比，映射网格对其包含的单元形状有限制，而且要求几何模型必须满足特定的规则。 在 序的前处理当中有功能强大的自动划分网格模块（ ,我们天津工程师范学院 2008 届本科生毕业论文 14 可以通过该功能快捷有效地将几何模型转化为物理模型（单元）。在 项下面，有绝大部分常用的网格划分功能，至于完整的网格划分功能，则都包含在面 13。 有限元网格划分过程包括 3 个步骤： 1）定义单元属性； 2）设置网格控制； 3）生成网格。 对于机械结构进行有限元网格划分，从理论上来讲是任意的，但在实际工作中必须考虑到现实性及经济性，因而在划分时，必须遵循下列原则： （ 1） 所选用的单元不应使受力状态失真； （ 1） 结构的简化应确保所需要的计算精度； （ 2） 尽可能利用对称性、重复性，从而压缩所需的计算机内存量，减少计算时间； （ 4） 要选择恰当的数学模型，保证计算精度，减少计算时间，降低计算费用。 2. 加载 对有限元模型的加载有两层含 义：一是加约束，二是加载荷。根据受力分析，对已经划分完网格的数据模型进行简化，模拟真实情况下实体所受到的约束与载荷。大多数载荷既可施加于实体模型（关键点、线和面）上也可以施加于有限元模型（节点和单元）上。但 求解期期望所有载荷应该依据有限元模型，因此，如果将载荷施加于实体模型，在开始求解时， 自动将这些载荷转换到节点和单元上，当然也可以通过命令转换。 在求解前，要定义好材料特性，预定义的材料特性为： 弹性模量 :E 泊松比 : 密度： 载荷施加于实体模型上有如下优点： 实 体模型载荷独立于有限元网格。所以可以改变单元网格而不必改变施加的载荷 。 与有限元模型相比，实体模型通常包括较少的实体（点线面图元相对于节点和 元来讲要少许多）。因此，选择实体模型的实体并在这些实体上施加载荷要容易得多，尤其是通过 作时。 载荷施加于实体模型上有如下缺点： 格划分命令生成的单元处于当前激活的单元坐标系中。网格划分命令生成的节点使用整体笛卡儿坐标系。因此，实体模型和有限元模型可能具有不同的坐标系，加载的方向也会因此而不同。 在缩减分析中，实体模型载荷不是很方便，此时，载 荷施加于主自由度（只天津工程师范学院 2008 届本科生毕业论文 15 能 节点而不能在关键点定义主自由度）。 不能显示所有实体模型载荷。 如前所述，在开始求解时，实体模型载荷将自动转换到有限元模型。 改写任何已存在于对应有限元实体上的载荷。 载荷施加于有限元模型有如下优点： 在缩减分析中，可将载荷直接施加在主节点。 缺点： 任何对于有限元网格的修改都将使载荷无效，需要删除先前的载荷并在新网格重新施加载荷。 不便使用图形拾取施加载荷。除非仅包含几个节点或单元。 3. 后处理 后处理是指检查并分析求解的结果的相关操作。这是分析中最重要的一环之一，因 为任何分析的最终目的都是为了研究作用在模型上的载荷是如何影响设计的。检查分析结果可使用两个后处理器： 用后处理器）和 间历程后处理器）。 许检查整个模型在某一载荷步和子步（或某一特定时间点或频率）的结果。 以检查模型的指定节点的某一结果项相对于时间、频率或其他结果项的变换。 需要注意的是 后处理器仅是用于检查分析结果的工具。要判断一个分析的结果是否正确，或者对结果进行解释，仍然需要工程判断能力。 天津工程师范学院 2008 届本科生毕业论文 16 6 的模态分析 态分析的定义 模态分析用于确定设计机构或机器部件的振动特性 (固有频率和振型 )，即结构的固有频率和振型，它们是承受动态载荷结构设计中的重要参数。同时，也可以作为其他动力学分析问题的起点，例如瞬态动力学分析、谐响应分析和谱分析。其中模态分析也是进行谱分析或模态叠加法谱响应分析或瞬态动力学分析所必需的前期分析过程。 模态分析可以对有预应力的结构进行模态分析和循环对称结构模态分析。前者有旋转的涡轮叶片等模态分析，后者则允许在建立一部分循环对称结构的模型来完成对整个结构的模态分析。 的模态分析是一个线性分析。任何非线性特性，如塑性和接触 (间隙 )单元，即使定义了也将被忽略。 模态提取方法 典型的无阻尼模态分析求解的基本方程是经典的特征值问题： 2 其中： K刚度矩阵， 特征向量 )， 是特征值 )， 2M质量矩阵 有许多数值方法可用于求解上面的方程。 供了 7 种模态提取方法。它们是： 分块兰索斯 )法 分块兰索斯 (特征值求解器采用 法， 法是用一组向量来实现 归计算。当计算某系统特征值谱所包含一定范围的固有频率时，采用分块兰索斯 (提取模态特别有效。计算时，求解从频率谱中间位置到高频端范围内的固有频率时的求解收敛速度和求解低阶频率时基本上一样快。其特别适用于大型对称特征值求解问题。 子空间 )法 空间）法使用子空间迭代技术，它内部使用广义的 法，天津工程师范学院 2008 届本科生毕业论文 17 主要适用于大型对称特征值求解问题。可以用几种求解控制选项来控制子空间迭代过程。 适用于非常大的模型（ 100,000 个自由度以上）。此法特别适合于只求解结构前几阶模态以了解结构将如何响应的情形，接着可以选择合适的提取方法（ 得最终的解。这种方法自动采用集中质量 （ N）。当在批处理或命令方式中使用 法时，首先应该用命令 着再用命令 缩减 )法 比 快，因为它使用了缩减的系统矩阵采计算解。但是由于缩减质量矩阵是近似矩阵，此法的精度较低 。 非对称 )法 用于系统矩阵为非对称矩阵的问题，例如流体 结构相互作用问题。 阻尼 )法 用于阻尼不可忽略的问题，例如轴承问题。 尼 )法 尼 )法最关键的思想是，以线性合并无阻尼系统少量数目的特征向量近似表示前几阶复阻尼特征值。采用实特征值求解无阻尼振型之后，运动方程将转化到模态坐标系。然后，采用 个相对较小的特征值问题就可以在特 征子空间中求解出来了。 该方法能够很好地求解大阻尼系统模态解。由于该方法的计算精度取决于提取的模态数目，所以建议提取足够多的基频模态，这样才能保证得到好的计算结果。 在大多数分析过程中将选用 、 、 或。 和 只在特殊情形下会用到。在指定某种模态提取方法后， 自动选择合适的方程求解器。在 和 不可用 16. 天津工程师范学院 2008 届本科生毕业论文 18 7 490Q 柴油机 曲轴 自由模态的分析 1）采用 底向上建模法直接建模 2）对模型进行网格划分 3）采用模态分析 分块兰索斯 )法进行求解 何建模 采用 底向上法直接建模 。 第 1步：设定分析范围 1 选取菜单 如图 7单击 项使之为 击 图 7 2步 定义单元类型 1 选取菜单途径 2 话框出现。 3 单击 话框出现。 4 在左边的滚动条框中单击“ . 5 在右边的滚动框中单击“ 02” . 6 单击 天津工程师范学院 2008 届本科生毕业论文 19 7 单击 8 单击 话框中的
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