单车ansys有限元分析

1 34 广州大学机械设计制造及其自动化特色专业 机机械械设设计计 报报告告 设计题目设计题目 单车的设计及单车的设计及 ansysansys 有限元分析有限元分析 专业班级专业班级 0909 机械机械 1 1 班班 姓姓 名名 冯进福冯进福 学学 号号 09150200640915020064 指导老师指导老师 江江 帆帆 完成日期完成日期 2012 6 192012 6 19 2 34 单车的设计及 ansys 模拟分析 一 单车实体设计与建模 1 总体设计 单车的总体设计三维图如下 采用 pro e 进行实体建模 建模时主要分为三个部分即 前轮 车架 后轮 然后进行组装 此单车是基于现有的单车进行改善 使车身的结构更 加简单 减轻其自身的重量 同时也减少了骑车者的负担 让骑车者骑车时感觉更舒服 而且单车停放时占地小 方便停放 2 车架 车架是构成单车的基体 联接着单车的其余各个部件并承受骑者的体重及单车在行驶时 经受各种震动和冲击力量 因此除了强度以外还应有足够的刚度 这是为了在各种行驶条 件下 使固定在车架上的各机构的相对位置应保持不变 充分发挥各部位的功能 车架分 为前部和后部 前部为转向部分 后部为驱动部分 由于受力较大 所有要对后半部分进 行加固 3 34 3 前后轮 前后轮 前轮和后轮 的作用是承受单车本身和骑车者的全部重量 另一个作用是车轮 的旋转推动单车向前走及转向 因此必须具有足够的强度 以免在行驶中受到震动发生折 断 同时要求车轮须圆正 可保持在旋转时平稳 此外车轮结构要有适当弹性 以增强避 震性 提高骑行者的舒适性 二 单车有限元模型 1 材料的选择 单车的车身选用铝合金 6061 T6 T6 标志表示经过热处理 时效 其属性如下 弹性模量 2 N m1090E 6 4 34 泊松比 0 33 质量密度 2 N m32 70E 抗剪模量 2 N m1060E 2 屈服强度 2 N m875E 2 2 单车模型的简化 为了方便单车的模拟分析 提高电脑的运输效率 可对单车进行初步的简化 单车受到 的力的主要由车架承受 因此必须保证车架能够有足够的强度 刚度 抗振的能力 故分 析的时候主要对车架进行分析 简化后的车架如下图所示 3 单元体的选择 单车车架为实体故定义车架的单元类型为实体单元 solid 查资料可以知道 3D 实体 常用结构实体单元有下表 单元名称说明 Solid45 三维结构实体单元 单元由 8 个节点定义 具有塑性 蠕变 应力刚化 大变 形 大应变功能 其高阶单元是 solid95 Solid64 用于模拟三维各向异性的实体结构 单元由 8 个节点定义 本单元具有大变形 大应变功能 Solid65 用于模拟三维有钢筋或无钢筋的混凝土模型 该单元能够计算拉裂和压碎而且 该单元可应用与加筋复合材料 如玻璃纤维 及地质材料 如岩石 等 Solid92 具有二次位移特性 非常适合模拟不规则模型 例如由各种 CAD CAM 系统产生 的网格模型 此单元具有塑性 蠕变 膨胀 应力刚化 大变形和大应变等功 能 Solid95 Solid45 solid185 单元 Solid147 砖形单元 最多支持阶数为 8 的项式 5 34 Solid148 四面体单元 最多支持阶数为 8 的多项式 Solid185 用于建立三维实体结构模型 单元有 8 个节点定义 其高阶单元是 solid95 Solid186 用于建立三维实体结构模型 单元有 20 节点定义的结构实体单元 Solid187 高阶三维 10 节点实体单元 适用于产生不规则网格模型 solid92 是它的类似 单元 根据上表各单元结构的特点初步选择单元 solid45 4 网格的划分 1 将 IGES 格式的车架导入 ansys 中 file import IGES 找到格式为 IGES 的车架文件 文件导入后如下图 2 选择单元体 Main Menu Preprocessor Element Type Add Edit Delete Add 弹出对话框选择下图 所示的单元体 3 定义车架材料的属性 6 34 Main Menu Preprocessor Material Props Material Models 按照下图给车架定义材 料属性 定义材料的弹性模量 泊松比 0 33 2 N m1090E 6 定义材料的质量密度 2 N m32 70E 4 画分网格 7 34 Main Menu Preprocessor Meshing Mesh Tool 弹出的对话框中设置网格的边界长度 设为 10 点 Mesh pick all 自动生成网格如下图所示 三 单车静强度分析 1 导入已画分好的模型网格 2 进行菜单过滤 Main Menu Preferences 弹出的对话框中勾选 Structural 点 OK 8 34 3 定义分析类型 Main Menu Solution Analysis Type New Analysis 勾选 Static 点 OK 4 定义求解控制菜单 选择 Main Menu Solution Analysis Type Sol n Controls 命令 打开对话框勾选 Calculate prestress effects 项 OK 5 施加约束 选择 Main Menu Solution Define Loads Apply Structural Displacement On Areas 分别选择前后轮支架的四个接触面为约束面 点 OK 弹出的对话框中选择 All DOF OK 完成约束 9 34 6 施加载荷 假设驾驶人的重量为 60kg 那么作用在单车上的力的大小就为 600N 设定安全系数为 3 则施加在单车上面的力大小为 1800N 选择 Main Menu Solution Define Loads Apply Structural Pressure On Areas 选择与座包接触的支管的面 如下图所示 点 OK 弹出的对话框中在 VALUE Load PRES value 处设置参数为 1800 OK 完成 10 34 7 打开输出设置菜并设置参数 选择 Main Menu Solution Load Step Opts Output Ctrls Solu Printout 弹出的对 11 34 话框中勾选 Every substep OK 完成 8 计算 选择 Main Menu Solution Solve Current LS 弹出的对话框如下 点 OK 继续 接着会弹出提示的对话框 点 Yes 然后系统开始运算 当提示出现 Solution is done 对话框表示运算完成 点 Close 运算结束后的车架模型 12 34 9 查看等效应力 应变结果 a 查看应变结果 Main Menu General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal Solu 弹出对话框 中 如下图 选择 Nodal Solution 在 Undisplaced shape key 中选择 Deformed shape with undeformed model 方便区分变形前后的对比 分别查看 X Y Z 和总的应变图 X 方向的变形图 13 34 Y 方向的变形图 Z 方向的变形图 14 34 总的变形图 b 等效应力的结果 15 34 Main Menu General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal Solu 弹出对话框 中 如下图 选择 Nodal Solution Stress von Mises stress 在 Undisplaced shape key 中选择 Deformed shape only 四 模态分析 1 定义分析的类型 选择 Main Menu Solution Analysis Type New Analysis 弹出对话框勾选 Modal OK 完成 16 34 2 打开定义分析类型菜单 选择 Main Menu Solution Analysis Type Analysis Options 弹出 Modal Analysis 对话框 在 No of modes to extract 和 NMODE No of modes to expand 填 15 OK 完成 弹出对话框中在 FREQE End Frequency 中设置 10000 OK 完成 3 施加约束条件 选择 Main Menu Solution Define Loads Apply Structural Displacement On 17 34 Areas 分别选择前后轮支架的四个接触面为约束面 点 OK 弹出的对话框中选择 All DOF OK 完成约束 4 进行输出菜单的设置 选择 Main Menu Solution Load Step Opts Output Ctrls Solu Printout 弹出的对 话框中在 Item for printout control 出选择 All items 在 Print frequency 处勾选 Every substep OK 完成 18 34 5 进行运算 选择 Main Menu Solution Solve Current LS 弹出的对话框如下 点 OK 继续 接着会弹出提示的对话框 点 Yes 然后系统开始运算 当提示出现 Solution is done 对话框表示运算完成 点 Close 6 分析结果 选择 Main Menu General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal Solu 弹出 对话框中选择 Nodal Solution Stress von Mises stress OK 完成 查看总变形 也可以通过动画观看变形的过程 选择主菜单栏上的 PlotCtrls Animate deformed results 弹出的对话框中左边选择 Stress 右边选择 von Mises SEQV OK 完成 19 34 五 谐响应分析 1 导入已画分好的车架网格模型 2 进行菜单过滤 选择 Main Menu Preferences 弹出的对话框中勾选 Structural 点 OK 20 34 3 设置分析类型 选择 Main Menu Solution Analysis Type New Analysis 勾选 Harmonic OK 4 设定分析选项 选择 Main Menu Solution Analysis Type Analysis Options 出现谐响应分析选项设 置对话框 设定 Solution method 为 Full 设定 DOF printout format 为 Amplitud phase 单击 OK 出现完全法谐响应分析设置对话框 采用默认设置 5 设定输出控制选项 选择 Main Menu Solution Load Step Opts Output Ctrls Soluprintout 弹出对话框 21 34 设定打印频率为 Last substep 6 设置求解选项 选择 Main Menu Solution Load Step Opts Time Frequenc Freq and Substeps 在出 现的对话框中 Harmonic freq range 谐波频率范围 设为 0 和 7 5 Number of substeps 子步数 设为 30 Stepped or ramped b c 加载方式 选择 Stepped Ramped 载荷的幅值随各子步逐渐增长 Stepped 在频率范围内的所有子步载荷将保持恒定的幅值 7 施加约束条件 选择 Main Menu Solution Define Loads Apply Structural Displacement On Areas 分别选择前后轮支架的四个接触面为约束面 点 OK 弹出的对话框中选择 All DOF OK 完成约束 22 34 8 施加简谐激励载荷 Main Menu Solution Define loads Apply Structural Force Moment OnNodes 在 与座包接触的面上选择一个关键节点 弹出的对话框中选择 Z 方向 设定载荷幅值 1800 Real part of force mom 23 34 9 进行求解 选择 Main Menu Solution Solve Current LS 弹出的对话框如下 点 OK 继续 接着会弹出提示的对话框 点 Yes 然后系统开始运算 当提示出现 Solution is done 对话框表示运算完成 点 Close 10 后处理查看结果 选择 Main Menu TimeHist Postpro 如下弹出对话框 点击左上边绿色的图标增加一个 节点 24 34 弹出如下对话框 选择 Nodal Solution DOF Solution Z Component of displacement 选择如下图所示与座包接触的面上的一个节点 也可以选择其他的节点 OK 完成 25 34 返回如下所示对话框 里面增加了刚才选择的那个节点 然后点左上角第三个图标显示图 形 也可以选择不同的节点 其波形图也不同 下图为与转向接触面上的一个节点的曲线图 26 34 六 瞬态动力分析 1 给定载荷随时间变化的曲线图 如下所示 2 定义分析的类型 选择 Main Menu Solution Analysis Type New Analysis 弹出对话框选 Transient OK 默认弹出的对话框 OK 完成 27 34 3 定义求解控制选项 选择 Main Menu Solution Analysis Type Sol n Controls 命令 在 Time at end of loadstep 处填 2 勾选 Time increment 选项 并在 Time step size 后给 0 2 Minimum timestep 后给 0 05 Maximum time step 后给 0 5 设置完后在对 Transient 进行设置 下面第二个图 在 Full Transient Options 处勾选 Ramped loading 在 Mass matrix multiplier 后给值 5 OK 完成 4 施加约束条件 选择 Main Menu Solution Define Loads Apply Structural Displacement On Areas 分别选择前后轮支架的四个接触面为约束面 点 OK 弹出的对话框中选择 All DOF OK 完成约束 28 34 5 定义第一个载荷 选择 Main Menu Solution Define Loads Apply Structural Pressure On Areas 选择与座包接触的支管的面 点 OK 弹出的对话框中在 VALUE Load PRES value 处设置参 数为 1800 OK 完成 29 34 6 定义输出项目 选择 Main Menu Solution Load Step Opts Output Ctrls Solu Printout 弹出的对 话框中在 Item for printout control 处选择 All items 勾选 Every substep OK 完成 7 定义为第一个载荷步 选择 Main Menu Solution Load Step Opts Write LS File 弹出如下对话框 在 Load step file Number n 处填 1 即上面定义的第一个载荷和时间为第一个载荷步 30 34 8 定义第二个载荷步 a 选择 Main Menu Solution Analysis Type Sol n Controls 命令 在 Time at end of loadstep 处填 4 其他值保持默认 设置完后在对 Transient 进行设置在 Full Transient Options 处勾选 Stepped loading 其他值保持默认 OK 完成 b 选择 Main Menu Solution Load Step Opts Write LS File 弹出如下对话框 在 Load step file Number n 处填 2 9 定义第三个载荷步 a 选择 Main Menu Solution Analysis Type Sol n Controls 命令 在 Time at end of loadstep 处填 5 其他值保持默认 设置完后在对 Transient 进行设置在 Full Transient Options 处勾选 Ramped loading 其他值保持默认 OK 完成 b 选择 Main Menu Solution Define Loads Apply Structural Pressure On Areas 选择与座包接触的支管的面 点 OK 弹出的对话框中在 VALUE Load PRES value 处设置参 数为 900 OK 完成 c 选择 Main Menu Solution Load Step Opts Write LS File 弹出如下对话框 在 Load step file Number n 处填 3 10 定义第四个载荷步 a 选择 Main Menu Solution Analysis Type Sol n Controls 命令 在 Time at end of loadstep 处填 6 其他值保持默认 设置完后在对 Transient 进行设置在 Full Transient Options 处勾选 Stepped loading 其他值保持默认 OK 完成 b 选择 Main Menu Solution Load Step Opts Write LS File 弹出如下对话框 在 Load step file Number n 处填 4 11 定义第五个载荷步