弹性胶泥缓冲器打压装置设计及有限元分析

更多相关文档资源请访问HTTP/WWWDOCINCOM/LZJ781219完整CAD设计文件以及仿真建模文件，资料请联系68661508索要毕业设计说明书弹性胶泥缓冲器打压装置设计及有限元分析学生姓名学号学院专业机械设计制造及其自动化指导教师年月弹性胶泥缓冲器打压装置设计及有限元分析摘要缓冲器是各种车辆及机械设备重要的零件，是吸收冲击能，缓和不必要的冲击的必装置，缓冲器质量直接影响到车辆的安全和机器的稳定。在本设计中我们首先通过查阅资料等各种途径对弹性缓冲器的工作原理以及发展现状进行了熟悉。弹性胶泥缓冲器的的填充是一个十分重要的技术环节，在此基础上我们对缓冲器的打压装置进行了分析研究，通过对缓冲器的压力分析，计算出打压机构所需要的各种数据，并根据此来对打压装置进行设计计算，设计出合理的打压装置。此外，我们要对所设计的打压装置进行强度和刚度的分析。因此，我们应用有限元软件ANSYS对打压装置进行了位移，应力，应变分析。并与设计计算的数据进行对比，确保弹性胶泥缓冲器打压机构的安全性。关键字缓冲器，打压装置，有限元，ANSYSSUPPRESSIONDEVICEDESIGNOFFLEXIBILITYCLAYBUFFERANDFINITEELEMENTANALYSISABSTRACTBUFFERISANIMPORTANTPARTSOFVARIOUSVEHICLESANDMACHINERYANDEQUIPMENT,ISUNNECESSARYDEVICESTOABSORBIMPACTENERGY,ANDALLEVIATETHEIMPACTOFTHEBUFFERDIRECTLYAFFECTSTHEQUALITYOFVEHICLESAFETYANDMACHINESTABILITYINTHISDESIGN,WEFIRSTACCESSTOINFORMATIONTHROUGHVARIOUSCHANNELSSUCHASTHEWORKINGPRINCIPLEOFTHEELASTICBUFFERANDTHEDEVELOPMENTSTATUSOFTHEFAMILIARFLEXIBILITYBUFFERFILLINGCLAYISAVERYIMPORTANTTECHNICALASPECT,ONTHISBASIS,WESUPPRESSTHEDEVICEBUFFERWEREANALYZEDBYTHEPRESSUREOFTHEBUFFERISCALCULATEDTOSUPPRESSALLKINDSOFDATANEEDEDFORINSTITUTIONS,ACCORDINGTOTHISCALCULATIONOFTHESUPPRESSIONDEVICEDESIGN,DESIGNAREASONABLESUPPRESSIONDEVICESINADDITION,WEWANTTOSUPPRESSTHEDEVICEDESIGNEDBYTHESTRENGTHANDSTIFFNESSANALYSISTHEREFORE,WEAPPLYTHEFINITEELEMENTSOFTWAREANSYSSUPPRESSIONDEVICEFORTHEDISPLACEMENT,STRESSANDSTRAINANALYSISDESIGNCALCULATIONSWITHCOMPARISONSOFDATAOBTAINEDOFFLEXIBILITYBUFFERTOSUPPRESSBODYCLAYISSAFEINSTITUTIONSKEYWORDSBUFFERS,SUPPRESSINGDEVICE,FINITEELEMENT,ANSYS目录1绪论111选题的背景的和意义112缓冲器研究现状分析1121胶泥缓冲器国内外研究动态1122胶泥缓冲器的工作特性研究2123胶泥材料特性研究2124胶泥缓冲器的模型313胶泥缓冲器的工作原理514有限元法的基本思想62缓冲器胶泥装填机构结构设计821胶泥缓冲器胶泥装填机构工作原理822缸体壁厚的设计计算823活塞杆的设计924活塞的设计925缸盖的设计10251前缸盖的设计10252后缸盖设计1026缸体长度103填充装置活塞杆的有限元分析1231建立模型12311设定分析作业名和标题12322定义单元类型13313定义实常数14314定义材料属性14315建立活塞的三维实体模型16316划分网格1932定义边界条件并求解20321活塞的底部施加位移约束20322活塞的顶部施加载荷2133进行求解2234查看结果24341查看变形24342查看应力27343查看应变2935本章小结314装填装置缸体的有限元分析3241建立模型32411设定分析作业名和标题33412定义单元类型33413定义实常数34414定义材料属性34415建立活塞的三维实体模型36416划分网格4042定义边界条件并求解42421活塞的底部施加位移约束42422在缸体的内圆柱面施加载荷4343进行求解4444查看结果46441查看变形49442查看应力49433查看应变5145本章小结535总结54参考文献55致谢571绪论11选题的背景的和意义弹性胶泥缓冲器是各种车辆及机械设备中的重要零部件，填充物为弹性胶泥，其主要由聚硅氧烷、填充剂、抗压剂、增塑剂和着色剂等组成的未交联共混物8。这种材料的分子螺旋结构决定了其具有很大的可压缩性、粘稠流动性和高弹性，其它液体不可比拟的可压缩性和高弹性决定了这种材料用作缓冲器研究的理想优势。弹性胶泥缓冲器同普通缓冲器性能比较而言2，有如下主要优点容量大、阻抗力小、体积小、质量轻、检修周期长据有关资料报道，波兰产品可以使用10年,免维护,它兼有液压和橡胶缓冲器两者的优点，同时克服了液压缓冲器制造比较复杂、密封困难和橡胶缓冲器吸收率低等缺点23。因此，世界各国争相研制了各国需要的系列产品，我国也有这种产品生产。胶泥打压机是一种填充装置，他的主要目的是将胶泥通过高压注射到胶泥缓冲器中，其基本结构缸体、活塞、活塞杆、缸盖、密封圈等组成。特点是压力范围最广,效率高。本课题研究的目的是在现阶段弹性胶泥缓冲器的大量应用的前提下,对缓冲器的填充问题变得日益重要,为了能够使缓冲器变得更加的适用于现代社会的需要,本课题主要准对弹性胶泥缓冲器的填充做出研究。12缓冲器研究现状分析121胶泥缓冲器国内外研究动态国外对胶泥及其缓冲器的研究始于20世纪60年代,法国DOMANGEJARRET公司率先推出了以胶泥为主体材料的缓冲产品，JARRET公司的产品容量（所吸收的冲击能量）从005KJ到3000KJ，行程从1MM到200MM。并很快在建筑上、铁路上得到应用，如线路端或维修站的起保护作用的车挡缓冲器、车辆间连接缓冲的车钩缓冲器等。到80年代初，波兰华沙工学院试制出新型的胶泥材料，加快了胶泥缓冲器在铁路车辆上的应用，波兰的KAMAKC公司利用这种材料技术并开发出系列缓冲器产品应用于铁路车辆的缓冲。国际铁路联盟UIC在1981年制定了UIC5261标准，并在1985年进行了修订，规范和批准了用于货车的A、B、C三级胶泥缓冲饼产品，A级容量为30KJ，B级容量为50KJ，C级容量为70KJ，缓冲器的行程为105MM。国际铁路联盟UIC1992年7月又通过了行程为130MM和150MM的货车用缓冲饼的生产，并制定了UIC5263标准规范。该系列标准的制定为胶泥缓冲器更广泛的应用奠定了基础，推动了缓冲器在其它车辆的上的应用。122胶泥缓冲器的工作特性研究波兰的KAMAKC公司将其胶泥缓冲饼和传统性缓冲饼装在重80T的车辆上左冲撞试验（80T对80T），试验发现在58KM/H的速度下，传统性的缓冲饼的行程已到极限，而弹性胶泥缓冲饼大约在15KM/H的速度下才到极限，显然弹性胶泥缓冲饼对车辆的保护会比传统性的缓冲饼好。修理厂的资料表明95的车辆端梁破坏事故发生在装有传统性的缓冲饼的车辆上，只有5发生在装有弹性胶泥缓冲饼的车辆上。并且试验表明在40和50范围内，弹性胶泥缓冲饼作用可靠。同时还检验了弹性胶泥缓冲饼的耐久性，试验发现缓冲饼的接受容量至少达到容量的80。俄罗斯铁道部门对KZE5C型胶泥缓冲器进行了初步试验研究。在车辆以不同方式冲撞，车辆上以不同方式配置胶泥缓冲器的情况下，试验结果表明，无论在平稳性和吸收能量方面，还是在冲击力和加速度的大量减小方面，弹性胶泥缓冲器均优于摩擦式缓冲器。1991年俄罗斯研制了一种胶泥缓冲器，该缓冲器1015年免修，总的使用寿命3032年。试验时用总重100T的车辆以15KM/H以下的速度冲撞时，车辆和其运送的货车均能受到保护5。123胶泥材料特性研究胶泥缓冲器研究的缓冲介质粘弹性胶泥材料，是一种高粘度、可流动的、未经硫化的有机硅化合物为基体的合成材料，是由聚硅氧烷、填充剂、抗压剂、增塑剂和着色剂等组成的未交联共混物。其中，主体材料聚硅氧烷是决定弹性胶泥减震性能的主要因素126。根据减震器对弹性胶泥的性能要求，弹性胶泥主体材料只能选用高聚合度线形聚硅氧烷混炼型硅橡胶和烃基硅油。其中，硅橡胶主要为甲基硅橡胶、甲基乙烯基硅橡胶和甲基苯基乙烯基硅橡胶,烃基硅油主要为二甲基硅油和甲基苯弹性胶泥中添加增塑剂和填充剂的目的一是调节粘度、体积压缩率和阻尼值，二是降低成本，添加抗压剂的目的是为在金属缓冲器表面形成稳定的保护膜，以减轻弹性胶泥对金属表面的摩擦磨损2。弹性胶泥的特性1高阻尼性和粘弹性弹性胶泥具有高阻尼和粘弹性的原因是硅橡胶和烃基硅油分子的结构单元含有较多对称的侧甲基，且硅橡胶和烃基硅油分子的聚合度较大时，其粘弹性和阻尼效应较显著。同时，硅橡胶和烃基硅油分子的侧基数目较多、结构对称性好，分子链和链段运动的内摩擦阻力较大，弹性胶泥的阻尼效应较显著，减震性能较好。2体积压缩性弹性胶泥具有体积压缩性的原因是硅橡胶和烃基硅油的分子链呈螺旋状结构，受外力作用时分子链的侧基甲基会向外排列并绕硅氧键旋转，从而引起材料体积变小。弹性胶泥的体积压缩率随着硅橡胶和烃基硅油的相对分子质量提高而减小，而且还与侧基的品种和数量有关。一般情况下,压力达到500MPA时，弹性胶泥的体积压缩率会超过17。外力去除后,弹性胶泥会自行膨胀至体积复原。3流动性弹性胶泥具有流动性的原因是硅橡胶和烃基硅油分子主链的硅氧键易内旋转，分子链柔顺性好，内聚能密度和分子间作用力小，分子易滑移。弹性胶泥的流动粘度应根据减震器的容量能量要求调节。弹性胶泥抗剪切流动性在高压作用下流经窄缝时粘度变化很小，流过窄缝并除去外力后粘度又可恢复好的原因是烃基硅油和硅橡胶分子的硅氧键键能高，分子链柔顺性好，硅氧硅键角可变化。4耐高低温性能弹性胶泥具有优异高温性能的原因是硅橡胶和烃基硅油的分子主链完全是由高键能的硅氧键组成，弹性胶泥具有很好的耐低温性能的原因是硅橡胶和烃基硅油分子主链的硅氧键易内旋转，分子链柔顺性好，内聚能密度小，侧基为非极性基团，分子间作用力小。另外，弹性胶泥的耐老化性和化学稳定性极好。弹性胶泥在70250范围内稳定性极好，使用寿命可达30年17。124胶泥缓冲器的模型法国的DANGEJARRET公司为法国先进的高速列车代TGV开发两种型号的胶泥缓冲器，型号分别是BC20S60B和L7AM3，其容量分别达到了625KJ和58KJ。德国的ICE高速列车也使用了胶泥缓冲器，其容量不小于20KJ。在俄罗斯，全俄铁道科学院牵头进行了胶泥缓冲器的应用研究，并于20世纪90年代初开发了应用于100T货车的胶泥缓冲器，其容量达到60KJ，阻抗达2000KN，能满足车辆15KM/H的调车连挂速度。全俄铁道科学研究院与波兰KAMAKC公司合作开发了用于罐车的73ZW型胶泥缓冲器，容量达到70KJ，行程90MM。胶泥缓冲器在美国、日本、南非、澳大利亚等国铁路部门也进行了应用研究。胶泥缓冲器以其容量大、阻抗低、结构轻巧、检修周期长以及其特殊的特性曲线特点在铁路车辆上得到重视和推广应用，目前在欧洲铁路使用的胶泥缓冲器产品在50万套以上，检修周期一般在10年以上5。欧洲国家的胶泥缓冲器生产技术已相当成熟,且胶泥缓冲器已在航空、桥梁、铁路机车车辆、军事和工程机械等领域广泛应用。我国最早在上个世纪80年代进口的军舰上发现胶泥缓冲器，用来缓和舰炮的冲击，后来在进口汽车上也发现这种胶泥缓冲器。1988年机电部上海材料研究所受机电部一重厂委托承担了胶泥缓冲器这种新技术产品的消化吸收，并开发出了型号521、522、307等几个型号的缓冲器产品，其中最大的容量已达到20KJ，阻抗力仅670KN，行程仅45MM。后来该单位还陆续研制了用于雷达和坦克的胶泥缓冲器，取得了较好的应用效果45。在冶金行业目前批量使用着胶泥的缓冲器和缓冲饼产品，北京的冶金自动化研究院批量的生产用于冶金机械的各类缓冲产品，在胶泥缓冲器技术上有一定的积累。铁道部从上个世纪的80年代末开始关注该项技术，并对该技术研究提供了专项技术资金资助，1989年铁道部科技司以资助性开发课题形式下达任务，由原铁道部四方车辆研究所承担客车胶泥缓冲器研制。到1994年10月，四方所开始与波兰的KAMAKC公司以及波兰的华沙铁道科学院进行胶泥缓冲器方面的技术交流，上世纪90年代末四方所与KAMAKC公司加强了技术合作并成立合资公司，专门开发铁路用车钩缓冲器，推出了几个型号产品进行试验和试用，目前仍在装车试用和效果考核中，由于核心技术仍然由外方掌握，并未进行转让，所以致使胶泥产品的研制开发的进展较慢8。胶泥缓冲器是将具有粘弹性、流动性和体积可压缩性的胶泥置于密闭容器中，用一定的机械结构来实现其减震、平衡、缓冲功能。缓冲器采用不同的结构和材料，可以满足不同的工作需要。既可以设计成粘弹型的缓冲器，也可以设计成粘滞型的缓冲器，还可以设计成弹性缓冲器。胶泥缓冲器工作原理是将弹性胶泥材料装进一个能够承受一定压力的缓冲器活塞缸体内，根据实际应用的需要增加一定的预压缩力，当弹性胶泥缓冲器活塞柱受到一定的压力静压力或冲击力时，活塞利用活塞缸内节流孔或节流间隙以及弹性胶泥材料本身体积被压缩后反作用力产生一定的阻抗力。当弹性胶泥材料受到的预压缩力越大和活塞的运动速度越快，则产生的阻抗力也越大，这有利于提高缓冲器在大冲击下的容量。当缓冲器的活塞被压缩后，缓冲器体内的弹性胶泥处于压缩状态，当作用在活塞柱上外力撤消后，弹性胶泥的体积则会自行产生膨胀，将活塞推回到原始位置，在这个过程中弹性胶泥材料以较慢的速度通过节流孔或节流间隙流回原位，这样就实现了缓冲器的回程运作。图13单出杆式胶泥缓冲器图14双出杆式胶泥缓冲器根据不同配方配制的胶泥，所具有的黏性、弹性、蠕变与松弛等特性均不同。由于胶泥材料的多变性，以及胶泥缓冲器结构的多样性通常是单出杆和双出杆两种，见图13和图14，胶泥缓冲器的工作特性就不同。单出杆式的胶泥缓冲器大多是粘弹型缓冲器，双出杆式缓冲器多是粘滞性的缓冲器。13胶泥缓冲器的工作原理胶泥缓冲器主要由活塞和活塞杆、缸盖、缸体、充料阀等组成，将弹性胶泥装入密闭容器中，根据需要使之产生一定的预压力。其工作过程分为压缩阶段和恢复原阶段当活塞柱受到的外压力小于预压力时，活塞柱静止不动；当外压力大于预压力时，活塞柱向容器内移动，部份活塞柱进入容器内，此时弹性胶泥被压缩，体积缩小，并对活塞柱产生一定反作用力，直至与外压力相等，在这一过程中由于活塞的环形间隙或节流孔的节流作用和弹性胶泥材料的压缩变形吸收冲击能量，摩擦部分将冲击能量的部份以摩擦热和弹性体组成阻尼耗能的形式消耗掉，弹性胶泥接收部分外力动能并转化为胶泥的弹性势能；剩余部份则转化为弹性体组成的弹性势能；由于胶泥材料的特性，当弹性胶泥的预压力和活塞的运动速度越大，阻抗也就越大，这有利于提高缓冲器在大冲击下的容量，即冲击越大，缓冲器的容量就越大；冲击小，缓冲器的容量就越小。在恢复阶段中，弹性体组成将所吸收的能量释放出来，其中一部分又以摩擦热和弹性体组成阻尼耗能的形式散失掉，当外力减小或撤消后，弹性胶泥自行体积膨胀，将活塞推回原位。在这个过程中弹性胶泥材料以较慢的速度通过活塞的环形间隙或节流孔流回原位，实现缓冲器的回程动作。缓冲器性能是否优良，主要看性能参数是否与车辆的使用要求相匹配，能否最大限度地降低车辆垂直方向上的加速度和动行程1。14有限元法的基本思想有限元法是把要分析的连续体假想地分割成有限个单元所组成的组合体，简称离散化。这些单元仅在顶角处相互联接，称这些联接点为结点。离散化的组合体与真实弹性体的区别在于组合体中单元与单元之间的联接除了结点之外再无任何关联。但是这种联接要满足变形协调条件，即不能出现裂缝，也不允许发生重叠。显然，单元之间只能通过结点来传递内力。通过结点来传递的内力称为结点力，作用在结点上的荷载称为结点荷载。当连续体受到外力作用发生变形时，组成它的各个单元也将发生变形，因而各个结点要产生不同程度的位移，这种位移称为结点位移。在有限元中，常以结点位移作为基本未知量。并对每个单元根据分块近似的思想，假设一个简单的函数近似地表示单元内位移的分布规律，再利用力学理论中的变分原理或其他方法，建立结点力与位移之间的力学特性关系，得到一组以结点位移为未知量的代数方程，从而求解结点的位移分量。然后利用插值函数确定单元集合体上的场函数。显然，如果单元满足问题的收敛性要求，那么随着缩小单元的尺寸，增加求解区域内单元的数目，解的近似程度将不断改进，近似解最终将收敛于精确解。用有限元法求解问题的计算步骤比较繁多，其中最主要的计算步骤为1）连续体离散化。首先，应根据连续体的形状选择最能完满地描述连续体形状的单元。常见的单元有杆单元，梁单元，三角形单元，矩形单元，四边形单元，曲边四边形单元，四面体单元，六面体单元以及曲面六面体单元等等。其次，进行单元划分，单元划分完毕后，要将全部单元和结点按一定顺序编号，每个单元所受的荷载均按静力等效原理移植到结点上，并在位移受约束的结点上根据实际情况设置约束条件。2）单元分析。所谓单元分析，就是建立各个单元的结点位移和结点力之间的关系式。现以三角形单元为例说明单元分析的过程。3）整体分析。整体分析是对各个单元组成的整体进行分析。它的目的是要建立起一个线性方程组，来揭示结点外荷载与结点位移的关系，从而用来求解结点位移。用有限元法不仅可以求结构体的位移和应力，还可以对结构体进行稳定性分析和动力分析。另一方面，在处理大型结构分析中（如飞机、桥梁等），普遍采用子结构法、P型或H型有限元模型以及边界元法，从而提高了计算速度，降低了计算工作量。2弹性胶泥缓冲器的填充装置的结构设计21胶泥缓冲器胶泥装填机构工作原理胶泥缓冲器胶泥装填机构工作原理将弹性胶泥装入胶泥装填机构中，给装填机构一个外力的作用，当装填机构中的压强超过胶泥缓冲器中的压强时，弹性胶泥压入胶泥缓冲器中。22缸体壁厚的设计计算缓冲器的容积为197立方厘米，所以先设计缸筒有效高度为116，这样它的容积为275立方厘米，当压力为15MPA时其压缩率是小于10的。就是按10算275092475立方厘米，它满足容积要求。胶泥装填机构的缸体在工作时需承受较大的压力，这就要求缸体壁厚需满足一定的条件，已知机器所给最大压力为4吨，能施加的最大压力KNF40MAX内径为55MM承受压强得出最大MPAP8160275/140压强为168MPA。取安全系数为；PMAX168MPA，RN275MM，251N缸体材料45钢，经过调制处理，主要目的增加材料硬度和强度等机械性能，许用应力370/125296MPA，调质45钢的屈服强度为370MPA。根据第三个强度理论，材料的屈服极限以及设计压强计算出的缸体外径为（加厚主要考虑加工和误差影响）采用第三强度理论（最大剪应力手则）推导出的外径计算公式为（T为厚度）DDN，TP201TP4023按第三强度理论T2313R可得T161MM，在这里我们取125MM远远高于许用值。按第四强度理论TPD43210213224R所以壁厚一定满足要求。23活塞杆的设计活塞杆的工作环境需承受较大的轴向力，需考虑活塞杆的强度和刚度要求，因此，选取活塞杆的材料为硬度高、耐腐蚀、耐高温、耐磨性好的40。查材料手册得40的屈服极限为785，安全系数为。活塞杆所受的轴向应力由于受轴向应力，则活塞杆的强度条件为式中活塞杆的直径轴向工作载荷活塞杆的许用应力活塞杆的强度需满足的条件为即则杆的直径应该满足所以选定活塞杆的直径为20MM。24活塞的设计在胶泥装填机构中，要考虑到缸体的密封问题，胶泥装填机构对密封性要求较高，因此在考虑活塞强度要求的同时，最重要的是要有完好的密封性，优先考虑密封件的选择，通过查询机械设计手册液压活塞动密封沟槽各个尺寸，最后确定活塞尺寸，。图211密封块2螺母3压环4中挡板5O型圈6后挡板25缸盖的设计251前缸盖的设计胶泥装填机构前缸盖的选择需要考虑装配问题，活塞杆和缸盖的密封问题，为了减少结构体积，前缸盖的缸体之间采用螺纹联接，螺纹联接选用螺纹尺寸为，啮合尺寸为10MM。252后缸盖设计后缸盖和缸体的连接用螺栓联接，螺栓的规格为，采用四个螺栓。26缸体长度确定缸体的长度为126MM。图22打压装置的装配图3填充装置活塞杆的有限元分析31建立模型311设定分析作业名和标题1从实体菜单中选择UTILITYMENUFILECHANGEJOBNAME命令,将打开CHANGEJOBNAME修改文件名对话框，如图31所示。图31修改文件名对话框2）在ENTERNEWJOBNAME（输入新的文件名）文本框中输入文字“毕业设计活塞有限元分析”作为数据库文件名。3）单击OK按钮，完成文件名的修改。4）从实用菜单中选择UTILITYMENUFILECHANGETITLE命令，将打开CHANGETITLE（修改标题）对话框，如图32所示。图32修改标题对话框5）在ENTERNEWTITLE（输入新标题）文本框中输入文字“STATICANYLYSISOFANPISTON”，作为标题名。6）单击OK按钮，完成对标题名的指定。7）从实用菜单中选择PLOTRELOT命令，指定的标题“活塞静力分析”将显示在图形窗口的左下角。8）从主菜单中选择PREFERENCE命令，将打开PREFERENCEOFGUIFILTERING（菜单过滤参数选择）对话框，选中STRUCTURAL复选框，单击OK按钮确定。图33选择分析模型312定义单元类型1）从主菜单中选择MAINMENUPREFERENCEELEMENTTYPEADD/EDIT/DELETE命令，将打开ELEMENTTYPE（单元类型）对话框。2）单击ADD按钮，将打开LIBRARYOFELEMENTTYPE（单元类型库），如图33所示。图34单元类型库对话框3）选择SOLID选项，选择实体单元类型。4）在列表中选择TET10NODE92选项，选择十字节点四面体实体结构单元TET10NODE925）单击OK按钮，将TET10NODE92单元添加，并关闭单元类型对话框，同时返回到第1）步打开的单元类型对话框，如图35所示。35关闭单元类型对话框6）该单元不需要进行单元选项设置，单击CLOSE按钮，关闭单元类型对话框，结束单元类型的添加架。313定义实常数本设计中选用十节点四面体实体结构单元TET10NODE92单元，不需要设置实常数。314定义材料属性考虑惯性力的静力分析中必须定义材料的弹性模量和密度。具体步骤如下1）从主菜单中选择MAINMENUPREPROCESSORMATERIALPROPSMATERIAMODEL命令，将打开DEFINEMATERIALMODELBEHAVIOR（定义材料模型属性）窗口，如图36所示。图36线性各向同性材料的弹性模量和泊松比2）依次单击STRUCTURALLINEARELASTICISOTROPIC，展开材料属性的树形结构。将打开1号材料的弹性模量EX和泊松比PRXY的定义对话框，如图37所示。图37定义材料模型属性窗口3）在对话框的EX文本框中输入弹性模量22E11，在PRXY文本框中输入泊松比034单击STRUCTURALDENSITY,打开定义材料密度对话框,如图38所示。图38定义材料密度对话框5）单击OK按钮,关闭对话框，并返回到定义材料模型属性窗口，在此窗口的左边一栏出现刚刚定义的参考号为1的材料属性。6）在DEFINEMATERIALMODELBEHAVIOR窗口中，从菜单选择MATERIALEXIT命令，或者单击右上角X按钮，退出定义材料模型属性窗口，完成对材料模型属性的定义。315建立活塞的三维实体模型1）创建圆柱体从主菜单中选择MAINMENUPREPROCESSORMODELINGCREATEVOLUMESCYLINDERSOLIDCYLINDER。在打开的创建圆柱体对话框中，WPX输入0，WPY输入0，RADIUS输入10，DEPTH输入128，点击APPLY。图39创建圆柱体接着在输入0,WPY输入0,RADIUS中输入275，DEPTH中输入33，点击APPLY。图310创建另一个圆柱体接着在输入0,WPY输入0,RADIUS中输入13，DEPTH中输入42，点击OK按钮。图311创建圆柱体生成结果如下图所示。图312形成圆柱体2）进行布尔运算。从主菜单中选择MAINMENUPROPRECESSORMODELINGADDVOLUMES。弹出实体加的对话框。点击PICKALL按钮。图313布尔运算拾取框得到如下图所示。图314生成模型316划分网格本模型采用TET10NODE92单元对三维实体划分自由网格。1）从主菜单中选择MAINMENUPROPRECESSORMESHINGMESHTOOL命令，打开MESHTOOL（网格工具），如图37所示。2）单击GLOBAL域中的SET按钮，弹出GLOBALELEMENTSIZES对话框，在SIZEELEMENTEDGELENTH文本框中输入5，单击OK按钮如下图所示。图315网格划分图框在对话框中选择VOLUMES，单击MESH，打开体选择对话框，要求选择要划分数的体。单击PICKALL按钮，得到如图所示。316网格划分结果32定义边界条件并求解321活塞的底部施加位移约束从主菜单中选择MAINMENUSOLUTIONDEFINELOADSAPPLYSTRUCTURALDISPLACEMENTONAREAS。拾取活塞的大端面，单击OK，如图所示。317拾取低面对话框3）选择UZ作为约束自由度,单击OK按钮,如下图所示图318施加Z方向位移322活塞的顶部施加载荷1从主菜单中选择MAINMENUSOLUTIONDEFINELOADSAPPLYSTRUCTURALPRESSUREONAREAS。2选择活塞的顶部平面,单击OK,如图所示图319拾取活塞顶面对话框然后打开APPLYPRESONREAS对话框,在LOADPERSVALUE文本框中输入127E6,单击OK,如图所示图320定义压力的大小4）加载荷后如图所示。图321加载后的图形33进行求解1从主菜单中选择MAINMENUSOLUTIONSOVLECURRENTLS命令,打开一个确认对话框和状态列表,如图所示,要求查看列出的求解选项2查看列表中的信息确认无误之后，单击OK按钮，开始求解。求解过程中会有进度的显示，如图所示。图322求解当前载荷步确认对话框3）求解过程中会出现如图所示的求解进度的提示框。图323进度显示4）求解完成后打开如图3所示的提示求解结束对话框。单击CLOSE按钮，关闭提示求解结束对话框。图324求解完成结果如图所示图325求解后的图形34查看结果341查看变形1从主菜单中选择MAINMENUGENERALPOSTPROCPLOTRESULTCONTOURPLOTNODALSOLU命令，打开CONTOURNODALSOLUTIONDATA（等值线显示节点解数据）对话框，如图所示。图326等值线显示节点解数据对话框2）在ITEMTOBECONTOURED（等值线显示结果项）域中选择DOFSOLUTION（自由度解）选项。3）在列表框中选择XCOMPONENTOFDISPLACEMENT（X向位移）选项。4）选择DEFORMEDSHAPEWITHUNDEFORMEDEDGE（变形后和未变形轮廓线）单选按钮。5）单击OK按钮，在图形窗口中显示出变形图，包括变形前的轮廓线，如图所示，图中下方的色谱表明不同的颜色对应的数值（带符号）。图327X方向的位移6）用同样的方法查看Y方向的位移，如图所示。图328Y方向的位移7）用同样的方法查看Z方向的位移，如图所示。图329Z方向的位移8）用同样的方法查看总的位移，如图所示。图330总的位移342查看应力1）从主菜单中选择MAINMENUGENERALPOSTPROCPLOTRESULTCONTOURPLOTNODALSOLU命令，打开CONTOURNODALSOLUTIONDATA（等值线显示节点解数据）对话框，如图所示。图331等值线显示应力数据对话框2）在ITEMTOBECONTOURED（等值线显示结果项）域中选择STRESS（应力）选项。3）在列表中选择XCOMPONENTOFSTRESS（X方向应力）选项。4）选择性DEFORMEDSHAPEONLY（仅显示变形后的模型）单元选择按钮。5）单击OK按钮，图形窗口中显示出X方向（径向）应力分布图，如图所示。图331X方向的位移6）用同样的方法查看Y方向上的应力，如图所示。图332Y方向的应力7）用同样的方法查看Z方向上的应力，如图所示。图333Z方向的应力343查看应变1）从主菜单中选择MAINMENUGENERALPOSTPROCPLOTRESULTCONTOURPLOTNODALSOLU命令，打开CONTOURNODALSOLUTIONDATA（等值线显示应变解数据）对话框，如图所示。图334等值线显示应变解数据2）在ITEMTOBECONTOURED（等值线显示结果项）域中选择TOTALSTRAIN（总应变）选项。3）在列表中选择XCOMPONENTOFTOTALSTRAIN（X方向总应变）选项。4）选择DEFORMEDSHAPEWITHUNDEFORMEDEDGE（变形后和未变形轮廓线）单选按钮。5）单击OK按钮，图形窗口中显示出X方向总应变分布图，如图所示。图335X方向应变6）用同样的方法查看Y方向上的总应变，如图所示。图336Y方向应变7）用同样的方法查看Z方向上的总应变，如图所示。图337Z方向应变45本章小结通过有限元软件ANSYS对填充装置活塞杆进行分析了强度和刚度的分析，在分析的过程中对有限元的分析思想和算法有了更加深刻理解，对软件的运用也有了更深一步的认识。对活塞杆零件的分析，其应力应变都与计算的结果相近，说明所分析的结果是正确的。4装填装置缸体的有限元分析41建立模型411设定分析作业名和标题1从实体菜单中选择UTILITYMENUFILECHANGEJOBNAME命令,将打开CHANGEJOBNAME修改文件名对话框，如图3所示。图41修改文件名对话框2）在ENTERNEWJOBNAME（输入新的文件名）文本框中输入文字“毕业设计缸体有限元分析”作为数据库文件名。3）单击OK按钮，完成文件名的修改。4）从实用菜单中选择UTILITYMENUFILECHANGETITLE命令，将打开CHANGETITLE（修改标题）对话框，如图3所示。图42修改标题对话框5）在ENTERNEWTITLE（输入新标题）文本框中输入文字“STATICANYLYSISOFANCYLINDER”，作为标题名。6）单击OK按钮，完成对标题名的指定。7）从实用菜单中选择PLOTRELOT命令，指定的标题“STATICANYLYSISOFANCYLINDER”将显示在图形窗口的左下角。8）从主菜单中选择PREFERENCE命令，将打开PREFERENCEOFGUIFILTERING（菜单过滤参数选择）对话框，选中STRUCTURAL复选框，单击OK按钮确定。图43选择分析模型412定义单元类型1）从主菜单中选择MAINMENUPREFERENCEELEMENTTYPEADD/EDIT/DELETE命令，将打开ELEMENTTYPE（单元类型）对话框。图34单元类型库对话框2）单击ADD按钮，将打开LIBRARYOFELEMENTTYPE（单元类型库）选择SOLID选项，选择实体单元类型。4）在列表中选择TET10NODE92选项，选择十字节点四面体实体结构单元TET10NODE925）单击OK按钮，将TET10NODE92单元添加，并关闭单元类型对话框，同时返回到第1）步打开的单元类型对话框，如图45所示。图45单元类型框6）该单元不需要进行单元选项设置，单击CLOSE按钮，关闭单元类型对话框，结束单元类型的添加架。413定义实常数本设计中选用十节点四面体实体结构单元TET10NODE92单元，不需要设置实常数。414定义材料属性考虑惯性力的静力分析中必须定义材料的弹性模量和密度。具体步骤如下1）从主菜单中选择MAINMENUPREPROCESSORMATERIALPROPSMATERIAMODEL命令，将打开DEFINEMATERIALMODELBEHAVIOR（定义材料模型属性）窗口，如图46所示。图46线性各向同性材料的弹性模量和泊松比2）依次单击STRUCTURALLINEARELASTICISOTROPIC，展开材料属性的树形结构。将打开1号材料的弹性模量EX和泊松比PRXY的定义对话框，如图47所示。图47定义材料模型属性窗口3）在对话框的EX文本框中输入弹性模量22E11，在PRXY文本框中输入泊松比034单击STRUCTURALDENSITY,打开定义材料密度对话框,如图48所示。图48定义材料密度对话框5）单击OK按钮,关闭对话框，并返回到定义材料模型属性窗口，在此窗口的左边一栏出现刚刚定义的参考号为1的材料属性。6）在DEFINEMATERIALMODELBEHAVIOR窗口中，从菜单选择MATERIALEXIT命令，或者单击右上角X按钮，退出定义材料模型属性窗口，完成对材料模型属性的定义。415建立活塞的三维实体模型1）创建圆柱体从主菜单中选择MAINMENUPREPROCESSORMODELINGCREATEVOLUMESCYLINDERBYDIMENSIONS。在打开的创建圆柱体对话框中，在RAD1中输入565,在RAD2中输入275，Z1,Z2中对应输入0、12，点击APPLY。如图所示。图49创建圆柱体接着在对话框中RAD1中输入40，在RAD2中输入275，Z1，Z2对应输入12、126，点击OK。图410创建圆柱体生成结果，如下图所示。图411生成两个同心圆柱体2）进行布尔运算。从主菜单中选择MAINMENUPROPRECESSORMODELINGADDVOLUMES。弹出实体加的对话框。点击PICKALL按钮。图412创建小圆柱体3）创建圆柱体。从主菜单中选择MAINMENUPREPROCESSORMODELINGCREATEVOLUMESCYLINDERSOLIDCYLINDER。在打开的创建圆柱体对话框中，WPX输入0，WPY输入49，RADIUS输入35，DEPTH输入12，点击APPLY。图413继续创建圆柱体接着在建立三个间隔90度得三个圆柱体。在WX中输入0，WY中输入49，点击APPLY。然后在WX中输入49，WY中输入0，点击APPLY。最后在WX中输入49，在WY中输入0，点击OK。结果如图所示。图414建立的四个圆柱体图解再接着在圆柱体对话框中WPX中输入0,在WPY中输入0,在RADIUS中输入305,在DEPTH中输入5,单击OK按钮。得到结果如图所示。图415创建实体圆柱4）进行布尔运算。从主菜单中选择MAINMENUPROPRECESSORMODELINGSUBTRACTVOLUMES。弹出实体加的对话框。选择实体整个缸体，然后点击APPLY，然后选择四个小圆柱，和底部建立的圆柱体。得到如图所示。图416圆柱拾取对话框单击OK按钮。得到实体如图所示。图417生成的缸体模型416划分网格本模型采用TET10NODE92单元对三维实体划分自由网格。1）从主菜单中选择MAINMENUPROPRECESSORMESHINGMESHTOOL命令，打开MESHTOOL（网格工具），如图3所示。图418网格划分工具2）单击GLOBAL域中的SET按钮，弹出GLOBALELEMENTSIZES对话框，在SIZEELEMENTEDGELENTH文本框中输入5，单击OK按钮如下图所示。图419网格划分尺寸大小对话框在对话框中选择VOLUMES，单击MESH，打开体选择对话框，要求选择要划分数的体。单击PICKALL按钮，得到如图所示。图420网格划分后的结果42定义边界条件并求解421活塞的底部施加位移约束1）从主菜单中选择MAINMENUSOLUTIONDEFINELOADSAPPLYSTRUCTURALDISPLACEMENTONAREAS。2）拾取缸体的底面，单击OK。图421拾取低面对话框3）选择UZ作为约束自由度,单击OK按钮,如下图所示图422约束Z方向的自由度422在缸体的内圆柱面施加载荷1）从主菜单中选择MAINMENUSOLUTIONDEFINELOADSAPPLYSTRUCTURALPRESSUREONAREAS。2选择缸体的内圆柱面,单击OK,如图所示图423拾取缸体内圆柱面3）然后打开APPLYPRESONREAS对话框,在LOADPERSVALUE文本框中输入168E3,单击OK,如图所示图424加载后的结果43进行求解1从主菜单中选择MAINMENUSOLUTIONSOVLECURRENTLS命令,打开一个确认对话框和状态列表,如图所示,要求查看列出的求解选项2查看列表中的信息确认无误之后，单击OK按钮，开始求解。求解过程中会有进度的显示，如图所示。图425求解当前载荷步确认对话框3）求解过程中会出现如图所示的求解进度的提示框。4）求解完成后打开如图3所示的提示求解结束对话框。单击CLOSE按钮，关闭提示求解结束对话框。图426求解完成44查看结果441查看变形1从主菜单中选择MAINMENUGENERALPOSTPROCPLOTRESULTCONTOURPLOTNODALSOLU命令，打开CONTOURNODALSOLUTIONDATA（等值线显示节点解数据）对话框，如图所示。图427等值线显示节点解数据2）在ITEMTOBECONTOURED（等值线显示结果项）域中选择DOFSOLUTION（自由度解）选项。3）在列表框中选择XCOMPONENTOFDISPLACEMENT（X向位移）选项。4）选择DEFORMEDSHAPEWITHUNDEFORMEDEDGE（变形后和未变形轮廓线）单选按钮。5）单击OK按钮，在图形窗口中显示出变形图，包括变形前的轮廓线，如图所示，图中下方的色谱表明不同的颜色对应的数值（带符号）。图428X方向位移6）用同样的方法查看Y方向的位移，如图所示。图429Y方向的位移7）用同样的方法查看Z方向的位移，如图所示。图430Z方向的位移8）用同样的方法查看总的位移，如图所示。图431总位移442查看应力1）从主菜单中选择MAINMENUGENERALPOSTPROCPLOTRESULTCONTOURPLOTNODALSOLU命令，打开CONTOURNODALSOLUTIONDATA（等值线显示应力解数据）对话框，如图所示。图432等值线显示应力解数据2）在ITEMTOBECONTOURED（等值线显示结果项）域中选择STRESS（应力）选项。3）在列表中选择XCOMPONENTOFSTRESS（X方向应力）选项。4）选择性DEFORMEDSHAPEONLY（仅显示变形后的模型）单元选择按钮。5）单击OK按钮，图形窗口中显示出X方向（径向）应力分布图，如图所示。图433X方向应力6）用同样的方法查看Y方向上的应力，如图所示。图434Y方向的位移7）用同样的方法查看Z方向上的应力，如图所示。图435Z方向的应力433查看应变1）从主菜单中选择MAINMENUGENERALPOSTPROCPLOTRESULTCONTOURPLOTNODALSOLU命令，打开CONTOURNODALSOLUTIONDATA（等值线显示应变解数据）对话框，如图所示。图436等值线显示应变解数据2）在ITEMTOBECONTOURED（等值线显示结果项）域中选择TOTALSTRAIN（总应变）选项。3）在列表中选择XCOMPONENTOFTOTALSTRAIN（X方向总应变）选项。4）选择DEFORMEDSHAPEWITHUNDEFORMEDEDGE（变形后和未变形轮廓线）单选按钮。5）单击OK按钮，图形窗口中显示出X方向总应变分布图，如图所示。图437