有限元技术在机械领域的应用2010

1、1虚拟现实技术在机械工程中的应用2-3 有限元技术及其应用2009-9-1923.1 概述z现代科学技术发展更为快速的交通工具和机械装备、更大规模的建筑物、更大跨度的桥梁、更大功率的发电机组和更为精密的机械设备能精确预测产品和工程的技术性能，静、动力强度以及温度场、流场、电磁场和渗流等技术参数的分析计算归结为求解物理问题以及描述各种物理问题的偏微分数学方程式 经典方法无法求解z计算机技术 +数值分析方法有限元分析（fea ， finite element analysis）方法，解决复杂的工程分析计算问题的有效途径z国际上 20世纪 50年代末、 60年代初投入大量人力物力开发具有强大功能的有

2、限元分析程序1965 年，美国国家宇航局委托美国计算科学公司和贝尔航空系统公司开发的 nastran解决问题的方法？2009-9-193几何系统 - 物理系统几何体载荷物理系统结构热电磁2009-9-1943.2 有限元技术的基本概念z20世纪 60年代初克拉夫（clough ）教授首次提出结构力学计算有限元概念z基本概念：用较简单的问题代替复杂问题后再求解把连续的构件看成由有限数目单元（有限元）组成在单元内假定一个较低阶位移和应力分布近似解各单元间通过节点相连接，并藉以实现应力的传递各单元之间的交接面要求位移协调通过力的平衡条件，建立一套线性方程组求解方程组，得到各单元和结点的位移、应力，从

3、而得到问题的近似解单元个数是有限的，节点数目也是有限的，称为有限元法2009-9-195有限元模型真实系统有限元模型定义有限元模型是真实系统理想化的数学抽象2009-9-196节点和单元节点 :空间中的坐标位置，具有一定自由度和存在相互物理作用。单元 : 一组节点自由度间相互作用的数值、矩阵描述（称为刚度或系数矩阵)。单元分为线、面或实体以及二维或三维的单元等种类。有限元模型由一些简单形状的单元 组成，单元之间通过 节点 连接，并承受一定载荷载荷载荷22009-9-197用较简单的问题代替复杂问题有限元2009-9-198单元形函数真实的二次曲线.节点单元二次曲线的线性近(不理想结果).2节点

4、单元dof 值二次分布.1节点单元线性近似(更理想的结果)真实的二次曲线. . . .3节点单元二次近似(接近于真实的二次近似拟合)(最理想结果).42009-9-199有限元软件进行工程分析的一般过程z“ 前处理 ”- 建立有限元模型几何建模（ cad)单元网格划分边界条件处理施加载荷材料特性z“ 处理 ”- 有限元分析计算机求解描述有限元模型的代数方程组z“ 后处理 ”- 采集处理分析结果关键技术2009-9-19103.7 商用有限元软件介绍z美国国家宇航局（nasa ）在1965 年委托美国计算科学公司和贝尔航空系统公司开发了nastran 有限元分析系统，该系统发展至今已有几十个版本

5、z世界各地的研究机构和大学发展了一批专用或通用有限元分析软件：美国： abqus 、adina 、ansys 、bersafe 、bosor 、cosmos 、elas 、i-deas 、marc 、stardyne 德国： aska英国： pafec法国： systus 有限元技术在机械工程领域的应用实例2009-9-19121.机械设计电动表面采矿铲车设计zp&h4100 电动表面采矿铲车挖斗： 42立方米32009-9-1913电动表面采矿铲车设计2009-9-19142、拖拉机升降臂的虚拟设计2009-9-1915拖拉机升降臂的虚拟设计几何简化设计区域和设计变量2009-9-1

6、916拖拉机升降臂的虚拟设计最终形状2009-9-19173. 优化设计 -拖拉机前轴支撑件?eicher 24马力拖拉机前轴支撑件设计目标?减轻重量?简化制造?提高使用寿命原设计新设计减重 30%，节约 $14节省重成本 =2000,000*$14= $ 2800,0002009-9-1918拖拉机前轴支撑件优化设计原设计危险区域新设计的应力下降42009-9-19194. 温度场及传热分析 锤型铸件凝固分析冷却到半固化温度的时间温度分布2009-9-1920铸造成型仿真 浇铸过程康明斯柴油机缸体铸造成型仿真试验2009-9-1921铸造成型仿真 冷凝过程2009-9-1922曲轴锻压成型工

7、艺仿真研究温度变化应力变化2009-9-19235. 稳定性分析 -压力容器水下容器受外压的屈曲? 弧长法，获得失稳载荷和位移储钠罐受外压失稳2009-9-1924膨胀节失稳分析：受轴压，受内压轴压-位移曲线52009-9-19256. 高级非线性分析材料非线性z塑性z蠕变z粘塑性2009-9-1926非线性分析液压密封件失效分析?两种密封圈的失效?安装间隙 0.05 ”?液压： 1600psi摩擦力太大2009-9-19277.制造工艺过程仿真 冲压成型方盒深冲2009-9-1928制造工艺过程仿真-虚拟制造过程塑料的注模过程模拟流动产生的应力对材料性能和最终形状的影响2009-9-1929

8、制造工艺过程仿真 -齿轮成形模拟仿真2009-9-1930制造工艺过程仿真 焊接过程分析热机耦合材料参数随温度变化? 材料热物理性质? 机械性质局部高强度热量的输入高速焊池对流热辐射平板对焊62009-9-19318、卷曲机整体性能仿真分析2009-9-1932卷曲工艺和结构参数优化2009-9-19339.动载荷工况仿真船头撞击齿轮啮合2009-9-193410.冲击载荷仿真2009-9-1935房屋倒塌2009-9-193611. 事故分析72009-9-1937安全气囊仿真2009-9-1938槽车受冲击事故仿真2009-9-193912. 流体力学分析应力场分析流体场分析2009-9-1940流体和温度混合仿真2009-9-1941射流切割仿真2009-9-1942结论z有限元分析软件与cad 系统的集成应用使工程设计水平发生了质的飞跃增加设计功能，减少设计成本缩短设计和分析的循环周期增加产品和工程的可靠性采用优化设计，降低材料的消耗或成