【《受电弓模型的有限元探析案例》4500字】

PAGEPAGE38受电弓模型的有限元分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u32266受电弓模型的有限元分析案例 1145041.1有限元理论基础 1150561.2基于ANSYS的有限元分析 2205431.2.1基于ANSYS的静力学分析 2262271.2.2基于ANSYS的模态分析 61.1有限元理论基础有限元法是求解数理方程的一种有关数值的计算方法，将问题区域进行划分为多个简单的有限单元，对每一个单元求解较简单的近似解，以推导整体问题的合适解。在十九世纪九十年代，在分析各类工程结构强度时，就主要采用经典结构力学方法，而这种分析方法又可以进一步分为近似法和精确力法。这两种方法的不同之处就在于近似方法使用相关的材料力学理论将不同的结构视为简单的物理连接，而精确力法考虑了结构弯曲，拉伸，压缩，剪切和扭转变形。但是，无论是近似法还是精确法，在计算时都是采用人工计算的，而由于一般的结构较为复杂多样，计算时工作量较大且计算过程较为复杂，很多时候都对实际结构进行简化处理，这就导致计算结果往往与实际结果出入较大。目前，随着计算机的广泛普及以及计算机技术的飞速提升，越来越多的公司开始设计和制造相关软件，利用现代计算机对工程结构的应力进行分析，从而代替了传统的结构分析方法。这种有限元分析方法使用起来方便快捷，解决实际工程问题的效率也得到了极大的提高。如今，有限元法在机械制造、材料科学、土木工程、电器工程、石油化工、汽车能源等众多领域中发挥重大作用。而利用有限元分析的方法有很多优点:可以将不规则复杂结构模拟成简单易用的规则模型；一般的负载条件可以较为轻松的处理；由于元素方程的独立性，对于同一结构可以用几种不同的材料进行模拟；可以处理各种不同的边界条件；而元素的大小也可以根据所选的对象结构进行更改，以更好地解决不同条件的问题；并且有限元模型的修改相对容易，成本较低；可以处理非线性材料引起的大变形和非线性问题。有限元理论的基本思想就是化整为零，将一体且复杂的结构划分为分散且简单的有限小单元结构，然后通过各个节点对所有小单元结构进行连接，对由小单元结构组成的大结构进行分析。(1)求解对象离散化:将一个整体求解域分割成不同的有限小单元，并通过设置节点的方式对小单元进行连接，使相邻单元关联。通常将其称为有限元网格划分。(2)建立位移函数:对离散后的小单元进行设定，将节点位移作为变量，根据小单元的特性建立节点位移函数根据位移函数推导元素节点周围元素中任意点位移的位移关系表达式。1.2基于ANSYS的有限元分析由于ANSYSWorkbench软件与大部分CAD三维建模软件相适配，与CATIA软件所建立的受电弓模型较为方便，所以本次进型有限元分析的软件选择为ANSYSWorkbench2020软件，此软件是ANSYS公司的最新版多物理场分析平台，提供大量的先进功能，有助于更好的掌握设计情况从而提升产品性能和完整性。ANSYSWorkbench2020软件功能的扩充，可以使其用于解决更多复杂的物理场问题，满足研究中不断变化的需求。ANSYSWorkbench2020采用的平台可以精确地简化各种仿真应用的工作流程。同时，ANSYS2020提供多种关键的多物理场解决方案、前处理和网格剖分强化功能，以及一种全新的参数化高性能计算（HPC）许可模式，可以是设计探索工作更具扩展性。1.2.1基于ANSYS的静力学分析线性静力学分析是最基本且广泛应用的一类分析类型，所谓线性分析有两个方面的含义：首先就是材料为线性，应力应变关系为线性，变形是可恢复的；另外结构发生的是小位移、小应变、小转动，结构刚度不因变形而变化。而此次分析的受电弓模型，其结构主体材料为刚，刚强度较高，结构较为稳定的，一般或工作时一般不产生过大形变。所以对受电弓模型进行静力学分析时，主要是线性静力学分析。所谓静力就是结构所受到的载荷为单纯的静力载荷而不考虑其惯性和质量的影响，且在载荷作用下保持静态平衡。对所分析的物体或结构必须充分约束，虽然一般忽略惯性与质量，但如果载荷周期远远大于结构自振周期(即缓慢加载)的情况下，则结构惯性效应能够忽略，这种情况可以简化为线性静力分析来进行。进行静力学分析的主要步骤如下：（1）启动软件及案例分析项目：打开ANSYSWorkbench软件打开Toolbox（工具箱）中的AnalysisSystems→StaticStructural（静态结构分析）选项，即可在ProjectSchematic（项目管理区）中创建分析项目。如图3-1所示。图3-SEQ图\*ARABIC2静态结构分析项目（2）导入创建几何体:首先将CATIA所绘制的受电弓三维模型另存为stp几何文件，在Geometry上鼠标右击，在弹出的快捷菜单中选择ImportGeometry→Browse命令，选择文件路径并导入几何文件。单击Generate生成几何体。（3）添加材料库及材料属性：打开项目中EngineeringData选项，在弹出界面中进行材料的参数设置。右击空白处，在弹出的快捷菜单中选择EngineeringDataSources（工程数据源）命令，在该表中选择GeneralMaterials，然后添加该表中的材料属性。选择Mechanical界面左侧的Outline中的Geometry。选择参数列表中的Material下的Assignment区域，将刚刚设置的材料添加到模型中去。除碳滑板上有少量碳材料外，以及部分零件的其他金属材料相比于受电弓主体的钢结构质量可以忽略不计。所以为该受电弓模型添加的主要材料属性为石墨（碳滑板）、结构钢（主体结构）。如图3-2所示。图3-SEQ图\*ARABIC3添加材料属性界面（4）划分网格：选择Outline中的Mesh选项，此时在“DetailsofMesh”(参数列表)中修改网格参数。网格划分的原则主要有网格数目、疏密程度、单元阶次、网格质量等，分别决定了计算结果的精度、计算规模大小和分布特点等，对于不同的分析样本，划分的标准各不相同，本例采用默认设置。如图3-3所示。图3-SEQ图\*ARABIC4网格效果（5）施加载荷与约束：Outline中的StaticStructural选项，在弹出的Environment工具栏中选择Supports（约束）→FixedSupport（固定约束），选中FixSupport,以受电弓底座作为基准面施加约束，选中Environment工具栏中的Loads（载荷），为模型施加载荷，由于受电弓除了碳滑板与接触网之间会有极小的摩擦力之外，受电弓只受自身重力影响，所以对受电弓施加重力载荷。载荷的载荷方向为默认竖直向下，其他选项也保持默认即可。在StaticStructural右击选择Solve命令。如图3-4所示。图3-SEQ图\*ARABIC5施加载荷（6）结果后处理：选择Outline中的Solution选项，选择工具栏中的Stress（应力）→Equivalent命令，在分析树中出现EquivalentStress（等效应力）选项。在选择Solution工具栏中的Deformation（变形）→Total命令出现如图3-5所示的应力分析云图和如图3-6所示的总变形分析云图。图3-5应力分布云图图3-6总变形分布云图从以上的应力分布云图和总变形分布云图，可以看出受电弓的整体结构较为稳定，在自身重力载荷的作用下，最大形变为0.0050m，总体几乎不产生形变。所受最大应力在推杆与底座的连接处，这是由于此处截面积较小，符合截面积小应力大的理论。而其最大应力为49.935mpa远小于一般钢材（Q235）的许用应力235mpa，符合有关标准。1.2.2基于ANSYS的模态分析机构在工作过程中一定会都发生不同方向和程度振动，这就会引起其他部位的共振与疲劳甚至损坏，从而减少机构的使用寿命。为了减少不必要的经济损失，就需要分析出机构本身的固有振动频率和振型等结构的重要振动特性。模态就是结构系统基于自由振动分析建立的一种固有振动特性。以模态频率的大小进行排序，将其称之为“阶”。模态分析是一种针对动态结构的研究方法，近年来多应用于机械工程领域。模态分析的结果包括模态固有频率和模态振动模式等参数，这些参数用于评估结构系统的动力性能。在模态分析理论中，单自由度系统和多自由度系统之间存在一定的差异，主要体现在模态参数的识别上。从理论上讲，对于具有n度自由度的结构系统，有n个频率的自振动和模态振动模型。对于具有多个自由度的系统，物理坐标系统对自由振动的反应是线性范围内主要振动的线性重叠。每个主要振动都是自由振动的特定形式，振动频率是系统的主要频率（固有频率），振动模式是系统的主要振动类型（模式或固有的振动类型）。模态分析是结构分析的常见方法，也是对模态分析的一个重要组成部分。这种分析不对系统做任何约束，虽然自由模态只存在于理论，在现实中不会真实发生，但可以通过这种分析出结构系统本身的固有特性，所以也是人们研究结构特性的一个必要途径。模态分析法就是一种计算某结构振动频率，研究其振型的数值分析手段。模态分析本身是一种最基本流体力学分析方式，同时又是其他动力学分析的基础。因此，例如，响应谱分析、随机振动分析、和谐响应分析等都需要依靠模态分析来进行。虽然模态分析是一种简单基础的流体力学分析方法，但是由于它具有很强的实用性，经常用于处理各种工程实际。模态分析有助于研究者了解研究对象在不同阶次产生的振动频率，从而避免工程中出现共振情况。也有利于研究者观察结构在不同频率下结构的形变情况。除此之外，模态分析对于确定其他流体力学分析的相关参数有一定的作用，方便研究者确定不同的瞬态分析方法。模态分析法的最大优点就是这种方法可以促进结构设计避免产生共振或者用一个特定频率额来继续振动；工程师从中就可以清楚地认识和了解到一个结构对不同种类的各种动力负荷都是如何作出反应的；有助于估计和利用其它动力学分析方法中所需要的求解和控制参数。对于受电弓模型的模态分析主要步骤如下：（1）启动软件及案例分析项目：打开ANSYSWorkbench软件打开Toolbox（工具箱）中的AnalysisSystems→Modal（模态分析）选项，即可在ProjectSchematic（项目管理区）中创建分析项目。（2）导入创建几何体:首先将CATIA所绘制的受电弓三维模型另存为stp几何文件，在Geometry上鼠标右击，在弹出的快捷菜单中选择ImportGeometry→Browse命令，选择文件路径并导入几何文件。单击Generate生成几何体。（3）添加材料库及材料属性：打开项目中EngineeringData选项，在弹出界面中进行材料的参数设置。在界面空白处单击右键，在弹出的快捷菜单中选择EngineeringDataSources（工程数据源）命令，在该表中选择GeneralMaterials，然后添加该表中的材料属性。选择Mechanical界面左侧的Outline中的Geometry。选择参数列表中的Material下的Assignment区域，将刚刚设置的材料添加到模型中去。为该受电弓模型添加的主要材料属性为石墨（碳滑板）、结构钢（主体结构）。（4）划分网格：选择Outline中的Mesh选项，此时在“DetailsofMesh”(参数列表)中修改网格参数。本例采用默认设置。右击Mesh，在弹出的快捷菜单中选择GenerateMesh命令，完成网格划分。（5）施加载荷与约束：Outline中的Modal选项，在弹出的Environment工具栏中选择Supports（约束）→FixedSupport（固定约束），选中FixSupport,以受电弓底座作为基准面施加约束，选中Environment工具栏中的Loads（载荷），为模型施加重力载荷在StaticStructural右击选择Solve命令。（6）结果后处理：在选择Solution工具栏中的Deformation（变形）→Total命令，出现TotalDeformation（总变形）选项。右击Solution在弹出的快捷工具栏中选择EquivalentAllResults命令，弹出进度条，表示正在求解，当求解玩成后进度条自动消失。选择TotalDeformation选项，得到该模型的各阶次模态频率如表3-1所示。各阶次模态总变形云图如图3-3至3-8所示。表3-SEQ表\*ARABIC\s11各阶次模态频率阶次频率/Hz18.764329.8902334.95440.741542.364644.693图3-3一阶模态总变形云图第一阶阶次总变形较小，整体结构并无较大变形，说明该模型的刚强度较大，结构相对稳定。图3-4二阶模态总变形云图图3-5三阶模态总变形云图第二阶次的模态变形主要集中在上框架，最大变形量比较小，总体看来结构依然稳定。第三阶次的模态变形中，最明显的是推杆的弯曲变形，