【《基于ANSYS的制动踏板模拟器有限元仿真探析案例》3000字】

基于ANSYS的制动踏板模拟器有限元仿真分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u23267基于ANSYS的制动踏板模拟器有限元仿真分析案例 1230561.1有限元分析基本原理 1203861.2制动踏板有限元分析 2174241.3弹簧有限元分析 671731.4本章小结 8现代社会中，各种精密的设备、交通工具、电子设备、大型建筑等问题都涉及到复杂的工程问题，这对现代社会的工程技术人员是一大问题，也同样是一大挑战。各种产品、项目都涉及到各种静力、动力、强度、刚度、稳定性问题，并且需要对其项目进行的考核及检校，以及对各个部件也需要进行校核。本章是对于上一章节设计建模的调节式制动踏板模拟器需要进行有限元分析，对其主要部件进行强度和刚度的校核。本文采用ANSYSWORKBENCH模块进行有限元分析。1.1有限元分析基本原理实际的工程问题主要是通过将其转变成数学问题来进行解决的，可以通过各种物理的公式及其定理转化。工程问题都可以转换成积分、微分、代数的方程进行处理。常见的工程物理方程问题主要是波动方程、输运方程和稳定场方程。在目前的数值计算方法中，有限元是一种高效的计算方法。早期的有限元是以变分原理发展起来的，应用于解决“准调和方程”的物理场问题，包括拉普拉斯和泊松等方程。有限元采用的基本原理是将问题有限分割，使结果无限逼近的方法解决问题，早期解决圆周率问题就是应用这种思想方法，采用“割圆术”将圆看作正多边形并计算多边形的周长来得出圆周长并计算圆周率。“割之弥细，所失弥少，割之又割，以至于不可割，则与圆合体，而无所失矣”，这是刘徽用来这样形容“割圆术”的。现在有限元分析已经是数值计算方法的主流，各种场问题、各种力问题及复合场都可以用有限元方法进行解决。电子计算机的发达今天，与有限元分析相关的软件都出现了好多款，其中就包括ANSYS软件。有限元公示的推导方法由很多种，包括直接法、最小变量法等多种方法，但是有限元分析的基本步骤是大体相同[16]。基本步骤都可以分为三个阶段：前处理、求解、后处理。前处理主要由定义材料、划分网格、应用模型的边界条件与初值条件以及载荷；求解线性或非线性方程组，得到物体的变形、应力、温度等；后处理是将求解得出的结果推导得出其他需要的结果，并且验证求解结果是否合理。ANSYS是由美国ANSYS公司基于有限元分析开发的软件。ANSYS具有强大的计算和求解能力，并且其集成各种模块的分析算法。其操作简单、功能较其他同类有限元分析齐全。ANSYS有七大类单元，为了模拟工程中的各种材料，提供了100种以上的单元类型，不仅提供了基于图形用户界面GUI的操作，做提供了有限元分析的命令流语言，即参数化设计语言，而且还可以对其进行二次开发，满足不同用户的定制化需求。ANSYSWORKBENCH的仿真环境相比于传统的仿真环境更加客户化、集成化、参数化。其仿真平台能够对复杂的机械结构静力学、结构动力学、刚体动力学、流体动力学等进行分析模拟。1.2制动踏板有限元分析1、将制动踏板CATIA三维模型导出成.stp的文件格式。2、在WB中新建静力分析系统将左侧【Toolbox】中【StaticStructural】静力分析系统拖入到右侧的项目流程图的环境中，双击静力分析系统名称修改为taban，如图4-1所示。在工具栏点击保存命令，将文件名保存为zhidong。图4-1静力分析系统建立观察结构静力分析系统可以发现由7栏，第一栏为分析系统类型，第二栏为材料的定义，第三栏为几何模型环境，第四栏到第七栏为模型划分网格、载荷施加、求解，从上到下为问题分析的步骤3、定义材料属性双击A2单元格【EngineeringDate】进入工程材料环境，制动踏板采用的是20钢。20钢的具体材料属性为：弹性模量为2.1E+11N/m^2；泊松比为0.3；质量密度为7.9E+3kg/m^3；屈服强度为3.55MPa。进入工程材料环境，点击【OutlineofSchematicA2：EngineeringDate】的带星号的单元格添加新材料名称为20gang，在左侧工具栏选择各向同性线弹性材料模型以及密度添加到20gang材料属性中，并根据20钢要求输入，如图4-2所示。图4-2键入新材料属性4、导入模型点击Project返回到WB分析系统中，右击A3【Geometry】单元格，选择【ImportGeometry】导入上述的制动踏板stp文件。5、材料分配与网格划分双击WB界面中A4【Model】单元格，进入结构静力学分析环境。（1）点击导航树将【Geometry】展开给制动踏板模型分配材料，选择选择新建的材料20gang，如图4-3所示。图4-3分配材料（2）网格划分全局设置相关度设置为100，对于制动推杆小孔采用尺寸约束，尺寸大小设置为1mm；对于支架安装内孔同样采用尺寸约束，尺寸大小设置为4mm，制动踏板臂上下两个面和安装外圆面尺寸大小设置为2mm。点击【Update】更新网格，选择全局网格设置中【Statistics】中平均网格质量如图5-4所示，平均网格质量为0.77957大于0.7（一般WB网格划分统计中点击查看网格平均质量要求大于0.7，否则一般会导致计算误差较大）。如图4-4所示为网格划分平均质量。图4-4网格平均质量6、施加载荷与约束（1）施加载荷：根据汽车制动踏板行业设计要求，需要对制动踏板施加的力为2000N，点击【Loads】-【Force】施加力的大小为2000N，如图4-5所示。图4-5施加载荷（2）施加约束：选定如图4-6所示的两个安装圆柱面施加FrictionlessSupport约束。图4-6施加约束7、添加求解结果添加变形及应力：导航树中选择【Solution（A6）】，求解工具栏中添加总变形结果，选择【Deformation】-【Total】,求解工具栏中添加等效应力，选【Stress】-【Equivalent（von-Mises）】。工具栏中点击【Solve】求解，如图4-7所示得出的应力大小为305.14Mpa，如图4-8所示总变形为2.0915mm，。图4-7总变形图4-8等效应力从求解结果可以看出，制动踏板在2000N的载荷作用下，制动踏板的最大变形量为2.0915mm，最大应力为305.14mm。最大变形小于5mm，根据行业标准QC/T788制动踏板变形合格[17]。最大应力小于20钢的屈服强度355MPa，满足材料的强度要求。1.3弹簧有限元分析1、弹簧刚度和弹簧的形变能力是弹簧最重要且最基础的能力。按照材料力学对螺旋弹簧的定义，圆柱螺旋弹簧的弹簧刚度可以通过公式计算得出[18]，刚度计算公式为 （4-1）公式中的k为弹簧刚度（N/mm）、G为弹簧的剪切模量（MPa）、d为弹簧钢丝的直径（mm）、D为弹簧中径（mm）、n为弹簧的有效圈数、为材料的泊松比。表4-1弹簧基本参数项目名称符号/单位数值大小总圈数nt6.5有效圈数n6弹簧簧丝直径d/mm5弹簧中径D/mm50本文主要是对外侧环形圆柱空腔内的弹簧进行分析，弹簧的主要参数如表4-1所示。弹簧ANSYS分析步骤和制动踏板步骤基本一致新建一个分析项目，双击项目名称，将项目名称改为tanhuang。本次采用的材料为51CRV4合金钢，它的密度为7800kg/m3、泊松比为0.3、弹性模量为2×1011Pa。它具有良好的力学性能，屈服强度为1274MPa、屈服极限为1127MPa。2、划分网格：采用默认网格划分方法，并将网格总体相关度设置调整为100[19]。点击并查看网格质量，弹簧的网格划分质量如图4-9所示，网格质量大于0.7，网格符合要求。图4-9弹簧网格划分3、施加约束及载荷：由图3-4的B点可以看出此时弹簧1压缩到最小，此时的制动踏板力为200N，由于杠杆比为5，故对弹簧一端的一圈弹簧施加1000N的力，对弹簧另一端施加固定约束。如图4-10所示。图4-10弹簧施加约束及载荷4、求解并查看结果：将弹簧总形添加到求解结果中，求解后可以看出此时的弹簧型变量为8.3616mm，如图4-11所示。图4-11弹簧形变由于需要对弹簧的结构进行校核，故需要分别对弹簧进行800N、900N、1000N加载设置计算其实际的弹簧刚度，如表4-2所示。表4-2弹簧加载设置载荷大小（N）形变（mm）8006.68939007.525410008.3616由上表不同加载弹簧的垂直形变分别为6.6893mm、7.5254mm、8.3616