有限元分析实例

1、有限元结课汇报,1、基于Workbench的曲柄连杆组动力学分析 2、基于ANSYS刹车盘应力分析 3、轻型货车普通变截面钢板弹簧有限元分析 4、基于Workbench对发动机活塞的温度场分析,主要成员及工作,主讲人：尹振华,基于Workbench的曲柄连杆组动力学分析,Workbench Introduction,Workbench是ANSYS公司提出的协同仿真环境，解决企业产品研发过程中CAE软件的异构问题。提供了全新的“项目视图（Project Schematic View）”功能，将整个仿真流程更加紧密的组合在一起，通过简单的拖拽操作即可完成复杂的多物理场分析流程。Workbench

2、所提供的CAD双向参数链接互动、项目数据自动更新机制、全面的参数管理、无缝集成的优化设计工具等，是ANSYS 在“仿真驱动产品设计”方面达到前所未有的高度。,动力学分析简介,主要操作,一、建模,二、导入workbench平台进行前置处理,在CAD三维造型平台UG上建立模型并装配。然后另存为ANSYS通用的.IGS格式,1、打开workbench， 选择“Static structural (ANSYS) ”(静力结构 分析)模块；,Part 1 Part 2 Part 3,装配图,2、定义材料为Structural steel(结构钢),3、定义部件的接触与运动约束,工程数据Engineeri

3、ng Date里材料属性设置为结构钢，弹性模量为2.1E11，泊松比为03，密度为7850kgm3。,4、网格划分,将简化后的曲柄连杆CAD 三维模型导入Workbench平台建立Static Structural静力学分析模的前处理模块中进行网格化，采用自动划分自由网格，单位选择为（mm,t,N,s,mv,mA），共划分了21953个节点，10856个单元。如图,5、施加载荷,6、运动参数设定,根据曲柄连杆工作情况，综合第一类自由约束和第三类表面载荷对有限元模型进行载荷定义。载荷施加具体如图4，大小为0.3MPa。,曲柄转速设置为2.09 rad/s,三、分析结果,1、Total Defor

4、mation（总变形 ）,根据分析报告，总变形的最大 值为1.9232mm，在整个运动过程 中其分布呈抛物线状，变形最大 且对结构有危险的是曲柄与连杆、 连杆与活塞杆连接处。这也是设 计中需要校核和加强的地方。,分析结果,2、Equivalent (von-Mises) Stress（等效应力）,根据分析报告，等效应力最大 值为65.418MPa，且等效应力在整 个运动行程中呈周期性变化。在等 效应力云图中，等效应力主要分布 在活塞杆上。因此，曲柄连杆在工 作时，其主要承受的应力在与活塞 直接相连的杆上。,分析结果,3、Total Velocity（总速度）,由分析报告可知，曲柄连杆 在仿真中

5、运动总速度为最大值 为298.99mm/s,分析结果,4、Total Acceleration（总加速度）,由分析报告可知，曲柄连杆 在仿真中运动总加速度为最大值 为632.27 mm/s。,结论,通过有限元分析软件workbench仿真，对曲轴进行有限元分析，得到理想的仿真结果，这对于发动机曲轴的设计与改进，提高发动机设计水平及提高发动机整机性能有着重要意义，是既经济又有效的科学化方法。,基于ANSYS刹车盘应力分析,制动距离有时也用在良好路面条件下，汽车以 100km/h的初速度制动到停车的最短距离来表示。,16,很多轿车的前后轮都采用盘式制动器,通风盘式制动器,由CATIA建立的刹车盘的

6、模型并取五分之一模型如图所示。,将做好的刹车盘模型以part类型保存并导入ANSYS软件中，并对模型进行前处理网格划分,刹车盘制动时受到摩擦力、夹紧力和固定力的作用，所受力在任何一个时刻都是不同的，所有力的位置和方向周期性变化，大小也随时叫不断变化。 用ANSYS对刹车盘进行应力分析时，只还原在某个时刻上刹牢盘上的应力分布情况。假定刹车盘不转动，安装孔周面施加的所有方向位移均为0，在摩擦表面施加沿着圆周切线方向的摩擦力以及Z轴方向的压力，摩擦系数假定为0.4，压力大小为8000N，摩擦力大小为3200N。,模型分析云图,安装孔处应力,最大应力都在盘安装孔外侧，并且应力相对集中，除了安装孔外侧，

7、其他位置所受的应力都较小,盘周应力,盘周摩擦表面上的机械应力并不明显，与帽盘接连孔外侧的应力相比非常小。只有机械应力作用于盘周不致出现破坏,连接位置处应力,可以看出连接处应力并不大，有应力位置只在刹车盘受摩擦力和夹紧力一侧，应力大小也随周期变化。机械应力对连接处没有过多要求,结论,1）除了盘帽安装孔外侧机械应力较大外，其他位背应力均较小，初步设计能满足结构稳定性。 2）对于盘周可以弹性分配摩擦表面和风道的厚度，适当增加风道厚度，使其在功能上更偏向满足散热性的要求，这样也可以减少刹车盘重量。 3）对于连接处可以适当改变设汁重点，将其放在如何能更好的隔绝从盘周传导来的热量上，比如增大连接处传热路径

8、，减小连接处厚度等。,26,机械与动力工程学院,轻型货车普通变截面钢板弹簧有限元分析,1.钢板弹簧的作用,承载,导向,减振,缓和冲击,国内外研究现状,钢板弹簧的垂直方向载荷的计算上常用计算方法：,三角形板法,板端接触法,共同曲率法,:假设各弹簧片为一个整体的三角形板,:假设力在各片弹簧间的传递仅靠各片端来完成,:假定各片的弯曲具有共同的曲率,国内,国外,精益设计,强调考虑结构的大变形,准确模拟片间的接触状态,钢板弹簧的设计参数,:主要用于货车和大客车上,普通多片式钢板弹簧,线性特性,矩形断面簧片,:易制造，应用广，多用于轻型车,钢板弹簧的设计参数,梯形端部,上卷耳,制造简单,强度高，制作费用低

9、,钢板弹簧的设计参数,多片,少片,多片钢板弹簧三维模型的建立,钢板弹簧自由状态下的三维模型建立,由已知参数，分别对九片自由簧片进行单独三维建模。所有簧片均为等截面等宽度簧片。利用Pro/E进行参数化建模。,多片钢板弹簧有限元模型的建立,网格划分,使用材料,各向同性的线弹性材料60Si2Mn（硅锰弹簧钢）,弹性模量,210 GPa,泊松比,0.26,摩擦系数,0.2,最大许用应力应力,多片钢板弹簧有限元模型的建立,加载及边界条件的定义,工况一:,工况二:,施加预负荷，模拟中间夹紧螺栓夹紧各叶片时弹簧的变形、应力响应等。位移载荷大小等于自由状态下各片的间隙之和。,施加工作负荷，模拟在板簧的特定长度

10、处施加弹簧作用力的情况，数值为销子对弹簧的工作力，大小为9496.2 N。,计算结果分析,位移分析,位移的最大值=32mm,装配完成后多片板簧弧高95.5mm，在设计的装配弧高101.26mm范围内。,计算结果分析,装配后应力分析,最大应力=207.468MPa材料许用应力=1000MPa,满载应力分析,最大应力=203.823MPa材料许用应力=1000MPa,计算结果分析,计算结果分析,满载应力分析（少片）,最大应力=280.68MPa材料许用应力=1000MPa,结论,2.在相同条件以及同样寿命的前提下，使用少片变截面钢板弹簧，重量大约比多片弹簧减少50%左右。,1.对板簧的结构与尺寸设

11、计的强度方面的校核与有限元分析表明校核的结果符合相关技术要求。,基于Workbench 对发动机活塞的温度场分析,主要内容,一.利用UG建模,改变活塞顶的倒圆角分别为5mm,6mm,3mm,2mm,5mm,3mm,6mm,2mm,二.workbench热分析,1)在工具箱中将稳态热分析系统【Steady-State Thermal】直接拖入至工程图解中。,2)定义工程数据【Engineering Data:必须定义材料的导热系数，可以是单一材料的，也可以是多种材料的，根据零件的实际情况而定。导热系数既可以是各向同性的，也可是各向异性的，既可是常数也可是与温度有关的数据。 添加材料的热传导率，活

12、塞的材料为铝合金，其热传导率为226w/m。,3)导入活塞的UG三维立体图。将之前在UG中画的活塞图进行格式转换，将其另存为IGS的格式，再将其导入Workbench中，进行分析。 4)在Workbench界面中选择 Setup一Edit，进入Mechanical分析环境，对活塞进行材料设置，如图:,5)对活塞进行网格划分，选择Mesh一Generate Mesh,图形区显示程序自动生成的六面体网格模型，如图:,6)施加边界条件。加载标定功率工况下活塞的第三类边界条件，根据下表对活塞各部分进行施加边界条件。 7)设置需要的结果，选择【Solution(A6 )】，在工具栏中选择【Thermal

13、】一【Temperature】,标定功率工况下的活塞温度场分布图,5mm,6mm,3mm,2mm,结果分析,通过分析不同活塞顶圆角半径的活塞在两种工况下的温度场可知: 第一，活塞顶部的温度是最高的，由上至下活塞的温度逐渐降低，裙部的温度最低。活塞的第一环槽的温度是比较高的，这就容易造成润滑油的变质甚至可能有碳化的发生，使得活塞环发生粘结，使环槽迅速磨损、变形，严重时将造成发动机汽缸套擦伤，甚至拉缸。所以在选取活塞的材料时，要选择抗热性好的材料。在选择冷却方式时，最好选择活塞底部喷油的方式。,第二，在同一工况下，例如在标定功率工况下，当活塞的活塞顶圆角半径的变化是5 mm , 6 mm , 3 mm , 2 mm时，活塞的