说明书-24米风机叶片叶根吊装夹具的结构设计与有限元分析.doc
24米风机叶片叶根吊装夹具的结构设计与有限元分析含SW三维及CAD图
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24
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XX设计（XX）任务书 题目： 24米风机叶片叶根吊装夹具的结构设计与有限元分析 姓名 学院 专业 班级 学号 指导老师 职称 教研室主任 一、 基本任务及要求：1. 查阅大型风机叶根吊装夹具设计文献15篇以上，并写出文献综述，开题报告 2、分析大型风力发电机叶片的特点与工作方式 3、对叶片的叶根吊装夹具进行设计 4、对夹具设计主要受力部位进行校核和优化 5、绘制叶根吊装夹具相关图纸 6.撰写毕业论文，字数15000以上。 二、 进度安排及完成时间： 1第1周（3.4开始） 布置任务，下达设计任务书，熟悉设计内容 2第23周 查阅资料、撰写文献综述、撰写开题报告 3第48周 对大型风力发电叶片的叶根进行吊装夹具设计 4第911周 完成对所设计的夹具进行校核和优化 5第1214周 撰写毕业设计说明书（论文） 6第15周 论文评阅，毕业设计答辩 7第16周 毕业设计资料整理、归档 摘要：风机是一种将原动机的机械能转换为输送气体、给予气体能量的机械，它是火电厂中不可少的机械设备，主要有送风机、引风机、一次风机、密封风机和排粉机等，消耗电能约占发电厂发电量的1530。在火电厂的实际运行中，风机，特别是引风机由于运行条件较恶劣，故障率较高，据有关统计资料，引风机平均每年发生故障为2次，送风机平均每年发生故障为04次，从而导致机组非计划停运或减负荷运行。因此，迅速判断风机运行中故障产生的原因，采取得力措施解决是发电厂连续安全运行的保障。虽然风机的故障类型繁多，原因也很复杂，但根据调查电厂实际运行中风机故障较多的是：轴承振动、轴承温度高、动叶卡涩、保护装置误动。多年以来，风力发电机同水力机械一样，作为动力源替代人力、畜力，对生产力的发展发挥过重要作用。近代机电动力的广泛应用以及二十世纪50年代中东油田的发现，使风力机的发展缓慢下来。七0年代初期，由于“石油危机”，出现了能源紧张的问题，人们认识到常规矿物能源供应的不稳定性和有限性，于是寻求清洁的可再生能源遂成为现代世界的一个重要课题。风能作为可再生的、无污染的自然能源又重新引起了人们重视。近两年，特别是可再生能源法的正式实施，为我国风力发电创造了良好的发展环境，根据中国风电发展报告2007预测，国内风电机组将以每年37.4%的速度递增，依据现有政策，中国风电装机容量到2020年底可达到5000万千瓦。目前风力发电机组趋向大型化,目前全国安装风力发电机组平均功率达到1.5MW以上。大型机组的吊装给风机安装带来新的课题。本文就工程实例描述了风力发电机组安装过程。并对风力发电机组做了简述。 关键词：风机，叶片，能量Abstract：Is a fan of theoriginal motive of themechanical energy is converted intogas,gas energy to the machinery,it is theindispensableequipmentin thermal power plant,mainblower,induced draft fan,afan,sealingblower andexhauster,electric energy consumptionaccounts for about 1.5% oftopower generationpower plant3%.In the actual operationof thermal power plant,windmachine,especially thefanbecause theoperating condition is bad,high failurerate,according tothe relevant statistics,the average annualincidenceof induced draft fanfaultfor the 2 time,the bloweris average and annualfailurefor the 0.4 time,causingunplanned outageor reduce theload operation.Therefore,to quickly determine thefault reasons offanoperation,take effectivemeasures to solve thepowerplant forthe protection of the safe operation of.Although the faulttypefanis various,the reason is verycomplex,but according to theactual plantoperatingstrokeengine faultis more:bearing vibration,high bearing temperature,dynamicleaf cardsastringent,protection misoperation.Over the years,wind power generatorwithhydraulic machinery,as the power sourceto replacehuman,animal,played an important role inthe development of the productive forces.Modernelectricalpowerand the wide application ofthe twentieth Century 50sMiddle Eastoil discoveries,thedevelopment of wind turbinesto slow down.0 in theearlyseven,due to the oil crisis,appearedthe problem of energy shortage,people realize that theconventionalfossil energysupplyinstability andlimited,solook for cleanrenewable energyhas becomean important topic in modernworld.Wind as arenewable,non pollutingnaturalenergyagainattractedattention.In recent years,especially inthe formal implementation ofrenewable energy law,to createa favorable environment for the development ofChinas wind power generation,according toChinesewind powerdevelopment report 2007prediction,the domestic wind turbineswill be increased by 37.4% every year,according to the existingpolicy,Chinesewind power installed capacityby the end of 2020can be achieved50000000 kw.Wind power generation unit istending to increase,the averagepower ofthewind turbine installedabove 1.5MW.The hoisting of largegeneratorforwind turbine installationbring new task.This paperdescribesthe installation processengineering example ofwind turbine.And thewind turbineis briefly introduced.目录摘要：1Abstract：3一，大型风机的背景51.1风机的现状51.2风机的特点7历史8分类9二，设计方法102.1叶片夹具设计102.2材料的选用及其特性112.3结构的选用及有限元计算112.4加工工艺选择20三，设计方案验证203.1夹具的可行性分析203.2夹具的优点及其不足之处20四，总结20五，致谢21六，参考文献22一，大型风机的背景1.1风机的现状风机，英文为：Draught Fan风机是我国对气体压缩和气体输送机械的习惯简称，通常所说的风机包括通风机，鼓风机，风力发电机。气体压缩和气体输送机械是把旋转的机械能转换为气体压力能和动能，并将气体输送出去的机械。风机的主要结构部件是叶轮、机壳、进风口、支架、电机、皮带轮、联轴器、消音器、传动件（轴承）等。无动力通风机是利用自然风力及室内外温度差造成的空气热对流，推动涡轮旋转从而利用离心力和负压效应将室内不新鲜的热空气排出。风机关系到系统的输配能耗，是建筑节能非常关键的部分。根据国家空调设备质量监督检验中心多年风机检测表明很多风机在额定工况下都存在问题，因此需要严格按照产品标准要求生产和制造风机。风机制造和风机检测依据的标准主要有GB/T 1236-2000工业通风机标准化风道进行性能试验、JB/T 9068-1999前向多翼离心通风机、JB/T 8932-1999风机箱、GB 10080-2001空调通风机安全要求、JB/T 9069-2000屋顶通风机、GB 10178-2006工业通风机现场性能试验、JB/T 10281-2001消防排烟通风机技术条件、GB/T 13933-2008小型贯流式通风机、JB/T 6411-1992暖通、空调用轴流通风机、JB/T 7258-2006一般用途离心式鼓风机、JB/T 10562-2006一般用途轴流通风机技术条件、JB/T 10563-2006一般用途离心通风机技术条件、GB 19761-2009 通风机能效限定值及节能评价值、JG/T 259-2009 射流诱导机组 、JB/T 7221-1994单元式空气调节机组用双进风离心通风机、JB/T 8932-1999风机箱、GBT 19075-2003 工业通风机 词汇及种类定义等。检测项目主要风量、风压、输入功率、转速、射程、能效等。风机噪声检测和风机振动检测主要依据GB/T 2888-2008风机和罗茨鼓风机噪声测量方法、JB/T 8690-1998工业通风机噪声限值、JB/T 8689-1998通风机振动检测及其限制、GB 9068-1988采暖通风与空气调节设备噪声声功率的测定-工程法、GB/T 3767-1996声学声压法测定噪声源声功率级 反射面上方近似自由场的工程法。风机刚开始工作时轴承部位的振动很小，但是随着运转时间的加长，风机内粉尘会不均匀的附着在叶轮上，逐渐破坏风机的动平衡，使轴承振动逐渐加大，一旦振动达到风机允许的最大值11mm/s时（用振幅值表示的最大允许值如下），风机必须停机修理（清除粉尘堆积，重做动平衡）。因为这时已是非常危险的，用户千万不可强行使用。在风机振动接近危险值时，有测振仪表的会报警。风机轴承振动的最大允许值为：（1）用轴承震动速度有效显示时为：11mm/s。（2）用轴承振幅显示时为以下值：1. 电机同步转速为3000转/分时： 最大允许值为：0.1mm（双振幅）2. 电机同步转速为1500转/分时： 最大允许值为：0.2mm（双振幅）3. 电机同步转速为1000转/分时： 最大允许值为：0.31mm（双振幅）4. 电机同步转速为750转/分时： 最大允许值为：0.4mm（双振幅）5. 电机同步转速为600转/分时： 最大允许值为：0.5mm（双振幅）6. 电机同步转速为500转/分时： 最大允许值为：0.6mm（双振幅）风机的轴承温度正常时为70，如果一旦升高到70，有电控的应（会）报警。此时应查找原因，首先检查冷却水是否正常？轴承油位是否正常？如果一时找不到原因，轴承温度迅速上升到90，有电控的应（会）再次发出报警、停车信号。风机开车、停车或运转过程中，如发现不正常现象应立即进行检查，检查发现的小故障应及时查明原因设法消除。如发现大故障（如风机剧烈振动、撞击、轴承温度升剧烈上升等）应立即停车进行检查。风机首次运行一个月后，应重新更新更换润滑油（或脂）以后除每次拆修后应更换外，正常情况下12月更换一次润滑油（或脂），也可根据实际情况更换润滑油（或脂）。风机包括通风机、透平鼓风机、罗茨鼓风机和透平压缩机，详细划分包括离心式压缩机、轴流式压缩机、离心式鼓风机、罗茨鼓风机、离心式通风机、轴流式通风机和叶氏鼓风机等7大类。11.2风机的特点未来风机发展趋势和方向分析如下：风机主要应用于冶金、石化、电力、城市轨道交通、纺织、船舶等国民经济各领域以及各种场所的通风换气。除传统应用领域外，在煤矸石综合利用、新型干法熟料技改、冶金工业的节能及资源综合利用等20多个潜在的市场领域仍将有较大的发展前景。随着风机制造行业竞争的不断加剧，大型风机制造企业间并购整合与资本运作日趋频繁，国内优秀的风机制造企业愈来愈重视对行业市场的研究，特别是对产业发展环境和产品购买者的深入研究。正因为如此，一大批国内优秀的风机品牌迅速崛起，逐渐成为风机制造行业中的翘楚!从风机需求特点预测对于使用量大面广的中小型风机，产品结构及制造工艺比较简单，成本也较低，用户主要追求的是高效率、低噪声、长寿命，且价格便宜。另一种是 资金、技术密集型，产品结构复杂，制造周期长，成套性和系统性也强，而且在高压、高温及高速条件下运行，有的甚至在恶劣工况下运行，用户对该类风机各有不同要求。对透平鼓 风机和压缩机及大型通风机，用户主要追求的是高质量、高可靠性、运转平稳且周期长。从主要领域需求结构预测一般通风换气风机(一般为中小型离心和轴流通风机)使用最广泛，需求量最多，制造厂商也最多。总体讲，这类产品供大于求。特殊用途风机(包括防腐风机、高温风机、耐磨风机、消防排烟风机等)需求量虽然不很大，但因作业环境特殊，需要区别对待，因为主要材质要求较特殊。罗茨鼓风机的最大 特点是当压力在允许范围内调节时，流量变化甚微，压力选择范围宽，具有强制输气特征，主要缺点是噪声较大。通过引进技术、合资及自行开发等，我国已推出噪声较低的三叶罗茨鼓风机，颇受用户欢迎，市场前景较好。透平压缩机(包括离心压缩机、轴流压缩机和轴流-离心复合式压缩机)是重大工程成套装置重要设备，在国民经济中起着重要作用。 对透平压缩机的性能要求既要压力高，又要流量大。随着成套装置大型化，要求透平压缩机参数越来越高。如高炉冶炼装置、大型煤化工装置、大型化肥装置、大型乙烯装置、大型空分装置、天然气管线输送装置及油田注气装置等。这类产品需求量占风机总量很少，但由于重要，以及结构复杂，制造周期长，技术含量高，因此，有比较好的经济效益和社会效益。透平压缩机制造水平代表了风机行业整体水平。市场环境从国内市场容量预测风 机根据不同压力和流量等要求，差异很大。因此，风机需求应按其类型、大小加以区别，按不同行业需求情况来预测。据不完全统计，全国风机产量从1 980年到1996年，年均增长率为13.8%。预计2005年全国风机总产量在260万290万台之间，201 0年将达310万325万台。根据风机行业历年统计，预测离心式压缩机2005 年产量为160万180万台， 2010年将达200万210万台；轴流压缩机2005 产量为26万台，2010年预计达36万台；透平压缩机和鼓风机2005年市场占有率可达70%左右。从国外市场预测中国通用机械风机行业协会会员单位2000年出口风机7969台，出口交货值为8115 .7万元。1991年2000年出口风机总台数为72876台，出口交货总值为74726万元。全球经济一体化趋势越来越明显，各国经济将进一步互相依存，国际经济合作和交往日趋紧密，国际市场处在大幅度交叉和融合阶段。同时，全球性产业结 构调整步伐正在加快，国际分工规模和深度都出现重大进展，发达国家不断将工业生产转向资本密集型和技术密集型行业，劳动密集型产品向发展中国家和地区转 移。这为我国发挥自身优势，跻身国际市场提供了很好的发展机遇。国内从20世纪70年代开始引进国外离心压缩机先进技术，经过消化吸收和创新，提高了产品档次。只要保证质量和交货期，利用价格优势，在国际上是有竞争力的。特别是中国加入WTO后，增加风机出口是完全可能的。从历史情况分析，主要出口品种是中小型通风 机以及风机配件。国内生产这类风机的企业，主要差距是表面质量达不到出口要求，若提高外观质量，又具有价格优势，在国外市场的前景是广阔的。从1991 年2000年风机出口情况看，中小型通风机出口不够稳定，没有明显增长趋势。但随着技术不断进步，预计这类风机出口量会不断增加，预测在 2000年基础上会以5%左右的年均速度递增。离心式压缩机和鼓风机从1991年到2000年出口有较明显的增加，2000 年已达到87万台。主要出口国是印度、巴基斯坦、伊朗、越南等发展中国家。预计这种趋势还会发展，每年可达到100万台。根据2013-2017年中国风机行业市场前瞻与投资战略规划分析报告2数据显示，2012年1-12月，全国风机的产量达2162.35万台，同比增长1.39%。从各省市的产量来看，2012年1-12月，浙江省风机的产量达1152.12万台，同比增长4.54%，占全国总产量的53.28%。紧随其后的是广东省、上海市、江苏省，分别占总产量的34.01%、4.82%以及2.80%。历史风机已有悠久的历史。2000多年前，中国、巴比伦、波斯等国就已利用古老的风车提水灌溉、碾磨谷物。12 世纪以后，风车在欧洲迅速发展。中国在公元前就已制造出简单的木制砻谷风车，它的作用原理与现代离心风机基本相同。公元7世纪在西亚大概在叙利亚，建造了第一批风车。世界上的这个地区有强风，几乎总是朝着相同的方向吹，因此就面向盛行风而建造了这些早期风车。它们看上去不像如今所见到的风车，而是有着竖式轴，轴垂直排列着翼，与旋转木马装置上排列着木马很相似。12世纪末在西欧出现了第一批风车。有些人认为，在巴勒斯坦参加了十字军东侵的士兵们回家时带回了关于风车的信息。但是，西方风车的设计与叙利亚的风车迥然不同，因而它们可能是独立发明出来的。典型的地中海风车有着圆形石塔和朝向盛行风安装的垂直翼板。它们仍用于磨碎谷物。1862年，英国的圭贝尔发明离心风机，其叶轮、机壳为同心圆型，机壳用砖制，木制叶轮采用后向直叶片，效率仅为40%左右，主要用于矿山通风。1892年法国研制成横流风机；1898年，爱尔兰人设计出前向叶片的西罗柯式离心风机，并为各国所广泛采用；19世纪，轴流风机已应用于矿井通风和冶金工业的鼓风，但其压力仅为100300帕，效率仅为1525%，直到二十世纪40年代以后才得到较快的发展。1935年，德国首先采用轴流等压风机为锅炉通风和引风。1948年,丹麦制成运行中动叶可调的轴流风机；旋轴流风机、子午加速轴流风机、斜流风机和横流风机；1874年成立的Clarage公司，于1997年被美国双城风机集团并购，成为至今最老的风机制造商之一，风机的发展也都获得了长足进步。1880年，人们设计出用于矿井排送风的蜗形机壳，和后向弯曲叶片的离心风机，结构已比较完善了。1892年法国研制成横流风机。分类1. 风机按使用材质分类可以分好几种，如铁壳风机（普通风机）、玻璃钢风机、塑料风机、铝风机、不锈钢风机等等2. 风机分类可以按气体流动的方向，分为离心式、轴流式、斜流式（混流式）和横流式等类型。3. (1)离心风机。气流轴向进入风机的叶轮后主要沿径向流动。这类风机根据离心作用的 原理制成，产品包括离心通风机、离心鼓风机和离心压缩机。4. (2)轴流风机。气流轴向进入风机的叶轮，近似地在圆柱形表面上沿轴线方向流动。这类风机包括轴流通风机、轴流鼓风机和轴流压缩机。5. (3)回转风机。利用转子旋转改变气室容积来进行工作。常见的品种有罗茨鼓风机、回转压缩机。6. 风机根据气流进入叶轮后的流动方向分为：轴流式风机、离心式风机和斜流(混流)式风机。7. 风机按用途分为压入式局部风机(以下简称压入式风机)和隔爆电动机置于流道外或在流道内，隔爆电动机置于防爆密封腔的抽出式局部风机(以下简称抽出式风机)。8. 风机按照加压的形式也可以分单级、双级或者多级加压风机。如4-72是单级加压，高端风机则是多级加压风机。9. 风机按照用途划分可以分为：轴流风机、混流风机、屋顶风机、空调风机等。10. 风机按压力可分为低压风机、中压风机、高压风机。11. 按出口压力（升压）分为：通风机（1.5万Pa）、鼓风机（1.535万Pa）、压缩机（35万Pa）。风机性能参数风机的性能参数主要有流量、压力、功率、效率和转速。另外，噪声和振动的大小也是主要的风机设计指标。流量也称风量，以单位时间内流经风机的气体体积表示；压力也称风压，是指气体在风机内压力升高值，有静压、动压和全压之分；功率是指风机的输入功率，即轴功率。风机有效功率与轴功率之比称为效率。风机全压效率可达90%。二，设计方法2.1叶片夹具设计机械制造过程中用来固定加工对象，使之占有正确的位置，以接受施工或检测的装置，又称卡具。从广义上说，在工艺过程中的任何工序，用来迅速、方便、安全地安装工件的装置，都可称为夹具。例如焊接夹具、检验夹具、装配夹具、机床夹具等。其中机床夹具最为常见，常简称为夹具 。在机床上加工工件时，为使工件的表面能达到图纸规定的尺寸、几何形状以及与其他表面的相互位置精度等技术要求 ，加工前必须将工件装好（定位）、夹牢（夹紧）。夹具通常由定位元件（确定工件在夹具中的正确位置）、夹紧装置 、对刀引导元件(确定刀具与工件的相对位置或导引刀具方向)、分度装置（使工件在一次安装中能完成数个工位的加工，有回转分度装置和直线移动分度装置两类）、连接元件以及夹具体（夹具底座）等组成。夹具种类按使用特点可分为：万能通用夹具。如机用虎钳、卡盘、吸盘、分度头和回转工作台等，有很大的通用性，能较好地适应加工工序和加工对象的变换，其结构已定型，尺寸、规格已系列化，其中大多数已成为机床的一种 标准附件。专用性夹具。为某种产品零件在某道工序上的装夹需要而专门设计制造，服务对象专一，针对性很强，一般由产品制造厂自行设计。常用的有车床夹具、铣床夹具、钻模(引导刀具在工件上钻孔或铰孔用的机床夹具)、镗模(引导镗刀杆在工件上镗孔用的机床夹具)和随行夹具（用于组合机床自动线上的移动式夹具）。可调夹具。可以更换或调整元件的专用夹具。组合夹具。由不同形状、规格和用途的标准化元件组成的夹具，适用于新产品试制和产品经常更换的单件、小批生产以及临时任务。除虎钳、卡盘、分度头和回转工作台之类，还有一个更普遍的叫刀柄，一般说来，刀具夹具这个词同时出现时，大多这个夹具指的就是刀柄。大多数焊接工装是为某种焊接组合件的装配焊接工艺而专门设计的，属于非标准装置，往往需要根据产品机构特点、生产条件和你实际需要自行设计制造。焊接工装设计是生产准备工作的重要内容之一，也是焊接生产工艺设计的主要任务之一。对于汽车、摩托车和飞机等制造业，可以毫不夸张地说，没有焊接工装就没有产品。通过在工艺设计时，提出所需要的工装类型、结构草图和简要说明，在此基础上完成详细的结构和零件设计及全部图样。工装设计的质量，对生产效率、加工成本、产品质量以及生产安全等有直接的影响，为此，设计焊接工装时必须考虑实用性、经济性、可靠性、艺术性等。在机械设计和制造过程中，普遍存在尺寸链问题。在把零件组装成机器的过程中，也就是将零件上有关的尺寸进行组合和积累。由于零件尺寸存在制造误差，因此装配时也就会有误差的综合和积累。累积后形成的总误差将会影响机器的工作性能和质量。这就形成了零件的尺寸误差和综合误差之间的相互影响关系。设计工装夹具也不例外。合理地确定零件的尺寸公差和形位公差显得很重要。通过本次课程设计，不仅增强了对焊接工艺装备专业性知识的系统化，而且将专业知识、设计能力和实践能力的有机的结合在一起。收获更深的应该是夯实并拓宽了设计工装夹具的思路以及对设计的思维原则性和灵活性的锻炼。2.2材料的选用及其特性查阅机械设计手册对材料的力学性能钢板厚度的选择2.3结构的选用及有限元计算用solidworks进行三维模型的设计，设计模型如下图将模型导入到ansys软件，进行力学分析有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。还利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。有限元的概念早在几个世纪前就已产生并得到了应用，例如用多边形（有限个直线单元）逼近圆来求得圆的周长，但作为一种方法而被提出，则是最近的事。有限元法最初被称为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。在解偏微分方程的过程中, 主要的难点是如何构造一个方程来逼近原本研究的方程, 并且该过程还需要保持数值稳定性。目前有许多处理的方法，他们各有利弊。当区域改变时(就像一个边界可变的固体), 当需要的精确度在整个区域上变化, 或者当解缺少光滑性时, 有限元方法是在复杂区域(像汽车和输油管道)上解偏微分方程的一个很好的选择。例如, 在正面碰撞仿真时, 有可能在重要区域(例如汽车的前部)增加预先设定的精确度并在车辆的末尾减少精度(如此可以减少仿真所需消耗); 另一个例子是模拟地球的气候模式, 预先设定陆地部分的精确度高于广阔海洋部分的精确度是非常重要的。1有限元方法与其他求解边值问题近似方法的根本区别在于它的近似性仅限于相对小的子域中。20世纪60年代初首次提出结构力学计算有限元概念的克拉夫（Clough）教授形象地将其描绘为：“有限元法=Rayleigh Ritz法+分片函数”，即有限元法是Rayleigh Ritz法的一种局部化情况。不同于求解（往往是困难的）满足整个定义域边界条件的允许函数的Rayleigh Ritz法，有限元法将函数定义在简单几何形状（如二维问题中的三角形或任意四边形）的单元域上（分片函数），且不考虑整个定义域的复杂边界条件，这是有限元法优于其他近似方法的原因之一。对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元求解法的基本步骤是相同的，只是具体公式推导和运算求解不同。有限元求解问题的基本步骤通常为：第一步：问题及求解域定义：根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域。第二步：求解域离散化：将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限个单元组成的离散域，习惯上称为有限元网络划分。显然单元越小（网格越细）则离散域的近似程度越好，计算结果也越精确，但计算量及误差都将增大，因此求解域的离散化是有限元法的核心技术之一。第三步：确定状态变量及控制方法：一个具体的物理问题通常可以用一组包含问题状态变量边界条件的微分方程式表示，为适合有限元求解，通常将微分方程化为等价的泛函形式。第四步：单元推导：对单元构造一个适合的近似解，即推导有限单元的列式，其中包括选择合理的单元坐标系，建立单元试函数，以某种方法给出单元各状态变量的离散关系，从而形成单元矩阵（结构力学中称刚度阵或柔度阵）。为保证问题求解的收敛性，单元推导有许多原则要遵循。 对工程应用而言，重要的是应注意每一种单元的解题性能与约束。例如，单元形状应以规则为好，畸形时不仅精度低，而且有缺秩的危险，将导致无法求解。第五步：总装求解：将单元总装形成离散域的总矩阵方程（联合方程组），反映对近似求解域的离散域的要求，即单元函数的连续性要满足一定的连续条件。总装是在相邻单元结点进行，状态变量及其导数（可能的话）连续性建立在结点处。第六步：联立方程组求解和结果解释：有限元法最终导致联立方程组。联立方程组的求解可用直接法、迭代法和随机法。求解结果是单元结点处状态变量的近似值。对于计算结果的质量，将通过与设计准则提供的允许值比较来评价并确定是否需要重复计算。简言之，有限元分析可分成三个阶段，前置处理、计算求解和后置处理。前置处理是建立有限元模型，完成单元网格划分；后置处理则是采集处理分析结果，使用户能简便提取信息，了解计算结果。纵观当今国际上CAE软件的发展情况，可以看出有限元分析方法的一些发展趋势：1、与CAD软件的无缝集成当今有限元分析软件的一个发展趋势是与通用CAD软件的集成使用，即在用CAD软件完成部件和零件的造型设计后，能直接将模型传送到CAE软件中进行有限元网格划分并进行分析计算，如果分析的结果不满足设计要求则重新进行设计和分析，直到满意为止，从而极大地提高了设计水平和效率。为了满足工程师快捷地解 决复杂工程问题的要求，许多商业化有限元分析软件都开发了和著名的CAD软件（例如Pro/ENGINEER、Unigraphics、 SolidEdge、SolidWorks、IDEAS、Bentley和AutoCAD等）的接口。有些CAE软件为了实现和CAD软件的无缝集成而采 用了CAD的建模技术，如ADINA软件由于采用了基于Parasolid内核的实体建模技术，能和以Parasolid为核心的CAD软件（如 Unigraphics、SolidEdge、SolidWorks）实现真正无缝的双向数据交换。2、更为强大的网格处理能力有限元法求解问题的基本过程主要包括：分析对象的离散化、有限元求解、计算结果的后处理三部分。由于结构离散后的网格质量直接影响到求解时间及求解结果的 正确性与否，各软件开发商都加大了其在网格处理方面的投入，使网格生成的质量和效率都有了很大的提高，但在有些方面却一直没有得到改进，如对三维实 体模型进行自动六面体网格划分和根据求解结果对模型进行自适应网格划分，除了个别商业软件做得较好外，大多数分析软件仍然没有此功能。自动六面体网格划分 是指对三维实体模型程序能自动的划分出六面体网格单元，大多数软件都能采用映射、拖拉、扫略等功能生成六面体单元，但这些功能都只能对简单规则模型适 用，对于复杂的三维模型则只能采用自动四面体网格划分技术生成四面体单元。对于四面体单元，如果不使用中间节点，在很多问题中将会产生不正确的结果，如果 使用中间节点将会引起求解时间、收敛速度等方面的一系列问题，因此人们迫切的希望自动六面体网格功能的出现。自适应性网格划分是指在现有网格基础上，根据 有限元计算结果估计计算误差、重新划分网格和再计算的一个循环过程。对于许多工程实际问题，在整个求解过程中，模型的某些区域将会产生很大的应变，引起单 元畸变，从而导致求解不能进行下去或求解结果不正确，因此必须进行网格自动重划分。自适应网格往往是许多工程问题如裂纹扩展、薄板成形等大应变分析的必要 条件。3、由求解线性问题发展到求解非线性问题随着科学技术的发展，线性理论已经远远不能满足设计的要求，许多工程问题如材料的破坏与失效、裂纹扩展等仅靠线性理论根本不能解决，必须进行非线性分析求 解，例如薄板成形就要求同时考虑结构的大位移、大应变（几何非线性）和塑性（材料非线性）；而对塑料、橡胶、陶瓷、混凝土及岩土等材料进行分析或需考虑材 料的塑性、蠕变效应时则必须考虑材料非线性。众所周知，非线性问题的求解是很复杂的，它不仅涉及到很多专门的数学问题，还必须掌握一定的理论知识和求解技 巧，学习起来也较为困难。为此国外一些公司花费了大量的人力和物力开发非线性求解分析软件，如ADINA、ABAQUS等。它们的共同特点是具有高效的非 线性求解器、丰富而实用的非线性材料库，ADINA还同时具有隐式和显式两种时间积分方法。4、由单一结构场求解发展到耦合场问题的求解有限元分析方法最早应用于航空航天领域，主要用来求解线性结构问题，实践证明这是一种非常有效的数值分析方法。而且从理论上也已经证明，只要用于离散求解 对象的单元足够小，所得的解就可足够逼近于精确值。用于求解结构线性问题的有限元方法和软件已经比较成熟，发展方向是结构非线性、流体动力学和耦合场 问题的求解。例如由于摩擦接触而产生的热问题，金属成形时由于塑性功而产生的热问题,需要结构场和温度场的有限元分析结果交叉迭代求解，即热力耦合的 问题。当流体在弯管中流动时，流体压力会使弯管产生变形，而管的变形又反过来影响到流体的流动这就需要对结构场和流场的有限元分析结果交叉迭代求解， 即所谓流固耦合的问题。由于有限元的应用越来越深入，人们关注的问题越来越复杂，耦合场的求解必定成为CAE软件的发展方向。5、程序面向用户的开放性随着商业化的提高，各软件开发商为了扩大自己的市场份额，满足用户的需求，在软件的功能、易用性等方面花费了大量的投资，但由于用户的要求千差万别，不管 他们怎样努力也不可能满足所有用户的要求，因此必须给用户一个开放的环境，允许用户根据自己的实际情况对软件进行扩充，包括用户自定义单元特性、用户自定 义材料本构（结构本构、热本构、流体本构）、用户自定义流场边界条件、用户自定义结构断裂判据和裂纹扩展规律等等。关注有限元的理论发展，采用最先进的算法技术，扩充软件的性能，提高软件性能以满足用户不断增长的需求，是CAE软件开发商的主攻目标，也是其产品持续占有市场，求得生存和发展的根本之道。对模型进行网格划分众所周知，对于有限元分析来说，网格划分是其中最关键的一个步骤，网格划分的好坏直接影响到解算的精度和速度。在ANSYS中，大家知道，网格划分有三个步骤：定义单元属性（包括实常数）、在几何模型上定义网格属性、划分网格。在这里，我们仅对网格划分这个步骤所涉及到的一些问题，尤其是与复杂模型相关的一些问题作简要阐述。 划分网格后得到的网格数和节点数网格的划分方法1、 自由网格划分 自由网格划分是自动化程度最高的网格划分技术之一，它在面上（平面、曲面）可以自动生成三角形或四边形网格，在体上自动生成四面体网格。通常情况下，可利用ANSYS的智能尺寸控制技术（SMARTSIZE命令）来自动控制网格的大小和疏密分布，也可进行人工设置网格的大小（AESIZE、LESIZE、KESIZE、ESIZE等系列命令）并控制疏密分布以及选择分网算法等（MOPT命令）。对于复杂几何模型而言，这种分网方法省时省力，但缺点是单元数量通常会很大，计算效率降低。同时，由于这种方法对于三维复杂模型只能生成四面体单元，为了获得较好的计算精度，建议采用二次四面体单元（92号单元）。如果选用的是六面体单元，则此方法自动将六面体单元退化为阶次一致的四面体单元，因此，最好不要选用线性的六面体单元（没有中间节点，比如45号单元），因为该单元退化后为线性的四面体单元，具有过刚的刚度，计算精度较差；如果选用二次的六面体单元（比如95号单元），由于其是退化形式，节点数与其六面体原型单元一致，只是有多个节点在同一位置而已，因此，可以利用TCHG命令将模型中的退化形式的四面体单元变化为非退化的四面体单元，减少每个单元的节点数量，提高求解效率。在有些情况下，必须要用六面体单元的退化形式来进行自由网格划分，比如，在进行混合网格划分（后面详述）时，只有用六面体单元才能形成金字塔过渡单元。对于计算流体力学和考虑集肤效应的电磁场分析而言，自由网格划分中的层网格功能（由LESIZE命令的LAYER1和LAYER2域控制）是非常有用的。 2、映射网格划分 映射网格划分是对规整模型的一种规整网格划分方法，其原始概念是：对于面，只能是四边形面，网格划分数需在对边上保持一致，形成的单元全部为四边形；对于体，只能是六面体，对应线和面的网格划分数保持一致；形成的单元全部为六面体。在ANSYS中，这些条件有了很大的放宽，包括： 1 面可以是三角形、四边形、或其它任意多边形。对于四边以上的多边形，必须用LCCAT命令将某些边联成一条边，以使得对于网格划分而言，仍然是三角形或四边形；或者用AMAP命令定义3到4个顶点（程序自动将两个顶点之间的所有线段联成一条）来进行映射划分。 2 面上对边的网格划分数可以不同，但有一些限制条件。 3 面上可以形成全三角形的映射网格。 4 体可以是四面体、五面体、六面体或其它任意多面体。对于六面以上的多面体，必须用ACCAT命令将某些面联成一个面，以使得对于网格划分而言，仍然是四、五或六面体。 5 体上对应线和面的网格划分数可以不同，但有一些限制条件。 对于三维复杂几何模型而言，通常的做法是利用ANSYS布尔运算功能，将其切割成一系列四、五或六面体，然后对这些切割好的体进行映射网格划分。当然，这种纯粹的映射划分方式比较烦琐，需要的时间和精力较多。 面的三角形映射网格划分往往可以为体的自由网格划分服务，以使体的自由网格划分满足一些特定的要求，比如：体的某个狭长面的短边方向上要求一定要有一定层数的单元、某些位置的节点必须在一条直线上、等等。这种在进行体网格划分前在其面上先划分网格的方式对很多复杂模型可以进行良好的控制，但别忘了在体网格划分完毕后清除面网格（也可用专门用于辅助网格划分的虚拟单元类型MESH200来划分面网格，之后不用清除）。 3、拖拉、扫略网格划分 对于由面经过拖拉、旋转、偏移（VDRAG、VROTAT、VOFFST、VEXT等系列命令）等方式生成的复杂三维实体而言，可先在原始面上生成壳（或MESH200）单元形式的面网格，然后在生成体的同时自动形成三维实体网格；对于已经形成好了的三维复杂实体，如果其在某个方向上的拓扑形式始终保持一致，则可用（人工或全自动）扫略网格划分（VSWEEP命令）功能来划分网格；这两种方式形成的单元几乎都是六面体单元。通常，采用扫略方式形成网格是一种非常好的方式，对于复杂几何实体，经过一些简单的切分处理，就可以自动形成规整的六面体网格，它比映射网格划分方式具有更大的优势和灵活性。 4、混合网格划分 混合网格划分即在几何模型上，根据各部位的特点，分别采用自由、映射、扫略等多种网格划分方式，以形成综合效果尽量好的有限元模型。混合网格划分方式要在计算精度、计算时间、建模工作量等方面进行综合考虑。通常，为了提高计算精度和减少计算时间，应首先考虑对适合于扫略和映射网格划分的区域先划分六面体网格，这种网格既可以是线性的（无中节点）、也可以是二次的（有中节点），如果无合适的区域，应尽量通过切分等多种布尔运算手段来创建合适的区域（尤其是对所关心的区域或部位）；其次，对实在无法再切分而必须用四面体自由网格划分的区域，采用带中节点的六面体单元进行自由分网（自动退化成适合于自由划分形式的单元），此时，在该区域与已进行扫略或映射网格划分的区域的交界面上，会自动形成金字塔过渡单元（无中节点的六面体单元没有金字塔退化形式）。ANSYS中的这种金字塔过渡单元具有很大的灵活性：如果其邻接的六面体单元无中节点，则在金字塔单元四边形面的四条单元边上，自动取消中间节点，以保证网格的协调性。同时，应采用前面描述的TCHG命令来将退化形式的四面体单元自动转换成非退化的四面体单元，提高求解效率。如果对整个分析模型的计算精度要求不高、或对进行自由网格划分区域的计算精度要求不高，则可在自由网格划分区采用无中节点的六面体单元来分网（自动退化成无中节点的四面体单元），此时，虽然在六面体单元划分区和四面体单元划分区之间无金字塔过渡单元，但如果六面体单元区的单元也无中节点，则由于都是线性单元，亦可保证单元的协调性。 边界条件设置运行计算，查询计算结果2.4加工工艺选择本设计夹具可以通过焊接工艺获得，或者通过铸造获得。就此分析比对一下这两者的优缺点。焊接工艺比较简单，采用国标包含的钢板规格，进行切割焊接，简单实用。成本比较低。但是铸造比较复杂，需要制作模具，成本高，周期复杂。综合而言，选择焊接的方式比较可靠。三，设计方案验证3.1夹具的可行性分析该夹具采用国标包含的钢板进行焊接，材料获取方便，加工工艺简单，加工上可行性得到保障。计算结果显示最大主应力为126.5Mpa，小于材料的许用应力345Mpa，改结构能够正常工作。3.2夹具的优点及其不足之处优点：能够承受工作压力，加工制
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