輕型175f機(jī)體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p>　　輕型175F機(jī)體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本論文研究的對(duì)象是175F型柴油機(jī)機(jī)體，首先利用學(xué)校實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)存的175F型發(fā)動(dòng)機(jī)的樣本，并對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的測(cè)繪以得到相關(guān)的數(shù)據(jù)參數(shù)。并在此基礎(chǔ)之上，對(duì)機(jī)體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行理論分析。最后利用Pro/E軟件對(duì)機(jī)體進(jìn)行三維建模，并用ANSYS軟件進(jìn)行有限元的

2、分析。</p><p>　　以運(yùn)動(dòng)學(xué)的動(dòng)力學(xué)的理論知識(shí)為依據(jù)，對(duì)機(jī)體所處環(huán)境的運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及在使用中的受力等問題進(jìn)行詳盡的分析，并得到了精確的分析結(jié)果。利用Pro/E對(duì)機(jī)體進(jìn)行三維建模并對(duì)機(jī)體在靜應(yīng)力作用下的預(yù)緊工況、爆發(fā)工況進(jìn)行受力分析，將結(jié)果導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行分析、網(wǎng)格劃分、施加約束和載荷，最后進(jìn)行相關(guān)的強(qiáng)度計(jì)算。</p><p>　　關(guān)鍵詞：175F機(jī)體 ANSYS 靜應(yīng)力<

3、;/p><p>　　Finite element analysis of structural strength of light 175F body</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　The study object of this thesis is the 175F type diesel engine

4、, the engine type 175F existing school laboratory samples, and a detailed mapping of the parameters related to get. And on this basis, carried out theoretical analysis on the body structure strength. Finally, the 3D mode

5、ling on the body using Pro/E software, and the finite element analysis with ANSYS software .</p><p>　　According to the theory of knowledge of kinematics dynamics as the basis,to carry out a detailed analysis

6、 of the body the movement environment as well as in the use of force, and the precise analysis results are obtained. On the 3D modeling and the body in the static pre- loading, force outbreak conditions stress analysis u

7、sing Pro/E, the results into ANSYS for analysis, meshing, loading and imposing constraints, the relative strength calculation. </p><p>　　Key Words ：175 Engine Body ANSYS Static stress</p><p>&

8、lt;b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p>　　目 錄III</p><p><b>　　第一章： 緒論1</b></p><p>　　1.1 課

9、題研究背景1</p><p>　　1.2 課題研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.3 研究內(nèi)容及意義3</p><p>　　第二章： 175F機(jī)體建模及載荷計(jì)算5</p><p>　　2.1 Pro/E簡介5</p><p>　　2.2 175F機(jī)體實(shí)體建模過程5</p><p>　

10、　2.2.1 Pro/E簡介5</p><p>　　2.3 在這里我們用PRO/E 的升級(jí)版CREO3.0進(jìn)行三維建模5</p><p>　　2.3.1 創(chuàng)建文件6</p><p>　　2.3.2 用拉伸、拔摸、鏡象、陣列、殼工具、孔等工具做出機(jī)體總外形6</p><p>　　第三章： 輕型175F發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析相關(guān)理論17

11、</p><p>　　3.1 有限元法介紹17</p><p>　　3.2 有限元靜力學(xué)分析基本理論18</p><p>　　3.2.1 線彈性有限元靜力學(xué)分析的過程18</p><p>　　3.2.2 有限元結(jié)構(gòu)離散化18</p><p>　　3.2.3 單元的位移模式19</p><p

12、>　　3.2.4 應(yīng)變、應(yīng)力矩陣20</p><p>　　3.2.5 剛度矩陣[k]22</p><p>　　3.3 ANSYS軟件23</p><p>　　第四章： 輕型175F發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體有限元分析25</p><p><b>　　4.1 引言25</b></p><p>　　4

13、.2 機(jī)體有限元模型的建立25</p><p>　　4.2.1 機(jī)體實(shí)體模型的建立26</p><p>　　4.2.2 機(jī)體有限元模型的建立27</p><p>　　4.3 Pro/E文件導(dǎo)入ANSYS28</p><p>　　4.4 分析前處理29</p><p>　　4.5 劃分網(wǎng)格34</p&g

14、t;<p>　　4.6 模型邊界條件與載荷的確定34</p><p>　　4.6.1 約束處理34</p><p>　　4.6.2 載荷的確定35</p><p>　　4.7 加載和計(jì)算結(jié)果分析35</p><p>　　4.7.1 加載35</p><p>　　4.7.2 分析載荷力云圖37&

15、lt;/p><p>　　4.8 強(qiáng)度校核38</p><p>　　4.8.1 靜強(qiáng)度安全系數(shù)校核38</p><p>　　4.8.2 疲勞安全系數(shù)校核38</p><p>　　第五章： 總 結(jié)39</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)40</b></p><p>&l

16、t;b>　　致 謝41</b></p><p><b>　　第一章： 緒論</b></p><p>　　1.1 課題研究背景</p><p>　　中小型高速水冷內(nèi)燃機(jī)的汽缸體與曲軸箱一般是做成一體的，總稱為機(jī)體。它構(gòu)成了內(nèi)燃機(jī)的骨架，機(jī)體內(nèi)外安裝著內(nèi)燃機(jī)所有的重要零件和附件。為了保證內(nèi)燃機(jī)活塞、連桿、曲軸、氣缸等主要零

17、件工作可靠、耐久，它們之間必須嚴(yán)格保持精確的相對(duì)位置，因此在機(jī)體設(shè)計(jì)過程中必須對(duì)重要表面的尺寸、幾何形狀、相互位置等有嚴(yán)格的工差要求。因此柴油機(jī)機(jī)體的合理設(shè)計(jì)成為了整個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)中十分重要的部分。</p><p>　　內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度研究總結(jié)成重要性的三點(diǎn)： </p><p>　　1提出防止再破壞改進(jìn)的措施來研究它的破壞形式與原因在零部件發(fā)生的故障跟破壞時(shí)；</p><p

18、>　　2.通過重要的零部件的強(qiáng)度的研究，通過各種的方案比較，找出最優(yōu)的方案為合理的結(jié)構(gòu)型式提供參考依據(jù)；</p><p>　　3 通過結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度的研究，選擇許用的應(yīng)力和合理的安全系數(shù)，制定新產(chǎn)品的計(jì)算方法與設(shè)計(jì)的規(guī)范。在綜合考慮到載荷和應(yīng)力分析的基礎(chǔ)之上，選擇那種最低安全的系數(shù)的值。</p><p>　　總之，內(nèi)燃機(jī)的結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度研究的意義所在，就是在既定的性能要求之下，通過最大限度

19、的節(jié)約材料，保證內(nèi)燃機(jī)的可靠性跟使用的時(shí)間，這就是“最好的方案” “最優(yōu)化的設(shè)計(jì)”。</p><p>　　提高內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力性的指標(biāo)，經(jīng)濟(jì)性跟改良的排放，很多企業(yè)通過提高它的轉(zhuǎn)速與增壓等的方式來實(shí)現(xiàn)。這就要內(nèi)燃機(jī)的廠商利用自己的各種資源來提高它本廠制造內(nèi)燃機(jī)的水平。隨著目前市場(chǎng)競爭的劇烈，新產(chǎn)品不斷的問世，導(dǎo)致了這種產(chǎn)品開發(fā)的時(shí)間必須減少，來達(dá)到目前市場(chǎng)的需求。</p><p>　　與此同時(shí)

20、，為了提高它質(zhì)量的同時(shí)并且降低成本，所以要做大量的數(shù)據(jù)的處理跟分析，一定的程度上增加了設(shè)計(jì)的工作量，而傳統(tǒng)的手段是不能來滿足的。解決的問題的方法就是利用先進(jìn)的模擬的分析的技術(shù)與工具，將重點(diǎn)放在先期的設(shè)計(jì)的階段，導(dǎo)致了這種方法在現(xiàn)代得到大量的應(yīng)用。</p><p>　　汽車行業(yè)一直都是高新的技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用的重要的領(lǐng)域。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，利用有限元的方法對(duì)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)的特性進(jìn)行分析計(jì)算的手段和方法，使汽車

21、的制造與設(shè)計(jì)步入這種電子時(shí)代。對(duì)于有限元結(jié)構(gòu)的這種分析，以便找到解決的辦法。隨著有限的元方法和分析的軟件越來越成熟，對(duì)零件進(jìn)行有限元的分析己成為輔助的設(shè)計(jì)的重要的手段。有限元法在這種方案設(shè)計(jì)時(shí)的好處是可預(yù)見性很強(qiáng)、成本低等各個(gè)優(yōu)點(diǎn)，因此采用有限元的技術(shù)對(duì)內(nèi)燃機(jī)的零部件來進(jìn)行計(jì)算是勢(shì)在必行。</p><p>　　1.2 課題研究現(xiàn)狀</p><p>　　目前在汽車設(shè)計(jì)與制造的過程中，相當(dāng)多的

22、公司加入了有限元分析手段并同時(shí)與模態(tài)分析技術(shù)結(jié)合起來成為了一種新型的分析設(shè)計(jì)方法。并廣泛使用于機(jī)械電子產(chǎn)品的開發(fā)與研制的領(lǐng)域。在汽車行業(yè)，由于我國起步比較晚，所以跟發(fā)達(dá)國家相比還存在很大的差距，尤其是其中的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)方面。再者因?yàn)橛邢拊治龇椒ㄔ谄囬_發(fā)過程中對(duì)內(nèi)燃機(jī)機(jī)體中各零部件的分析：復(fù)雜的受力情況的分析，機(jī)體在工作過程中的受力變化。于是建立一套實(shí)用的有限元分析模型變得至關(guān)重要。</p><p>　　有限元分

23、析法在國外得到了飛速的發(fā)展，它的領(lǐng)域也不僅僅是對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的應(yīng)力分析，而是擴(kuò)大到更多的領(lǐng)域。一定程度上豐富了內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)方面的方式跟方法，也為其他的機(jī)械產(chǎn)品類的開發(fā)提供了助力。雖然我國在汽車行業(yè)的起步比較晚，但是在有限元方面，卻通過了大量的實(shí)際生產(chǎn)積累了很多的經(jīng)驗(yàn)，尤其是在柴油機(jī)開發(fā)的領(lǐng)域而對(duì)機(jī)體這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的分析方面，機(jī)體模型的建立可以從以下幾個(gè)方面來歸納：第一是機(jī)體建模：我國在機(jī)體建模方面，主要采用的就是分化機(jī)體模型的方法，就是把機(jī)體的

24、各個(gè)部分分離開來，單一的進(jìn)行有限元的分析跟計(jì)算。這在一定程度上降低了工作量也提高了計(jì)算機(jī)計(jì)算的效率。但是它的弊端就是由于把各個(gè)零部件細(xì)化從而導(dǎo)致對(duì)整體性能分析方面出現(xiàn)誤差，嚴(yán)重的后果就是與之前設(shè)計(jì)好的模型不一樣，數(shù)據(jù)出現(xiàn)一定的偏差，不利于產(chǎn)品的生產(chǎn)。</p><p>　　有限元法隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，在包括汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在內(nèi)的幾乎所有工程領(lǐng)域得到愈來愈廣泛的運(yùn)用，利用有限元方法解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性分析計(jì)算成為一種有效

25、的輔助設(shè)計(jì)手段和方法。它的高計(jì)算精度、廣闊的解算能力、簡單的應(yīng)用方法、低的設(shè)計(jì)成本，成功地為各工程結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問題提供極為優(yōu)秀的結(jié)果而深受工程界的歡迎，是CAE的重要組成部分，也是最有效的強(qiáng)度計(jì)算方法。有限元技術(shù)的出現(xiàn)，為工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域提供了一個(gè)強(qiáng)有力的計(jì)算工具，經(jīng)過迄今約半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，它已日趨成熟實(shí)用，在近乎所有的工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的設(shè)計(jì)是有限元技術(shù)最早的應(yīng)用領(lǐng)域之一。目前世界上很多的汽車公司和設(shè)計(jì)公司均

26、將有限元技術(shù)應(yīng)用于其汽車設(shè)計(jì)與制造中，設(shè)計(jì)、分析、計(jì)算、改進(jìn)成為設(shè)計(jì)開發(fā)的必須過程，將有限元分析與模態(tài)分析技術(shù)相結(jié)合的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)技術(shù)，已經(jīng)在國外汽車、發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中獲得工程實(shí)際應(yīng)用。有限元技術(shù)的應(yīng)用提高了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)零部件設(shè)計(jì)的可靠性，縮短了設(shè)計(jì)周期，大大推動(dòng)了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)工業(yè)的發(fā)展。近幾年來，隨著計(jì)算機(jī)軟硬件水平的提高，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限元技術(shù)又取得了許多新的進(jìn)展。</p><p>　　1.2.1 國外在發(fā)動(dòng)機(jī)缸

27、體強(qiáng)度分析的研究情況</p><p>　　作為汽車業(yè)發(fā)達(dá)國家，國外在汽車、發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)技術(shù)方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過國內(nèi)，作為汽車技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)最重要的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)方面尤其如此，有限元結(jié)構(gòu)分析方法在各種零部件總成的設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用，類似于象發(fā)動(dòng)機(jī)缸體這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)，不僅因?yàn)樗前l(fā)動(dòng)機(jī)十分關(guān)鍵和重要的性能件，而且缸體內(nèi)的水道、油道，水套、缸套等結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精度要求高，加之其在實(shí)際工作情況下，受載復(fù)雜，難以模擬，因此，能夠建立起同實(shí)際狀

28、況接近的有限元分析模型，以及有效確定缸體的激勵(lì)力，從而通過有限元法計(jì)算出與實(shí)際情況相近的響應(yīng)一直是國外在這一領(lǐng)域的重點(diǎn)，其有限元分析的范圍已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出簡單的機(jī)械應(yīng)力研究，如美國通用公司在柴油機(jī)的設(shè)計(jì)開發(fā)中已經(jīng)將有限元結(jié)構(gòu)分析擴(kuò)展到分析極限變形、燃燒引起的熱應(yīng)力以及諸多動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析上，并同實(shí)驗(yàn)概念結(jié)合起來進(jìn)行新產(chǎn)品新結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。在美國SAE學(xué)報(bào)、比利時(shí)魯汶大學(xué)、美國辛辛那提大學(xué)等很多研究機(jī)構(gòu)，就發(fā)動(dòng)機(jī)缸體有限元模型的建立作了很多相關(guān)研究，

29、并發(fā)表和公布了大量研究成果，特別是結(jié)合靜態(tài)分析和實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析等方法，修正和完善缸體的有限元分析模型等取得了突出的成效，他們這些模型應(yīng)用到實(shí)際分析計(jì)算中，得到了比較接近實(shí)際的結(jié)果。在比利時(shí)</p><p>　　但由于商業(yè)上的原因，國外各企業(yè)對(duì)其實(shí)用的相關(guān)數(shù)值模型、經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)、有關(guān)關(guān)鍵的技術(shù)細(xì)節(jié)是高度保密的，而且在分析處理過程中相關(guān)問題解決是長期經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，特別依賴于大量基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)所得。因此，可以這么說，在國外發(fā)動(dòng)機(jī)的有

30、限元分析研究方面，已經(jīng)非常成熟，甚至于很多公司已經(jīng)將計(jì)算機(jī)模擬分析作為其開發(fā)設(shè)計(jì)流程中必要的階段，如福特公司在發(fā)動(dòng)機(jī)的總成及零部件設(shè)計(jì)就明確規(guī)定了這一流程，而且其有限元模型及其激勵(lì)力的確定都有要求和說明。</p><p>　　在新品開發(fā)中，深入、廣泛地采用動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)技術(shù)，系統(tǒng)地研究和解決結(jié)構(gòu)及其NVH問題是一個(gè)必須的過程和趨勢(shì)，也是技術(shù)發(fā)展、市場(chǎng)用戶的要求[2]。</p><p>　　1.3

31、 研究內(nèi)容及意義</p><p>　　本論文首先應(yīng)用三維設(shè)計(jì)建模軟件PEO/E根據(jù)輕型175F發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體圖紙對(duì)其機(jī)體進(jìn)行實(shí)體建模，然后利用ANSYS有限元分析軟件建立機(jī)體分析模型，并使用該軟件對(duì)輕型175F發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體在不同的工作狀況下進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度、疲勞度等分析，通過其實(shí)際工作中要受到各種工況的作用，完整地在計(jì)算機(jī)中模擬機(jī)體結(jié)構(gòu)在靜態(tài)時(shí)各種載荷和沖擊條件下的剛度、強(qiáng)度狀況，并計(jì)算出了各種狀態(tài)下的結(jié)果。通過分析所得

32、結(jié)果，驗(yàn)證計(jì)算模型的正確性，證實(shí)該發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)的可行性和可靠性。同時(shí)可針對(duì)機(jī)體分析所得到的結(jié)果，提出有針對(duì)性的改進(jìn)方法，為機(jī)體優(yōu)化改進(jìn)提供指導(dǎo)意義。通過有限元分析技術(shù)得到發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)特性方面的性能，從而縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，減少產(chǎn)品開發(fā)成本。具體研究內(nèi)容和重點(diǎn)如下：</p><p>　　(1)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體的實(shí)體建模方法:</p><p>　　應(yīng)用三維設(shè)計(jì)建模軟件PRO/E根據(jù)輕型

33、175F發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際的二維圖紙對(duì)機(jī)體進(jìn)行實(shí)體建模，考慮到后期的網(wǎng)格劃分及有限元計(jì)算，省略一些凸臺(tái)、圓角、小油孔等細(xì)節(jié)，同時(shí)又能較好地模擬實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)模型。</p><p>　　(2)有限元分析模型建立及載荷計(jì)算</p><p>　　將建立的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體實(shí)體模型轉(zhuǎn)換為有限元分析模型，并進(jìn)行有效合理的網(wǎng)格劃分。通過發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)計(jì)算，得到發(fā)動(dòng)機(jī)各部件在不同工況下的受力情況，并提取

34、本文欲分析工況下所需的各部件所受力的值。</p><p><b>　　(3)機(jī)體靜態(tài)分析</b></p><p>　　對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體施加載荷及約束后進(jìn)行分析，通過分析機(jī)體在極限工作狀況下的剛度和強(qiáng)度問題，得出機(jī)體在極限工作狀況下的應(yīng)力分布情況，以使得發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體能有效保證發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和可靠性。</p><p><b>　　(4)計(jì)算結(jié)果分

35、析</b></p><p>　　通過對(duì)機(jī)體的靜強(qiáng)度安全系數(shù)和疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)的分析得出結(jié)論。</p><p>　　機(jī)體作為柴油機(jī)所有部位中的重要組成部分同時(shí)也是柴油機(jī)的骨架，在一定程度上使所有的運(yùn)動(dòng)部件得以保持穩(wěn)定的相對(duì)位置以保證機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。這些力隨著工作狀況，它的作用點(diǎn)、大小、方向也在不停的變化當(dāng)中。由于各部分力的作用使得機(jī)體的應(yīng)力狀態(tài)變得十分復(fù)雜，于是采用有限元對(duì)柴油機(jī)

36、強(qiáng)度進(jìn)行細(xì)致的分析變得很有必要。隨著技術(shù)的不斷成熟，對(duì)柴油機(jī)的要求也變得越來越嚴(yán)格：在保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)又要做到節(jié)能減排。所以機(jī)體在制造過程中絕對(duì)不能出現(xiàn)一絲一毫的差錯(cuò)，否則將影響整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的整體運(yùn)轉(zhuǎn)。為了在提高機(jī)體性能的同時(shí)又避免出現(xiàn)問題，于是研究機(jī)體的強(qiáng)度并找到其脆弱的部分并進(jìn)行改善，已經(jīng)勢(shì)在必行。</p><p>　　第二章： 175F機(jī)體建模及載荷計(jì)算</p><p>　　2.1

37、Pro/E簡介</p><p>　　Pro/Engineer 是美國PTC公司的產(chǎn)品，于1988年問世。10多年來，經(jīng)歷20余次的改版，已成為全世界及中國地區(qū)最普及的3D CAD/CAM系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)軟件，廣泛應(yīng)用于電子、機(jī)械、模具、工業(yè)設(shè)計(jì)、汽車、航天、家電、玩具等行業(yè)。 Pro/E是全方位的3D產(chǎn)品開發(fā)軟件包，和相關(guān)軟件Pro/DESINGER（造型設(shè)計(jì)）、Pro/MECHANICA（功能仿真），集合了零件設(shè)計(jì)、

38、產(chǎn)品裝配、模具開發(fā)、加工制造、鈑金件設(shè)計(jì)、鑄造件設(shè)計(jì)、工業(yè)設(shè)計(jì)、逆向工程、自動(dòng)測(cè)量、機(jī)構(gòu)分析、有限元分析、產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫管理等功能，從而使用戶縮短了產(chǎn)品開發(fā)的時(shí)間并簡化了開發(fā)的流程；國際上有27000多企業(yè)采用了PRO/ENGINEER軟件系統(tǒng)，作為企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)軟件進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)。</p><p>　　2.2 175F機(jī)體實(shí)體建模過程</p><p>　　2.2.1 Pro/E簡介 </p

39、><p>　　Pro/E第一個(gè)提出了參數(shù)化設(shè)計(jì)的概念，并且采用了單一數(shù)據(jù)庫來解決特征的相關(guān)性問題。另外，它采用模塊化方式，用戶可以根據(jù)自身的需要進(jìn)行選擇，而不必安裝所有模塊。Pro/E的基于特征方式，能夠?qū)⒃O(shè)計(jì)至生產(chǎn)全過程集成到一起，實(shí)現(xiàn)并行工程設(shè)計(jì)。它不但可以應(yīng)用于工作站，而且也可以應(yīng)用到單機(jī)上。 Pro/E采用了模塊方式，可以分別進(jìn)行草圖繪制、零件制作、裝配設(shè)計(jì)、鈑金設(shè)計(jì)、加工處理等，保證用戶可以按照自

40、己的需要進(jìn)行選擇使用。</p><p>　　相對(duì)于產(chǎn)品而言，我們可以把它看成幾何模型，而無論多么復(fù)雜的幾何模型，都可以分解成有限數(shù)量的構(gòu)成特征，而每一種構(gòu)成特征，都可以用有限的參數(shù)完全約束，這就是參數(shù)化的基本概念。</p><p>　　Pro/E是基于特征的實(shí)體模型化系統(tǒng)，工程設(shè)計(jì)人員采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、殼、倒角及圓角，您可以隨意勾畫草圖，輕易改變模型。這一功

41、能特性給工程設(shè)計(jì)者提供了在設(shè)計(jì)上從未有過的簡易和靈活。</p><p>　　2.3 在這里我們用PRO/E 的升級(jí)版CREO3.0進(jìn)行三維建模。</p><p>　　2.3.1 創(chuàng)建文件</p><p>　　打開creo，創(chuàng)建新文件，單擊“文件”>“新建”，在對(duì)話框中，輸入’xiangti”進(jìn)行命名，取消“使用缺省模板”，如下圖單擊“確定”彈出“新文件選項(xiàng)”對(duì)

42、話框，在“模板”中選擇“mmns--part-solid”，單擊“確定”，進(jìn)入“零件”模塊。</p><p>　　圖 2.1,新建文件</p><p><b>　　圖2.2 選擇模板</b></p><p>　　2.3.2 用拉伸、拔摸、鏡象、陣列、殼工具、孔等工具做出機(jī)體總外形</p><p>　?。?）在 Pro/E

43、 中打開草繪依照 2 維圖繪制基本骨架拉伸得到機(jī)體的基本骨架如圖（2.3） </p><p><b>　　圖 (2.3)</b></p><p><b>　　圖 (2.4)</b></p><p>　?。?)再選擇一個(gè)基準(zhǔn)面把基本骨架挖殼體得到圖（2.5） 壁厚5mm</p><p>　　圖（2

44、.5） </p><p><b>　　拉伸形成齒輪箱</b></p><p>　?、?單擊拉伸工具按鈕，打開拉伸工具控制板。單擊控制板上的“放置”按鈕，單擊“定義”按鈕</p><p>　?、?彈出“草繪”對(duì)話框。選擇front面作為草繪平面，。接受其余的默認(rèn)設(shè)置，單擊“草繪”，進(jìn)入草繪模式。</p>

45、<p>　　③ 繪制剖面，如下圖所示，繪制完后點(diǎn)擊””退出草繪模式。</p><p><b>　　圖（2.6）</b></p><p>　?、?在拉伸工具面板中，選擇“”按鈕，輸入深度為61，單擊確認(rèn)“”按鈕，生成齒輪箱。效果如下圖：</p><p>　　圖（2.7） <

46、;/p><p><b>　?。?) 制作凸臺(tái)：</b></p><p>　?、?單擊拉伸工具按鈕，打開拉伸工具控制板。單擊控制板上的“放置”按鈕，單擊“定義”按鈕</p><p>　?、?彈出“草繪”對(duì)話框。選擇right端面作為草繪平面，。接受其余的默認(rèn)設(shè)置，單擊“草繪”，進(jìn)入草繪模式。</p><p>　　③ 繪制剖

47、面，如下圖所示，繪制完后點(diǎn)擊””退出草繪模式。</p><p><b>　　圖（2.8）</b></p><p>　?、?在拉伸工具面板中，選擇“”按鈕，輸入深度為30，單擊確認(rèn)“”按鈕，生成凸臺(tái)。效果如下圖：</p><p><b>　　圖（2.9）</b></p><p>　?、?在對(duì)面建立

48、同樣的凸臺(tái)，步驟略</p><p><b>　　圖（2.10）</b></p><p><b>　?。?）前端面</b></p><p>　　① 單擊拉伸工具按鈕，打開拉伸工具控制板。單擊控制板上的“放置”按鈕，單擊“定義”按鈕；</p><p>　?、?彈出“草繪”對(duì)話框。選擇前面的平面為草繪平面

49、，接受其余默認(rèn)設(shè)置，進(jìn)入草繪模式。</p><p>　?、?繪制剖面，如下圖所示，繪制完后點(diǎn)擊””退出草繪模式。</p><p><b>　　圖（2.11）</b></p><p>　　④ 在拉伸工具面板中，選擇“”按鈕，輸入深度為2，單擊確認(rèn)“”按鈕，如圖所示：</p><p><b>　　圖（2.12）&l

50、t;/b></p><p>　?。?）繪制曲軸主軸頸軸承孔凸臺(tái)</p><p>　?、?單擊拉伸工具按鈕，打開拉伸工具控制板。單擊控制板上的“放置”按鈕，單擊“定義”按鈕；</p><p>　?、?彈出“草繪”對(duì)話框。選擇front平面為草繪平面，接受其余默認(rèn)設(shè)置，進(jìn)入草繪模式。</p><p>　?、?繪制如下圖所示的剖面，繪制完后點(diǎn)

51、擊””退出草繪模式。</p><p><b>　　圖（2.13）</b></p><p>　?、?在拉伸工具面板中，選擇“”按鈕，輸入深度為18，單擊確認(rèn)“”按鈕，</p><p><b>　　圖（2.14）</b></p><p>　?、?對(duì)該面通過拉伸、陣列、孔等工具做出如圖效果圖</p&

52、gt;<p><b>　　圖（2.15）</b></p><p>　?。?）繪制活塞汽缸體裝配面</p><p>　?、?單擊拉伸工具按鈕，打開拉伸工具控制板。單擊控制板上的“放置”按鈕，單擊“定義”按鈕；</p><p>　?、?彈出“草繪”對(duì)話框。選擇剛剛的平面為草繪平面，接受其余默認(rèn)設(shè)置，進(jìn)入草繪模式。</p>

53、<p>　　③ 繪制如下圖所示的剖面，繪制完后點(diǎn)擊””退出草繪模式。</p><p><b>　　圖（2.16）</b></p><p>　?、?在拉伸工具面板中，選擇“”按鈕，輸入長度為20，單擊確認(rèn)“”按鈕，</p><p><b>　　圖（2.17）</b></p><p><

54、;b>　?。?）繪制氣缸體孔</b></p><p>　?、?在孔工具面板中，選擇“”按鈕，輸入鉆孔直徑為81，鉆孔深度20.單擊確認(rèn)“”按鈕。</p><p><b>　　圖（2.18）</b></p><p>　　② 通過 孔、鏡像、陣列等工具做出如下效果圖</p><p><b>　　圖

55、（2.19）</b></p><p>　　其他部分的繪制如下圖，通過拉伸、拔摸、鏡象、陣列、殼工具、孔、圓角可得其他部分的繪制如下圖，</p><p><b>　　圖（2.20）</b></p><p><b>　　圖（2.21）</b></p><p><b>　　圖（2.2

56、2）</b></p><p>　　第三章： 輕型175F發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析相關(guān)理論</p><p>　　3.1 有限元法介紹</p><p>　　對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的工程問題我們常用各種主要量相聯(lián)系的代數(shù)方程、微分方程或積分方程來描述。目前對(duì)于這些方程的近似解析方法使用較多的主要有:有限差分法、變分法以及有限元法。</p><p>

57、　　有限差分法，在一個(gè)差分方程的有限差分近似式中，以差商來代替方程式中的導(dǎo)數(shù)，該差商包含了在域中各個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上解得的值。引入邊界條件后解這些方程式，可得各網(wǎng)點(diǎn)處的數(shù)值。有限差分法在概念上雖然簡單，但它具有一些缺點(diǎn)。最明顯的缺點(diǎn)是近似解的導(dǎo)數(shù)不準(zhǔn)確、沿非線性邊界難于引入邊界條件、幾何上復(fù)雜的域難于精確表達(dá)以及不適用于非均勻和非矩形的網(wǎng)格[3]。</p><p>　　變分法,在微分方程的變分解中，將微分方程換成一個(gè)等效

58、的變分式，然后假定其近似解為已知的近似函數(shù)的組合(),參數(shù)按實(shí)力方式確定。變分法的缺點(diǎn)是對(duì)于具有任意域的問題難以建立近似函數(shù)。</p><p>　　有限元法(FiniteElementMethod，F(xiàn)EM),也稱為有限單元法或有限元素法，基本思想是將求解區(qū)域離散為一組有限個(gè)且按一定方式相互連接在一起的單元的組合體。根據(jù)不同分析學(xué)科，推導(dǎo)出每一個(gè)單元的作用力方程，組成整個(gè)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)方程，最后求解該系統(tǒng)方程。<

59、/p><p>　　有限元法由于提供了推導(dǎo)近似函數(shù)的系統(tǒng)步驟，因此它克服了變分法的困難。這個(gè)方法優(yōu)于以上兩種方法，它具有兩個(gè)基本特點(diǎn):第一，以一批幾何上簡單的子域(稱為有限元)表示一個(gè)幾何上復(fù)雜的域;第二，對(duì)每一個(gè)有限元運(yùn)用基本的概念推導(dǎo)近似因數(shù)。這個(gè)概念是用一個(gè)線性的代數(shù)多項(xiàng)式組合來表達(dá)一個(gè)任意連續(xù)的函數(shù)。按插值理論的概念推導(dǎo)近似函數(shù)，因此稱它為插值函數(shù)。于是有限元法可解釋成是變分法的一個(gè)逐段應(yīng)用。其中，近似函數(shù)是代

60、數(shù)多項(xiàng)式，而待定參數(shù)代表邊界上和單元內(nèi)部有限個(gè)額定點(diǎn)(稱為節(jié)點(diǎn))處的解答值。由插值法理論可以發(fā)現(xiàn)插值函數(shù)的階數(shù)(或次數(shù))取決于單元中節(jié)點(diǎn)的數(shù)目[3]。</p><p>　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了開發(fā)對(duì)象的自動(dòng)離散及有限元分析結(jié)果的可視化顯示的熱潮，使有限元分析的“瓶頸”得以逐步解決。對(duì)象的離散從手工到半自動(dòng)到全自動(dòng);從簡單對(duì)象的一維單一網(wǎng)格到復(fù)雜對(duì)象的多維多種網(wǎng)格單元;從單一材料到多種材料;從單純的離散

61、到自適應(yīng)離散;從對(duì)象的性能校核到自動(dòng)自適應(yīng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、分析。這些重大發(fā)展使有限元分析擺脫了僅為性能校核工具的原始階段。計(jì)算結(jié)果的可視化顯示可以將模型的應(yīng)力、位移和溫度場(chǎng)等的靜動(dòng)態(tài)結(jié)果以及對(duì)模型可能出現(xiàn)缺陷(裂紋等)的位置、形狀、大小及其可能波及區(qū)域以非常直觀的方式顯示。</p><p>　　3.2 有限元靜力學(xué)分析基本理論</p><p>　　3.2.1 線彈性有限元靜力學(xué)分析的過程<

62、/p><p>　　l）根據(jù)虛功原理，可建立單元節(jié)點(diǎn)力與單元節(jié)點(diǎn)位移的函數(shù)關(guān)系，即</p><p><b>　?。?.1）</b></p><p>　　其中: 為單元節(jié)點(diǎn)力列陣,單元?jiǎng)偠染仃? 為單元節(jié)點(diǎn)位移列陣； </p><p>　　2)按靜力等效原則把每個(gè)單元所受的載荷向節(jié)點(diǎn)移置，并求和，從而得結(jié)構(gòu)的等效節(jié)點(diǎn)載荷列陣；&

63、lt;/p><p>　　3)根據(jù)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的相關(guān)單元組集結(jié)構(gòu)的總剛度矩陣，并建立整個(gè)結(jié)構(gòu)的平衡方程：</p><p><b>　?。?.2）</b></p><p>　　該平衡方程是一個(gè)線性方程組，其方程的個(gè)數(shù)等于結(jié)構(gòu)的自由度數(shù)，即結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)數(shù)乘以節(jié)點(diǎn)的自由度數(shù)。在引入結(jié)構(gòu)約束信息，消除了結(jié)構(gòu)總剛度矩陣的奇異性后，便可由該線性方程組解出未知的節(jié)點(diǎn)位

64、移；</p><p>　　4)根據(jù)已知的節(jié)點(diǎn)位移，計(jì)算各單元的應(yīng)力[4]。</p><p>　　在整個(gè)過程中，其難點(diǎn)在于線性方程組的求解，這是因?yàn)閷?duì)于一個(gè)比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)而言，其離散的單元及節(jié)點(diǎn)數(shù)目往往是上十萬，甚至上百萬，因此對(duì)計(jì)算機(jī)的硬件有比較高要求，另外，要保證有限元解的正確性，與合理建立有限元模型和正確處理邊界條件以及約束信息都緊密相關(guān)。</p><p>　　

65、3.2.2 有限元結(jié)構(gòu)離散化</p><p>　　作為空間三維實(shí)體離散化模型有四面體、三棱柱、棱柱體、任意六面體等參數(shù)等單元模型，作為連接相鄰單元的結(jié)點(diǎn)有鉸接的(保證其位移本身連續(xù))，和其它的連接形式(保證位移本身及其若干階偏導(dǎo)數(shù)連續(xù))，結(jié)點(diǎn)位置除在單元的角點(diǎn)外，還可分布在棱邊中間。在這些單元中，最常用的是結(jié)點(diǎn)為鉸接形式的四結(jié)點(diǎn)四面體單元，六結(jié)點(diǎn)三棱柱單元和二十結(jié)點(diǎn)等參數(shù)單元。</p><p&

66、gt;　　3.2.3 單元的位移模式</p><p>　　設(shè)單元具有d個(gè)鉸結(jié)結(jié)點(diǎn)，則其位移模式的普遍形式為:</p><p>　?。╱,v,w） (3.3）</p><p>　　或 （3.4）</p><p>　　其中

67、 （3.5）</p><p><b>　?。?.6）</b></p><p>　　這里I為三階單位矩陣，即 </p><p>　　是單元位移模式的插值基函數(shù)，也稱為形函數(shù)；對(duì)于規(guī)整單元，它是x，y，z的函數(shù);對(duì)于等參數(shù)單元，它是自然坐標(biāo)的函數(shù);同時(shí)

68、兼作坐標(biāo)變換式的插值基函數(shù)。求解的公式，即</p><p><b>　　(3.7)</b></p><p>　　這里的為不通過結(jié)點(diǎn)i而通過所有其它結(jié)點(diǎn)的一組（m個(gè)）代數(shù)曲面。應(yīng)用公式（3-7）時(shí)，對(duì)于四面體，宜用體積坐標(biāo)（專門使用于四面體單元的一種自然坐標(biāo)，其特點(diǎn)類似于三角形單元中的面積坐標(biāo)）表示F（x,y,z），因?yàn)樗男问阶顬楹唵?；?duì)于等參數(shù)單元，宜將式中整體坐標(biāo)

69、變量x,y,z 替換位局部的自然坐標(biāo)變量。另外由公式（2-7）構(gòu)造的形函數(shù)還需檢驗(yàn)它是否滿足：</p><p>　　（對(duì)等參數(shù)單元，是自然滿足的就無須檢驗(yàn)），和位移協(xié)調(diào)條件。對(duì)于自由度總數(shù)為n的空間結(jié)構(gòu)，其整體等效荷載列陣{R}為: </p><p><b>　?。?.8）</b></p><p>　　它是由單元的等效結(jié)點(diǎn)荷載列陣集合而成的，

70、若單元有d個(gè)結(jié)點(diǎn)，則元素為</p><p><b>　　（3.9） </b></p><p>　　類似平面問題那樣，應(yīng)用虛功保持相等的條件導(dǎo)出求解的普遍公式為：</p><p><b>　　（3.10）</b></p><p>　　其中

71、 （3.11）</p><p><b>　　（3.12）</b></p><p><b>　?。?.13） </b></p><p>　　公式中的，，分別是集中荷載、分布體力、分布面力列陣；分別是集中荷載、分布體力、分布面力的單元等效結(jié)點(diǎn)荷載列陣；v為單元的體積，為單元受載面的面積。由形成的理論公式，仍然是</p

72、><p><b>　?。?.14）</b></p><p>　　但實(shí)際上還是按自由度序號(hào)“對(duì)號(hào)入座” 和“同序號(hào)相加”的方法由形成[4]。</p><p>　　3.2.4 應(yīng)變、應(yīng)力矩陣</p><p>　　三維彈性體情況下的力學(xué)基本變量為:位移分量u、v、w;應(yīng)力分量、、、、、；應(yīng)變分量、、、、、.其示意圖如圖(3.1)所

73、示：</p><p>　　圖(3.1) 三維問題中的應(yīng)力分量</p><p>　　三維問題的應(yīng)變與位移關(guān)系的方程用矩陣表示為:</p><p><b>　　(3.15)</b></p><p>　　彈性體的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系要視彈性體的材料而定。在三維彈性理論中，一般都假定材料是各項(xiàng)同性的，因此，物理方程，即廣義Hooke定

74、律:</p><p><b>　　(3.16)</b></p><p>　　式中E為彈性材料的彈性模量，為泊松比。</p><p>　　依公式(3.16)求解應(yīng)力:</p><p>　　(3.17) </p><p><b>　　可得</b></p

75、><p><b>　　(3.18)</b></p><p>　　式中稱為彈性矩陣，且為:</p><p>　　(3.19) </p><p>　　有多種形式，在此用拉梅系數(shù)和剪切彈性模量</p><p>　　(3.20)

76、 </p><p><b>　　可表示為：</b></p><p>　　(3.21) </p><p>　　3.2.5 剛度矩陣[k]</p><p>　　對(duì)于自由度總數(shù)為n的空間結(jié)構(gòu)的整體剛度矩陣[K]是n*n的方陣，它是由單元?jiǎng)偠染仃嘯K]集合而成的，若單元具有d個(gè)結(jié)點(diǎn)，則[K]用子矩陣表示的形式為

77、</p><p>　　(3.22) </p><p>　　其中： (3.23)</p><p>　　如同平面問題一樣，[k]也是單元結(jié)點(diǎn)力列陣和結(jié)點(diǎn)位移列陣之間的轉(zhuǎn)換矩陣，它也是應(yīng)用虛功原理導(dǎo)出的，其形式為：</p><p><b>　　(3.24)</b&

78、gt;</p><p><b>　　其中 </b></p><p><b>　　(3.25)</b></p><p><b>　　其子矩陣</b></p><p><b>　　(3.26)</b></p><p>　　由[k]形成的

79、[K]的理論公式，仍然是</p><p><b>　　(3.27)</b></p><p>　　而實(shí)際上還是按自由度序號(hào)“對(duì)號(hào)入座”和“同序號(hào)相加”的方法由直接形成</p><p><b>　　[K].</b></p><p>　　以上所討論的只是空間三維實(shí)體有限元中要用到各種量的一般計(jì)算式，對(duì)于具

80、體的空間單元，一旦構(gòu)造好它的位移模式后，便可導(dǎo)出其實(shí)用的公式。</p><p>　　3.3 ANSYS軟件</p><p><b>　　ANSYS軟件介紹</b></p><p>　　ANSYS軟件主要包括三個(gè)部分:前處理模塊，分析計(jì)算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型;分析計(jì)算模塊

81、包括結(jié)構(gòu)分析(可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析)、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析以及多物理場(chǎng)的禍合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力。后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示(可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部)等圖形方式顯示出來，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。軟件提供了100種以上的單元類型，用來模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。

82、該軟件有多種不同版本，可以運(yùn)行在從個(gè)人機(jī)到大型機(jī)的多種計(jì)算機(jī)設(shè)備上，如PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY等[6]。</p><p>　　此外，它的統(tǒng)一和集中的數(shù)據(jù)庫，保證了系統(tǒng)各模塊之間的可靠和靈活的集成;它的DDA模塊實(shí)現(xiàn)了它與多個(gè)CAD軟件產(chǎn)品的有效連接。用戶的指令可以通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊菜單項(xiàng)選取和執(zhí)行，也可以在命令輸入窗口通過鍵盤輸入。命令一經(jīng)執(zhí)行，該命令就會(huì)在LOG文件中列出，打開輸出窗口可以

83、看到LOG文件的內(nèi)容。如果軟件運(yùn)行過程中出現(xiàn)問題，查看LOG文件中的命令流及其錯(cuò)誤提示，將有助于快速發(fā)現(xiàn)問題的根源。LOG文件的內(nèi)容可以略作修改存到一個(gè)批處理文件中，在以后進(jìn)行同樣工作時(shí)，由ANSYS自動(dòng)讀入并執(zhí)行，這是ANSYS軟件的第三種命令輸入方式。這種命令方式在進(jìn)行某些重復(fù)性較高的工作時(shí)，能有效地提高工作速度。</p><p>　　ANSYS軟件提供了兩種工作模式，即人機(jī)交互方式(GUI方式)和命令流輸入

84、方式(BATCH方式)。前者對(duì)于初學(xué)者特別是己經(jīng)使用windows操件界面的廣大用戶來說，似乎要容易掌握一些，用戶不需要記住編程語言的使用規(guī)則與命令的使用格式等，只要用鼠標(biāo)在圖標(biāo)上進(jìn)行操作即可。但對(duì)于一個(gè)復(fù)雜的有限元模型，使用GUI方式的缺點(diǎn)就會(huì)顯露出來，由于一個(gè)分析的完成往往需要進(jìn)行多次的反復(fù)，特別是當(dāng)要對(duì)模型進(jìn)行修改后再進(jìn)行分析時(shí)，在GUI方式中就會(huì)出現(xiàn)大量的重復(fù)工作有時(shí)會(huì)占據(jù)大量計(jì)算時(shí)間。簡單而繁雜的重復(fù)工作有時(shí)甚至?xí)绊懙皆O(shè)計(jì)人

85、員的心情，從而造成模型的分析質(zhì)量下降。另外使用前者往往會(huì)生成大量的文件，對(duì)于一個(gè)較大的分析模型，其生成的數(shù)據(jù)文件也許是幾兆字節(jié)，有時(shí)會(huì)是十幾兆字節(jié)，甚至達(dá)到幾百兆字節(jié)，這么大的數(shù)據(jù)文件在交流時(shí)，是非常不方便的。而對(duì)于后者來說，它具有下列優(yōu)點(diǎn):</p><p>　　1）可以減少大量的重復(fù)工作，特別適用于經(jīng)少許修改(如修改網(wǎng)格的密度)后需要多次重復(fù)計(jì)算的場(chǎng)合，可為設(shè)計(jì)人員節(jié)省大量的時(shí)間，以利于設(shè)計(jì)人員有更多的精力來從

86、事產(chǎn)品的構(gòu)思。</p><p>　　2）便于保存和攜帶，一個(gè)APDL的ASCI工文件一般只有幾十千字節(jié)，最多也只有幾百千字節(jié)，其數(shù)據(jù)文件的容量僅為GUI數(shù)據(jù)文件的千分之一，無論是在網(wǎng)上或平常的交流都很方便。</p><p>　　3）不受ANSYS軟件的系統(tǒng)操作平臺(tái)的限制，即用戶使用APDL文件既可以在WindowS平臺(tái)進(jìn)行交流運(yùn)行，也可以在UNIX或其它的操作平臺(tái)上運(yùn)行。而用GUI方式生成

87、的數(shù)據(jù)文件則不能直接交流。</p><p>　　4）不受ANSYS軟件的版本限制，一般情況下，ANSYS軟件以GUI方式生成的數(shù)據(jù)文件只能向上兼容一個(gè)版本，也就是ANSYS7.0版本的軟件只能直接調(diào)出ANSYS6.1版本的數(shù)據(jù)文件，而不能直接調(diào)用ANSYSS.7及以前的數(shù)據(jù)文件。而APDL文件則不存在這個(gè)限制，僅有個(gè)別命令會(huì)有影響。</p><p>　　總之，APDL方式對(duì)于一個(gè)大型的復(fù)雜

88、模型來說，是利大于弊，一般的方式是利用第一次分析時(shí)生成的LOG文件，對(duì)這個(gè)文件作適當(dāng)?shù)男薷募纯傻玫阶约好盍魑募?，再添加一些APDL控制命令，就可以得到APDL命令的文件[7]。</p><p>　　第四章： 輕型175F發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體有限元分析</p><p><b>　　4.1 引言</b></p><p>　　發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體是發(fā)動(dòng)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)和性

89、能件，故機(jī)體的可靠性直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)整體的性能。機(jī)體必須有足夠的剛度和強(qiáng)度，以保證零部件的正確幾何形狀和零部件之間的正確配合關(guān)系。機(jī)體在工作過程中的受力十分之復(fù)雜，除了燃燒過程中產(chǎn)生的燃?xì)鈮毫χ猓€要受到來自曲柄連桿機(jī)構(gòu)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)慣性力，還有缸體與缸蓋之間的連接和密封性這些邊界條件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能影響也很大。對(duì)于機(jī)體的變形和靜強(qiáng)度分析要考核機(jī)體在極限工作狀況下的剛度和強(qiáng)度問題。本章對(duì)175F機(jī)體進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，得出其在極限工況下

90、的變形和應(yīng)力分布情況。</p><p>　　4.2 機(jī)體有限元模型的建立</p><p>　　隨著有限元計(jì)算建模理論、技術(shù)及分析軟件的發(fā)展，對(duì)機(jī)體進(jìn)行有限元建模及有限元模型分析的研究不斷深入。從最初的大量采用板單元或板、梁、簡單實(shí)體元的組合方式，發(fā)展到目前廣泛采用的三維實(shí)體六面體、四面體單元;單元個(gè)數(shù)從很粗糙的以百計(jì)發(fā)展到較為精細(xì)的數(shù)以十萬計(jì);分析的對(duì)象從單缸、三缸、四缸擴(kuò)展到12缸。有限

91、元分析的精度不斷提高，為機(jī)體的動(dòng)力學(xué)分析、虛擬設(shè)計(jì)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在國外，20世紀(jì)80年代就開始對(duì)內(nèi)燃機(jī)機(jī)體進(jìn)行全面、詳細(xì)的強(qiáng)度及動(dòng)力學(xué)分析。</p><p>　　目前機(jī)體有限元分析主要存在兩個(gè)問題，一是問題的規(guī)模與計(jì)算的精度之間的協(xié)調(diào)。要想提高分析的精度，就需要精確的模型，這樣問題的規(guī)模就非常大，對(duì)計(jì)算條件的要求非常高，而且建模和計(jì)算所耗費(fèi)的時(shí)間很長。而過度的簡化，則有損分析的精度。目前在網(wǎng)格的密度與計(jì)算精度

92、之間沒有可供參考的量化關(guān)系，只能通過試驗(yàn)驗(yàn)證和局部模型修改的方法來進(jìn)行處理。如何合理地簡化模型，簡化后模型如何修改，才能與實(shí)際吻合，成為研究中需要解決的問題[12]。</p><p>　　另外一個(gè)問題是邊界約束條件的處理。邊界條件對(duì)機(jī)體結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)力場(chǎng)、模態(tài)頻率及振型有顯著的影響。因此，如果分析的目的不僅僅局限于對(duì)機(jī)體結(jié)構(gòu)特性的一般的、總體的了解，而是要求有比較準(zhǔn)確的分析結(jié)果，則必須考慮機(jī)體實(shí)際安裝條件，對(duì)邊界

93、條件做出合理的處理，然后進(jìn)行約束強(qiáng)度、模態(tài)分析。盡管人們?yōu)榇俗髁嗽S多努力，但最終結(jié)果還難以盡如人意。</p><p>　　4.2.1 機(jī)體實(shí)體模型的建立</p><p>　　利用ANSYS軟件建立有限元模型，有兩種建模方法:一是利用實(shí)體造型功能，首先創(chuàng)建實(shí)體模型，然后再在實(shí)體模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行網(wǎng)格劃分操作，完成有限元模型;二是直接生成有限元網(wǎng)格的方法。直接生成有限元網(wǎng)格的方法，對(duì)一些簡單實(shí)

94、體而言，比較容易實(shí)現(xiàn)，而對(duì)于機(jī)體這樣的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，要想利用該方法，必須進(jìn)行大量的簡化才能夠進(jìn)行。大量簡化以后的模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)之間的差別較大。而且，直接生成有限元網(wǎng)格，網(wǎng)格的密度是一定的，因此在建模之前，對(duì)用多少單元能夠描述實(shí)際結(jié)構(gòu)必須心中有數(shù)，網(wǎng)格密度的修改比較麻煩:而在實(shí)體模型的基礎(chǔ)上劃分網(wǎng)格，可很方便地控制網(wǎng)格的密度，適合于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的建模。</p><p>　　近年來，有限元前處理技術(shù)進(jìn)展的一個(gè)突出特點(diǎn)是CAD

95、幾何造型(特別是三維實(shí)體造型)技術(shù)的引入?，F(xiàn)代CAD并行工程要求分析模型能充分利用設(shè)計(jì)主模型，并與設(shè)計(jì)主模型相關(guān)一致?；谌S實(shí)體模型建立有限元網(wǎng)格符合現(xiàn)代以D并行工程的要求。顯然，這樣極大地提高了分析結(jié)果的可信度，同時(shí)也大大提高了有限元網(wǎng)格模型的生成速度和分析效率，節(jié)約了大量的時(shí)間和人力。這對(duì)于有限元技術(shù)的實(shí)際運(yùn)用具有重要意義。目前，通過許多大型CAD軟件(如IDEASMasterSerieSTM， Pro/EngineerTM等)，

96、人們可以比較方便地建立發(fā)動(dòng)機(jī)中許多復(fù)雜零部件的實(shí)體模型，并導(dǎo)入到有限元的前處理模塊中去。因此，本文采用實(shí)體造型功能中的自上向下的建模方法來構(gòu)造機(jī)體的實(shí)體模型[13]。</p><p>　　175F機(jī)體為單缸發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體，是一個(gè)經(jīng)鑄造、機(jī)加后得到的結(jié)構(gòu)，其形狀較為復(fù)雜，在鑄造的箱體上分布有各種加強(qiáng)筋、凸臺(tái)、軸承孔、冷卻水套、油道孔和各種縱橫隔板。建立有限元模型時(shí)，不可能將這些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)全部都考慮進(jìn)去，令模型的質(zhì)量矩陣

97、與剛度矩陣與實(shí)際完全相符，否則模型過于復(fù)雜會(huì)難以計(jì)算，因此必須根據(jù)有限元分析的需要對(duì)機(jī)體進(jìn)行必要的簡化。簡化時(shí)，應(yīng)根據(jù)分析需要，考慮一些起主導(dǎo)作用的因素來建立機(jī)體的簡化模型。實(shí)體模型主要的建立及簡化包括以下幾個(gè)方面:</p><p>　　1)忽略了一些局部結(jié)構(gòu)。雖然該機(jī)體的實(shí)體模型的有限元模型是為機(jī)體靜強(qiáng)度分析、應(yīng)力分析和變形分析，理論上應(yīng)考慮機(jī)體局部結(jié)構(gòu)特征以分析了解機(jī)體局部的特性與應(yīng)力狀況，但綜合考慮機(jī)體結(jié)構(gòu)

98、的特點(diǎn)和計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，可以對(duì)安裝機(jī)體附件用的凸臺(tái)、小的螺栓孔、油道、油孔等對(duì)整體特性影響較小的局部結(jié)構(gòu)予以忽略，如果不省略細(xì)小的孔洞，這些細(xì)小的結(jié)構(gòu)在劃分網(wǎng)格時(shí)單元邊長較小，為了與之協(xié)調(diào)，其相鄰區(qū)域單元邊長也較小，勢(shì)必導(dǎo)致單元總數(shù)成倍增加，計(jì)算時(shí)間呈幾何級(jí)數(shù)增長。</p><p>　　2)簡化了局部結(jié)構(gòu)的一些細(xì)節(jié)。如忽略缸體上的一些鑄造圓角。但對(duì)機(jī)體內(nèi)部橫隔板上的局部加強(qiáng)筋、凹槽等以及結(jié)構(gòu)結(jié)合處的圓角、倒角等

99、細(xì)節(jié)不能予以簡化，這些細(xì)小的結(jié)構(gòu)對(duì)于應(yīng)力的分布影響比較大，這些局部結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)一定要考慮。</p><p>　　3)螺栓孔的處理。在實(shí)際工作中由于裝上螺栓后局部剛度得以加強(qiáng)，所以在機(jī)體變形、應(yīng)力分析的時(shí)候可以忽略其孔型結(jié)構(gòu)，保留的螺栓孔采用圓孔進(jìn)行替代。</p><p>　　4)對(duì)每個(gè)部分又根據(jù)其形狀特點(diǎn)進(jìn)行少量簡化，以方便劃分有限元網(wǎng)格。為了提高分析的精度，對(duì)一些細(xì)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化后，保留了一

100、些重要的結(jié)構(gòu)。圖(4.l)所示為建立的機(jī)體的三維實(shí)體模型。</p><p><b>　　圖4.1</b></p><p>　　4.2.2 機(jī)體有限元模型的建立</p><p>　　有限元網(wǎng)格模型(包括節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)、單元信息、物理特性、材料特性)的建立是用有限元法求解問題的先決條件。在整個(gè)求解過程中，它通常具有最大的工作量。值得注意的是，盡管有限元網(wǎng)

101、格自動(dòng)生成技術(shù)有了很大的發(fā)展，但是對(duì)于大型的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，仍然存在不少困難。主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是幾何元素過多，要生成其有限元網(wǎng)格需要高性能高配置的硬件，對(duì)于沒有經(jīng)過簡化的實(shí)體模型，現(xiàn)有的硬件無法實(shí)現(xiàn)。另外的困難就是一些幾何元素太復(fù)雜或者幾何元素尺寸的大小相差懸殊，如一些細(xì)節(jié)部分，導(dǎo)致網(wǎng)格劃分失敗或生成網(wǎng)格的質(zhì)量很差。</p><p>　　建立了簡化的實(shí)體模型后，將模型導(dǎo)入ANSYS軟件進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分。在模型導(dǎo)

102、入和網(wǎng)格劃分過程中，可能會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)入失敗或者網(wǎng)格劃分失敗的情況。這主要是由于結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，三維實(shí)體造型的一些細(xì)節(jié)存在問題或者過細(xì)，導(dǎo)致失敗，這就需要修改實(shí)體模型或者在ANSYS中進(jìn)行拓?fù)湫扪a(bǔ)，這些模型修改工作非常繁瑣費(fèi)時(shí)，是建立有限元模型中工作量最大的地方。</p><p>　　在有限元模型的建立工程中，有限元網(wǎng)格的劃分尤為重要，其劃分的質(zhì)量直接關(guān)系到計(jì)算的精度和速度。進(jìn)行有限元?jiǎng)澐謺r(shí)，首先必須確定單元類型。用三維

103、實(shí)體元來描述機(jī)體結(jié)構(gòu)，更能反映機(jī)體的實(shí)際狀況。有限元中，三維實(shí)體元有兩類:六面體單元和四面體單元。由于六面體單元?jiǎng)澐謺r(shí)要求結(jié)構(gòu)的形狀比較規(guī)則，而對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體這樣的復(fù)雜構(gòu)件，對(duì)其進(jìn)行六面體網(wǎng)格的自動(dòng)劃分是非常困難的，目前還沒有一個(gè)軟件能對(duì)其進(jìn)行六面體單元網(wǎng)格自動(dòng)劃分而得到較好的網(wǎng)格質(zhì)量。而用四面體單元來劃分三維結(jié)構(gòu)，單元?jiǎng)澐直容^靈活，可以適應(yīng)復(fù)雜的幾何形狀。因此，本文采用10節(jié)點(diǎn)四面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。</p><p&g

104、t;　　網(wǎng)格的數(shù)量多少直接影響計(jì)算的精度和計(jì)算規(guī)模的大小。一般來說，網(wǎng)格數(shù)量增加，計(jì)算精度會(huì)有所提高，但同時(shí)計(jì)算規(guī)模也會(huì)增加，而當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量增大到一定程度后，網(wǎng)格數(shù)量再繼續(xù)增加，則計(jì)算精度提高很少，而計(jì)算規(guī)模則增大很多，所以在確定網(wǎng)格數(shù)量時(shí)應(yīng)權(quán)衡這兩個(gè)因素綜合考慮。一般在靜力分析時(shí)，如果僅僅計(jì)算結(jié)構(gòu)的變形，網(wǎng)格數(shù)量可少一些;若計(jì)算應(yīng)力，則在精度要求相同的情況下應(yīng)取較多的網(wǎng)格，特別是有結(jié)構(gòu)突變的地方，網(wǎng)格應(yīng)該劃分細(xì)一些。在計(jì)算結(jié)構(gòu)固有動(dòng)力特

105、性時(shí)，如果僅僅計(jì)算少數(shù)低階模態(tài)，可采用較的網(wǎng)格;若計(jì)算的模態(tài)階次較高，則應(yīng)該選擇較多的網(wǎng)格。</p><p>　　網(wǎng)格劃分的疏密均勻度也隨分析問題的不同而有所不同。對(duì)一個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析(包括靜應(yīng)力和動(dòng)應(yīng)力)，需要?jiǎng)澐质杳懿煌木W(wǎng)格，在應(yīng)力集中的突變部位需要采用密的網(wǎng)格。而計(jì)算固有特性時(shí)則應(yīng)趨于采用較均勻的網(wǎng)格形式。這是因?yàn)楣逃蓄l率和振型主要取決于結(jié)構(gòu)質(zhì)量分布和剛度分布，不存在類似應(yīng)力集中現(xiàn)象，采用均勻網(wǎng)格使結(jié)構(gòu)

106、剛度矩陣和質(zhì)量矩陣的元素不致相差太大，可減小數(shù)值計(jì)算誤差。</p><p>　　本文計(jì)算機(jī)體的變形、應(yīng)力分析時(shí)，由于機(jī)體模型結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，若采用不同的網(wǎng)格劃分方式，在變形、應(yīng)力集中的突變部位采用較密的網(wǎng)格，其他部分采用較大網(wǎng)格進(jìn)行劃分時(shí)的難度和工作量都會(huì)有很大。故本文采取比較折衷的方法，網(wǎng)格劃分單元采用精度較高的四面體十節(jié)點(diǎn)二次單元，利用ANSYS網(wǎng)格智能劃分功能 (SmartsizeMesh)對(duì)機(jī)體進(jìn)行網(wǎng)格自

107、動(dòng)劃分。</p><p>　　4.3 Pro/E文件導(dǎo)入ANSYS</p><p>　　Pro/E文件導(dǎo)入ANSYS</p><p>　?、賹rt文件另存為“igs”格式</p><p>　?、邳c(diǎn)擊File>Import>IGS,選擇保存的“igs”文件</p><p>　?、垡来芜x擇Plotctrl&g

108、t;Style>Solit Model Facets>Fine</p><p>　?、芤来芜x擇Plot>Volumes</p><p><b>　　圖（4.2）</b></p><p><b>　　4.4 分析前處理</b></p><p>　　1）創(chuàng)建“jitia”的工作名：從主

109、菜單中選擇Main Menu：File＞Change Jobname…。</p><p>　　打開“Change Jobname”對(duì)話框，在文本框中鍵入“jitia”作為新的作業(yè)名，然后單擊“OK”按鈕，如圖所示。</p><p><b>　　圖 （4.3)</b></p><p>　　2）更改標(biāo)題為“鋼板彈簧”</p><

110、p>　　從主菜單中選擇Main Menu：File＞change title</p><p>　　打開“change title”對(duì)話框，在文本框中鍵入“jitib”， 然后單擊“OK”按鈕，如圖所示。</p><p><b>　　圖 （4.4)</b></p><p>　　3)定義單元類型(在Library of element typ

111、es 中設(shè)置為Solid92)</p><p>　　從主菜單中選擇Main Menu：Preprocessor＞Element Type＞Add/Edit/Delete命令，將打開的“Element Type（單元類型）”對(duì)話框。</p><p>　　單擊“Add…”按鈕，將打開“Library of Element Types（單元類型庫）”，如圖所示。</p><p

112、><b>　　圖 （4.5)</b></p><p><b>　　圖 （4.6)</b></p><p><b>　　圖 （4.7)</b></p><p>　　可以繼續(xù)添加，步驟一樣，添加之后再圖框中單擊“Ok”，并關(guān)閉單元類型框，返回，最后定義單元類型如圖所示。</p><