你當前的位置:首頁>>Inventor>>Inventor2008機械設(shè)計應(yīng)用教程 有限元分析(1)

                  第17章 有限元分析
     1.基本情況

  這是集成在Inventor中的,著名的ANSYS公司的有限元分析模塊(Stress Analysis)的子集。它的應(yīng)力分析功能是在Inventor零件環(huán)境(普通零件、鈑金零件)的模型上使用添加工況后,計算應(yīng)力應(yīng)變、估算安全系數(shù)和頻率特性… 大致功能如下:

  ◆零件的應(yīng)力分析或自振頻率分析;

  ◆可加載力、壓強、軸傳力、扭矩或重力,到模型的點、面、邊或體;

  ◆可添加各種約束到模型上;

  ◆可按應(yīng)力、應(yīng)變、安全系數(shù)或自振頻率模式,進行分析計算并顯示結(jié)果;

  ◆可改變模型幾何結(jié)構(gòu)或分析條件,重新計算分析;

  ◆創(chuàng)建出可保存為 HTML 格式的完整的分析結(jié)果報告。

   CAD軟件中能進行的應(yīng)力分析,會很明顯地支持設(shè)計過程中對零部件形狀、尺寸、材料的確認 和選擇。也就是,在工作狀況確定的條件下,配湊得到最為合理的結(jié)果,把材料用到應(yīng)當用到的部分,杜絕傻、大、粗的不良設(shè)計。

   進而,可能減少許多過去需要進行的臺架試驗,節(jié)省成本,提高可靠性。
   分析結(jié)果,作為定量分析,所得到的是近似值;作為定性分析,其結(jié)果是相當滿意的。

      2.有限元分析的基本知識

   有限元分析是一種求解工程問題的先進的數(shù)值計算方法,應(yīng)用范圍相當廣泛。它將一個工程系統(tǒng)(例如一個零件),由連續(xù)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成有限元系統(tǒng)(離散系統(tǒng)),使數(shù)學(xué)問題大大簡化,但計算量卻很龐大。這種計算方法簡單、精度高、通用性強而計算量又很大的工作最適于計算機干。

   有限元系統(tǒng)由節(jié)點和元素(即通常說的單元)組成。節(jié)點是工程系統(tǒng)的一個點的坐標位置,它具有物理意義的自由度,自由度可以是位移、溫度(熱分析)、電壓、壓力(流力分析)、磁位能(磁分析)等,視不同類型的問題而定。節(jié)點又是施加集中力的位置,如施加力、力距、熱流、溫度等。元素是節(jié)點與節(jié)點連接而成,不同特性的工程系統(tǒng),選用不同類型的元素,ANSYS提供一百多種元 素。

  也就是說有限元分析把連續(xù)的工程系統(tǒng)離散化為節(jié)點,而它的幾何外形確與原工程系統(tǒng)相同,節(jié)點愈密愈接近原工程系統(tǒng),計算的精度也愈高,當然計算量也就愈大。

   集成在Inventor中的ANSYS有限元分析只是它的很小一個子集,只有在零件或者鈑金環(huán)境中 的應(yīng)力應(yīng)變和模態(tài)分析,它們是彈性力學(xué)范圍內(nèi)的問題。有下列處理規(guī)則:

  ◆線形變形規(guī)則

   目前在Inventor提供的應(yīng)力分析中,只能處理“線性材料特性”的模型。這種材料特性,應(yīng) 力和應(yīng)變成比例,并認為材料不會進入到塑性變形范圍,而總是在彈性變形區(qū)域內(nèi)。在這種區(qū)域內(nèi),材料的應(yīng)力—應(yīng)變曲線的斜率為常數(shù)時,處于線性變性區(qū)間。

  ◆極小變形規(guī)則

   這就是說,分析結(jié)果的實際變形量,遠小于幾何模型的尺寸。例如對于100x20x10的矩形界面梁,可能的分析結(jié)果的變形量,應(yīng)當遠小于10mm。

  ◆溫度無關(guān)性

   因為具有特定材料特性的幾何模型,在溫度的影響下也會變形,而分析系統(tǒng)約定不計算因為溫度造成的任何影響。

   對機械工程師來說,這樣的功能已經(jīng)很不錯了。有的時可能候覺得這些分析不能滿足需要,還可將結(jié)果直接輸入ANSYS中作進一步分析。

   有限元分析的過程是:

  ◆創(chuàng)建一個幾何模型,并賦予它材料和賦予材料的物理和力學(xué)特性;

  ◆前處理,施加工況(載荷、約束等邊界條件);

  ◆劃分網(wǎng)格;

  ◆分析計算;

  ◇后處理,處理計算結(jié)果。

     2.1 網(wǎng)格劃分

  在分析系統(tǒng)中,被處理的模型被劃分成有限個小的單元結(jié)構(gòu),稱為網(wǎng)格化。網(wǎng)格的數(shù)量越多, 則越加接近模型本身,其數(shù)學(xué)表達也就越精確,參見圖17-1。
 

     2.2 應(yīng)力分析的后處理

   分析求解器求解的結(jié)果是數(shù)據(jù),這是一些不可直接看出結(jié)果的東西。所謂“后處理”,是以圖形表達結(jié)果的方法,這種結(jié)果圖形實際上源自光彈力學(xué)模型,用假色彩渲染模型,以顯示應(yīng)力分布、 變形大小以及其他結(jié)果信息。從中可以看到一些典型的結(jié)果表達,例如:

 ◆應(yīng)力集中的位置,這里將是模型強度最差的地方…

 ◆多余材料的位置,這里是模型強度過大的地方,這部分結(jié)構(gòu)從強度角度看并沒有必要…

 ◆其它信息(例如振動)…

     2.3 等效應(yīng)力

   應(yīng)力和應(yīng)變產(chǎn)生在模型節(jié)點的各個方向上,這種復(fù)雜的現(xiàn)象,常用一種“將應(yīng)力概括為一個等效應(yīng)力”的方式處理。應(yīng)力具有六個分量,將這六個分量組合成單個“等效應(yīng)力”,得到這個模型的結(jié)果應(yīng)力表達。

     2.4 變形

   這是模型的節(jié)點在力的作用下產(chǎn)生形狀改變的距離。這個數(shù)據(jù)可以知道在何處變形以及變形的大小,也可以知道需要多大的力才能使變形達到某個距離。

     2.5 安全系數(shù)

   所有的材料都具有一個應(yīng)力的極限值,大于這個值的作用力,會使物體產(chǎn)生永久性的形狀改變(塑性變形),這就是材料“屈服”。如果低碳鋼的屈服極限為207MPa,而大于此極限的外力作用 結(jié)果,將造成零件的永久性變形。如果外力的作用結(jié)果小于屈服極限,在外力撤掉后,零件會恢復(fù)原來的樣子。

   所謂安全系數(shù),就是將材料的最大允許應(yīng)力與計算得到的等效應(yīng)力之比作為系數(shù);只有安全系數(shù)大于1的條件下,設(shè)計的模型才是可以使用的結(jié)果?紤]到材料特性和計算結(jié)果都不可能是很精確的,多數(shù)條件下安全系數(shù)是取2-4之間的值。
   另外,本應(yīng)力分析系統(tǒng)不能模擬交變載荷下的疲勞。

     2.6 模態(tài)分析

   這是與模型振動頻率特性相關(guān)的分析,涉及到模型的自振頻率、隨機振動、沖擊、碰撞條件下的情況,給出模型的相關(guān)固有頻率。模型在共振頻率上表現(xiàn)出的位移形狀稱為振形。

      3. 體驗應(yīng)力分析

   應(yīng)力分析可以在零件環(huán)境中,或者在鈑金環(huán)境中執(zhí)行;需要事先存 在被分析的零件模型,例如打開17-002.IPT。

     3.1 啟用分析功能

   在零件環(huán)境下,在下拉菜單中,選擇“應(yīng)用程序”,展開菜單,從中選定“應(yīng)力分析”,參見圖17-2。
            

   之后將切換到“應(yīng)力分析”工具面板,“Inventor標準”工具欄會自動切換到“應(yīng)力分析標準”工具欄,同時還將顯示應(yīng)力分析瀏覽器,參見圖17-3。
        3.2 材料確認或設(shè)置

   查看瀏覽器中的倒數(shù)第二行,確認材料種類;如果需要調(diào)整,雙擊材料項目,可彈出“選擇材料”的界面,展開材料列表選擇需要的材料。參見圖17-4。
         

   對于Inventor默認的材料(水),分析功能將自 動識別,并彈出圖17-4右邊的界面,要求用戶選定一種合理的零件材料。

     3.3 零件工況原始條件

   參見圖17-3的零件模型,其中:

  ◆兩個小孔端面是固定端;

  ◆大孔有沿著連接板平行方向的力5000N;

  ◆大孔有沿著孔中心線方向的力750N;

  ◆最小安全系數(shù)1.5;

  ◆最大變形不超過0.5mm。

     3.4 添加固定約束

   參見圖17-5,點擊“應(yīng)力分析”工具面板上的“固定約束”按鈕,將彈出圖示的界面,然后再在模型上選定添加此約束 的面(圖中的綠色面),完成原始工況中條 件1)的設(shè)置。
       

   注意:固定約束添加后,不會在模型上 留下標記,需要自己設(shè)法記。ɡ绺淖兠 的顏色屬性),也可以在瀏覽器中選定“固 定約束”項,查看模型上醒目顯示的相關(guān)面。

   之后按下“確定”,可見瀏覽器中已經(jīng)具有這個條件了。點擊這個條目,可在模型上醒目顯示相關(guān)的面。

   3.5 添加外力

   點擊“應(yīng)力分析”工具面板上的“力”按 鈕,將彈出圖17-6界面,然后再在模型上選定添加此外力面(大孔的內(nèi)表面)。
       

   然后輸入力的大小5000N。之后再加載大孔端 面的力750N。具體過程參見001.AVI,其中還演示了如何確認和編輯工況條件。

     3.6 投入分析

   在工具欄中點擊“應(yīng)力分析更新”按鈕, 然后將開始進行計算處理,并顯示出結(jié)果的圖形報告。參見圖17-7。整個過程參見002.AVI.
          

     3.7 分析結(jié)果的評估-1:安全系數(shù)

   在瀏覽器中雙擊“結(jié)果”中的“安全系數(shù)”,可見圖17-8的顯示結(jié)果。從結(jié)果中可以看到,目前的安全系數(shù)最小值為1.3,而發(fā)生最小值的位置是在深黃色的區(qū)域中。
     

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