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

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>　　本論文研究的對象是175F型柴油機(jī)機(jī)體，首先利用學(xué)校實驗室現(xiàn)存的175F型發(fā)動機(jī)的樣本，并對其進(jìn)行詳細(xì)的測繪以得到相關(guān)的數(shù)據(jù)參數(shù)。并在此基礎(chǔ)之上，對機(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)動學(xué)的動力學(xué)的理論知識為依據(jù)，對機(jī)體所處環(huán)境的運(yùn)動規(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對機(jī)體進(jìn)行三維建模并對機(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)體建模及載荷計算5</p><p>　　2.1 Pro/E簡介5</p><p>　　2.2 175F機(jī)體實體建模過程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)格保持精確的相對位置，因此在機(jī)體設(shè)計過程中必須對重要表面的尺寸、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)計成為了整個技術(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；</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)品的計算方法與設(shè)計的規(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間，這就是“最好的方案” “最優(yōu)化的設(shè)計”。</p><p>　　提高內(nèi)燃機(jī)的動力性的指標(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)的時間必須減少，來達(dá)到目前市場的需求。</p><p>　　與此同時

20、，為了提高它質(zhì)量的同時并且降低成本，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。隨著計算機(jī)的發(fā)展，利用有限元的方法對復(fù)雜的結(jié)構(gòu)的動態(tài)、靜態(tài)的特性進(jìn)行分析計算的手段和方法，使汽車

21、的制造與設(shè)計步入這種電子時代。對于有限元結(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，對零件進(jìn)行有限元的分析己成為輔助的設(shè)計的重要的手段。有限元法在這種方案設(shè)計時的好處是可預(yù)見性很強(qiáng)、成本低等各個優(yōu)點(diǎn)，因此采用有限元的技術(shù)對內(nèi)燃機(jī)的零部件來進(jìn)行計算是勢在必行。</p><p>　　1.2 課題研究現(xiàn)狀</p><p>　　目前在汽車設(shè)計與制造的過程中，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)動機(jī)技術(shù)方面。再者因為有限元分析方法在汽車開發(fā)過程中對內(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，卻通過了大量的實際生產(chǎn)積累了很多的經(jīng)驗，尤其是在柴油機(jī)開發(fā)的領(lǐng)域而對機(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、各個部分分離開來，單一的進(jìn)行有限元的分析跟計算。這在一定程度上降低了工作量也提高了計算機(jī)計算的效率。但是它的弊端就是由于把各個零部件細(xì)化從而導(dǎo)致對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>　　有限元法隨著計算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，在包括汽車發(fā)動機(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)動態(tài)特性分析計算成為一種有效

25、的輔助設(shè)計手段和方法。它的高計算精度、廣闊的解算能力、簡單的應(yīng)用方法、低的設(shè)計成本，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)度計算方法。有限元技術(shù)的出現(xiàn)，為工程設(shè)計領(lǐng)域提供了一個強(qiáng)有力的計算工具，經(jīng)過迄今約半個世紀(jì)的發(fā)展，它已日趨成熟實用，在近乎所有的工程設(shè)計領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。汽車發(fā)動機(jī)零部件的設(shè)計是有限元技術(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)計公司均

26、將有限元技術(shù)應(yīng)用于其汽車設(shè)計與制造中，設(shè)計、分析、計算、改進(jìn)成為設(shè)計開發(fā)的必須過程，將有限元分析與模態(tài)分析技術(shù)相結(jié)合的動態(tài)設(shè)計技術(shù)，已經(jīng)在國外汽車、發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計中獲得工程實際應(yīng)用。有限元技術(shù)的應(yīng)用提高了汽車發(fā)動機(jī)零部件設(shè)計的可靠性，縮短了設(shè)計周期，大大推動了汽車發(fā)動機(jī)工業(yè)的發(fā)展。近幾年來，隨著計算機(jī)軟硬件水平的提高，汽車發(fā)動機(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)計中得到了廣泛的應(yīng)用，類似于象發(fā)動機(jī)缸體這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)，不僅因為它是發(fā)動機(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，加之其在實際工作情況下，受載復(fù)雜，難以模擬，因此，能夠建立起同實際狀

28、況接近的有限元分析模型，以及有效確定缸體的激勵力，從而通過有限元法計算出與實際情況相近的響應(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)力以及諸多動態(tài)響應(yīng)分析上，并同實驗概念結(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、比利時魯汶大學(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)分析和實驗?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)用到實際分析計算中，得到了比較接近實際的結(jié)果。在比利時</p><p>　　但由于商業(yè)上的原因，國外各企業(yè)對其實用的相關(guān)數(shù)值模型、經(jīng)驗數(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)驗的總結(jié)，特別依賴于大量基礎(chǔ)實驗所得。因此，可以這么說，在國外發(fā)動機(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)將計算機(jī)模擬分析作為其開發(fā)設(shè)計流程中必要的階段，如福特公司在發(fā)動機(jī)的總成及零部件設(shè)計就明確規(guī)定了這一流程，而且其有限元模型及其激勵力的確定都有要求和說明。</p><p>　　在新品開發(fā)中，深入、廣泛地采用動態(tài)設(shè)計技術(shù)，系統(tǒng)地研究和解決結(jié)構(gòu)及其NVH問題是一個必須的過程和趨勢，也是技術(shù)發(fā)展、市場用戶的要求[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)計建模軟件PEO/E根據(jù)輕型175F發(fā)動機(jī)機(jī)體圖紙對其機(jī)體進(jìn)行實體建模，然后利用ANSYS有限元分析軟件建立機(jī)體分析模型，并使用該軟件對輕型175F發(fā)動機(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，通過其實際工作中要受到各種工況的作用，完整地在計算機(jī)中模擬機(jī)體結(jié)構(gòu)在靜態(tài)時各種載荷和沖擊條件下的剛度、強(qiáng)度狀況，并計算出了各種狀態(tài)下的結(jié)果。通過分析所得

32、結(jié)果，驗證計算模型的正確性，證實該發(fā)動機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)的可行性和可靠性。同時可針對機(jī)體分析所得到的結(jié)果，提出有針對性的改進(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)動機(jī)機(jī)體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和動態(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)動機(jī)機(jī)體的實體建模方法:</p><p>　　應(yīng)用三維設(shè)計建模軟件PRO/E根據(jù)輕型

33、175F發(fā)動機(jī)實際的二維圖紙對機(jī)體進(jìn)行實體建模，考慮到后期的網(wǎng)格劃分及有限元計算，省略一些凸臺、圓角、小油孔等細(xì)節(jié)，同時又能較好地模擬實際發(fā)動機(jī)模型。</p><p>　　(2)有限元分析模型建立及載荷計算</p><p>　　將建立的發(fā)動機(jī)機(jī)體實體模型轉(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)動機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)計算，得到發(fā)動機(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>　　對發(fā)動機(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)動機(jī)機(jī)體能有效保證發(fā)動機(jī)的性能和可靠性。</p><p><b>　　(4)計算結(jié)果分

35、析</b></p><p>　　通過對機(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也是柴油機(jī)的骨架，在一定程度上使所有的運(yùn)動部件得以保持穩(wěn)定的相對位置以保證機(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)量的同時又要做到節(jié)能減排。所以機(jī)體在制造過程中絕對不能出現(xiàn)一絲一毫的差錯，否則將影響整個發(fā)動機(jī)的整體運(yùn)轉(zhuǎn)。為了在提高機(jī)體性能的同時又避免出現(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)勢在必行。</p><p>　　第二章： 175F機(jī)體建模及載荷計算</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、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）、Pro/MECHANICA（功能仿真），集合了零件設(shè)計、

38、產(chǎn)品裝配、模具開發(fā)、加工制造、鈑金件設(shè)計、鑄造件設(shè)計、工業(yè)設(shè)計、逆向工程、自動測量、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。</p><p>　　2.2 175F機(jī)體實體建模過程</p><p>　　2.2.1 Pro/E簡介 </p

39、><p>　　Pro/E第一個提出了參數(shù)化設(shè)計的概念，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)計至生產(chǎn)全過程集成到一起，實現(xiàn)并行工程設(shè)計。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、鈑金設(shè)計、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是基于特征的實體模型化系統(tǒng)，工程設(shè)計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)計者提供了在設(shè)計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”對

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>　　（1）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>　　（2)再選擇一個基準(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>　　② 彈出“草繪”對話框。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>　?、?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>　　④ 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>　　（4) 制作凸臺：</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>　?、?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>　　④ 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。效果如下圖：</p><p><b>　　圖（2.9）</b></p><p>　?、?在對面建立

48、同樣的凸臺，步驟略</p><p><b>　　圖（2.10）</b></p><p><b>　　（5）前端面</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>　　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（2.11）</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</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>　　② 彈出“草繪”對話框。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>　　⑤ 對該面通過拉伸、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>　?、?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>　?、?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)按實力方式確定。變分法的缺點(diǎn)是對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)出每一個單元的作用力方程，組成整個結(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。這個方法優(yōu)于以上兩種方法，它具有兩個基本特點(diǎn):第一，以一批幾何上簡單的子域(稱為有限元)表示一個幾何上復(fù)雜的域;第二，對每一個有限元運(yùn)用基本的概念推導(dǎo)近似因數(shù)。這個概念是用一個線性的代數(shù)多項式組合來表達(dá)一個任意連續(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逐段應(yīng)用。其中，近似函數(shù)是代

60、數(shù)多項式，而待定參數(shù)代表邊界上和單元內(nèi)部有限個額定點(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>　　隨著計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了開發(fā)對象的自動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。對象的離散從手工到半自動到全自動;從簡單對象的一維單一網(wǎng)格到復(fù)雜對象的多維多種網(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;從對象的性能校核到自動自適應(yīng)動態(tài)設(shè)計、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、位移和溫度場等的靜動態(tài)結(jié)果以及對模型可能出現(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>　　（3.1）</b></p><p>　　其中: 為單元節(jié)點(diǎn)力列陣,單元剛度矩陣, 為單元節(jié)點(diǎn)位移列陣； </p><p>　　2)按靜力等效原則把每個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，并建立整個結(jié)構(gòu)的平衡方程：</p><p><b>　?。?.2）</b></p><p>　　該平衡方程是一個線性方程組，其方程的個數(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，計算各單元的應(yīng)力[4]。</p><p>　　在整個過程中，其難點(diǎn)在于線性方程組的求解，這是因為對于一個比較復(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，因此對計算機(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)；對于規(guī)整單元，它是x，y，z的函數(shù);對于等參數(shù)單元，它是自然坐標(biāo)的函數(shù);同時

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）代數(shù)曲面。應(yīng)用公式（3-7）時，對于四面體，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），因為它的形式最為簡單；對于等參數(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)還需檢驗它是否滿足：</p><p>　?。▽Φ葏?shù)單元，是自然滿足的就無須檢驗），和位移協(xié)調(diào)條件。對于自由度總數(shù)為n的空間結(jié)構(gòu)，其整體等效荷載列陣{R}為: </p><p><b>　　（3.8）</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個結(jié)點(diǎn)，則元素為</p><p><b>　?。?.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>　　但實際上還是按自由度序號“對號入座” 和“同序號相加”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，它是由單元剛度矩陣[K]集合而成的，若單元具有d個結(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>　　而實際上還是按自由度序號“對號入座”和“同序號相加”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體有限元中要用到各種量的一般計算式，對于具

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軟件主要包括三個部分:前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個強(qiáng)大的實體建模及網(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)、流體動力學(xué)分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的禍合分析，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)行在從個人機(jī)到大型機(jī)的多種計算機(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模塊實現(xiàn)了它與多個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批處理文件中，在以后進(jìn)行同樣工作時，由ANSYS自動讀入并執(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，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。但對于一個復(fù)雜的有限元模型，使用GUI方式的缺點(diǎn)就會顯露出來，由于一個分析的完成往往需要進(jìn)行多次的反復(fù)，特別是當(dāng)要對模型進(jìn)行修改后再進(jìn)行分析時，在GUI方式中就會出現(xiàn)大量的重復(fù)工作有時會占據(jù)大量計算時間。簡單而繁雜的重復(fù)工作有時甚至?xí)绊懙皆O(shè)計人

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生成大量的文件，對于一個較大的分析模型，其生成的數(shù)據(jù)文件也許是幾兆字節(jié)，有時會是十幾兆字節(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，是非常不方便的。而對于后者來說，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)計算的場合，可為設(shè)計人員節(jié)省大量的時間，以利于設(shè)計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)操作平臺的限制，即用戶使用APDL文件既可以在WindowS平臺進(jìn)行交流運(yùn)行，也可以在UNIX或其它的操作平臺上運(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文件則不存在這個限制，僅有個別命令會有影響。</p><p>　　總之，APDL方式對于一個大型的復(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生成的LOG文件，對這個文件作適當(dāng)?shù)男薷募纯傻玫阶约好盍魑募偬砑右恍〢PDL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)動機(jī)機(jī)體有限元分析</p><p><b>　　4.1 引言</b></p><p>　　發(fā)動機(jī)機(jī)體是發(fā)動機(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?，還要受到來自曲柄連桿機(jī)構(gòu)的往復(fù)運(yùn)動和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動慣性力，還有缸體與缸蓋之間的連接和密封性這些邊界條件對發(fā)動機(jī)的性能影響也很大。對于機(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>　　隨著有限元計算建模理論、技術(shù)及分析軟件的發(fā)展，對機(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、簡單實體元的組合方式，發(fā)展到目前廣泛采用的三維實體六面體、四面體單元;單元個數(shù)從很粗糙的以百計發(fā)展到較為精細(xì)的數(shù)以十萬計;分析的對象從單缸、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)體的動力學(xué)分析、虛擬設(shè)計打下了堅實的基礎(chǔ)。在國外，20世紀(jì)80年代就開始對內(nèi)燃機(jī)機(jī)體進(jìn)行全面、詳細(xì)的強(qiáng)度及動力學(xué)分析。</p><p>　　目前機(jī)體有限元分析主要存在兩個問題，一是問題的規(guī)模與計算的精度之間的協(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，對計算條件的要求非常高，而且建模和計算所耗費(fèi)的時間很長。而過度的簡化，則有損分析的精度。目前在網(wǎng)格的密度與計算精度

92、之間沒有可供參考的量化關(guān)系，只能通過試驗驗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，才能與實際吻合，成為研究中需要解決的問題[12]。</p><p>　　另外一個問題是邊界約束條件的處理。邊界條件對機(jī)體結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)力場、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)體實際安裝條件，對邊界

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:一是利用實體造型功能，首先創(chuàng)建實體模型，然后再在實體模型的基礎(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，對一些簡單實

94、體而言，比較容易實現(xiàn)，而對于機(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，對用多少單元能夠描述實際結(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)展的一個突出特點(diǎn)是CAD

95、幾何造型(特別是三維實體造型)技術(shù)的引入。現(xiàn)代CAD并行工程要求分析模型能充分利用設(shè)計主模型，并與設(shè)計主模型相關(guān)一致?；谌S實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)約了大量的時間和人力。這對于有限元技術(shù)的實際運(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)動機(jī)中許多復(fù)雜零部件的實體模型，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)體的實體模型[13]。</p><p>　　175F機(jī)體為單缸發(fā)動機(jī)機(jī)體，是一個經(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、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，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、與剛度矩陣與實際完全相符，否則模型過于復(fù)雜會難以計算，因此必須根據(jù)有限元分析的需要對機(jī)體進(jìn)行必要的簡化。簡化時，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。實體模型主要的建立及簡化包括以下幾個方面:</p><p>　　1)忽略了一些局部結(jié)構(gòu)。雖然該機(jī)體的實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)和計算機(jī)的計算能力，可以對安裝機(jī)體附件用的凸臺、小的螺栓孔、油道、油孔等對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，勢必導(dǎo)致單元總數(shù)成倍增加，計算時間呈幾何級數(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)對每個部分又根據(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、格自動生成技術(shù)有了很大的發(fā)展，但是對于大型的復(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，對于沒有經(jīng)過簡化的實體模型，現(xiàn)有的硬件無法實現(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，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)系到計算的精度和速度。進(jìn)行有限元劃分時，首先必須確定單元類型。用三維

103、實體元來描述機(jī)體結(jié)構(gòu)，更能反映機(jī)體的實際狀況。有限元中，三維實體元有兩類:六面體單元和四面體單元。由于六面體單元劃分時要求結(jié)構(gòu)的形狀比較規(guī)則，而對于發(fā)動機(jī)機(jī)體這樣的復(fù)雜構(gòu)件，對其進(jìn)行六面體網(wǎng)格的自動劃分是非常困難的，目前還沒有一個軟件能對其進(jìn)行六面體單元網(wǎng)格自動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)，單元劃分比較靈活，可以適應(yīng)復(fù)雜的幾何形狀。因此，本文采用10節(jié)點(diǎn)四面體單元劃分網(wǎng)格。</p><p&g

104、t;　　網(wǎng)格的數(shù)量多少直接影響計算的精度和計算規(guī)模的大小。一般來說，網(wǎng)格數(shù)量增加，計算精度會有所提高，但同時計算規(guī)模也會增加，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，則計算精度提高很少，而計算規(guī)模則增大很多，所以在確定網(wǎng)格數(shù)量時應(yīng)權(quán)衡這兩個因素綜合考慮。一般在靜力分析時，如果僅僅計算結(jié)構(gòu)的變形，網(wǎng)格數(shù)量可少一些;若計算應(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。在計算結(jié)構(gòu)固有動力特

105、性時，如果僅僅計算少數(shù)低階模態(tài)，可采用較的網(wǎng)格;若計算的模態(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。對一個結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析(包括靜應(yīng)力和動應(yīng)力)，需要劃分疏密不同的網(wǎng)格，在應(yīng)力集中的突變部位需要采用密的網(wǎng)格。而計算固有特性時則應(yīng)趨于采用較均勻的網(wǎng)格形式。這是因為固有頻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)值計算誤差。</p><p>　　本文計算機(jī)體的變形、應(yīng)力分析時，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)行劃分時的難度和工作量都會有很大。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)對機(jī)體進(jìn)行網(wǎng)格自

107、動劃分。</p><p>　　4.3 Pro/E文件導(dǎo)入ANSYS</p><p>　　Pro/E文件導(dǎo)入ANSYS</p><p>　　①將prt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>　　③依次選擇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><