基于ANSYS的噴霧器噴嘴流場仿真研究【含有限元】【說明書+CAD+PROE】,含有限元,說明書+CAD+PROE,基于ANSYS的噴霧器噴嘴流場仿真研究【含有限元】【說明書+CAD+PROE】,基于,ansys,噴霧器,噴嘴,仿真,研究,鉆研,有限元,說明書,仿單,cad,proe 有限元分析文獻綜述 一.選題來源及基本意義 本題來自畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)老師劉耀林老師的畢業(yè)設(shè)計題目，該題目要求完成噴霧器噴嘴有限元件造型設(shè)計。有限元分析（FEA，F(xiàn)inite Element Analysis）的基本概念是用較簡單的問題代替復(fù)雜問題后再求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對每一單元假定一個合適的(較簡單的）近似解，然后推導(dǎo)求解這個域總的滿足條件(如結(jié)構(gòu)的平衡條件），從而得到問題的解。這個解不是準(zhǔn)確解，而是近似解，因為實際問題被較簡單的問題所代替。由于大多數(shù)實際問題難以得到準(zhǔn)確解，而有限元不僅計算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。 有限元是那些集合在一起能夠表示實際連續(xù)域的離散單元。有限元的概念早在幾個世紀(jì)前就已產(chǎn)生并得到了應(yīng)用，例如用多邊形（有限個直線單元）逼近圓來求得圓的周長，但作為一種方法而被提出，則是最近的事。有限元法最初被稱為矩陣近似方法，應(yīng)用于航空器的結(jié)構(gòu)強度計算，并由于其方便性、實用性和有效性而引起從事力學(xué)研究的科學(xué)家的濃厚興趣。經(jīng)過短短數(shù)十年的努力，隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展和普及，有限元方法迅速從結(jié)構(gòu)工程強度分析計算擴展到幾乎所有的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，成為一種豐富多彩、應(yīng)用廣泛并且實用高效的數(shù)值分析方法。 二.有限元國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀 “有限元”這個名詞第一次出現(xiàn)，到今天有限元在工程上得到廣泛應(yīng)用，經(jīng)歷了三十多年的發(fā)展歷史，理論和 算法都已經(jīng)日趨完善。有限元的核心思想是結(jié)構(gòu)的離散化，就是將實際結(jié)構(gòu)假想地離散為有限數(shù)目的規(guī)則單元組合體，實際結(jié)構(gòu)的物理性能可以通過對離散體進行分 析，得出滿足工程精度的近似結(jié)果來替代對實際結(jié)構(gòu)的分析，這樣可以解決很多實際工程需要解決而理論分析又無法解決的復(fù)雜問題。 近年來隨著計算機技術(shù)的普及和計算速度的不斷提高，有限元分析在工程設(shè)計和分析中得到了越來越廣泛的重視，已經(jīng)成為解決復(fù)雜的工程分析計算問題的有效途 徑，現(xiàn)在從汽車到航天飛機幾乎所有的設(shè)計制造都已離不開有限元分析計算，其在機械制造、材料加工、航空航天、汽車、土木建筑、電子電器，國防軍工，船舶， 鐵道，石化，能源，科學(xué)研究等各個領(lǐng)域的廣泛使用已使設(shè)計水平發(fā)生了質(zhì)的飛躍，主要表現(xiàn)在以下幾個方面： （1）增加產(chǎn)品和工程的可靠性； （2）在產(chǎn)品的設(shè)計階段發(fā)現(xiàn)潛在的問題； （3）經(jīng)過分析計算，采用優(yōu)化設(shè)計方案，降低原材料成本； （4）縮短產(chǎn)品投向市場的時間模擬試驗方案，減少試驗次數(shù)，從而減少試驗經(jīng)費。 國際上早在60年代初就開始投入大量的人力和物力開發(fā)有限元分析程序，但真正的CAE軟件是誕生于70年代初期，而近15年則是CAE軟件商品化的發(fā)展階 段，CAE開發(fā)商為滿足市場需求和適應(yīng)計算機硬、軟件技術(shù)的迅速發(fā)展，在大力推銷其軟件產(chǎn)品的同時，對軟件的功能、性能，用戶界面和前、后處理能力，都進 行了大幅度的改進與擴充。這就使得目前市場上知名的CAE軟件，在功能、性能、易用性、可靠性以及對運行環(huán)境的適應(yīng)性方面，基本上滿足了用戶的當(dāng)前需求， 從而幫助用戶解決了成千上萬個工程實際問題，同時也為科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工程應(yīng)用做出了不可磨滅的貢獻。目前流行的CAE分析軟件主要有NASTRAN、 ADINA 、ANSYS、ABAQUS、MARC、MAGSOFT、COSMOS等。MSC-NASTRAN軟件因為和NASA的特殊關(guān)系，在航空航天領(lǐng)域有著很高 的地位，它以最早期的主要用于航空航天方面的線性有限元分析系統(tǒng)為基礎(chǔ)，兼并了PDA公司的PATRAN，又在以沖擊、接觸為特長的DYNA3D的基礎(chǔ)上 組織開發(fā)了DYTRAN。近來又兼并了非線性分析軟件MARC,成為目前世界上規(guī)模最大的有限元分析系統(tǒng)。ANSYS軟件致力于耦合場的分析計算，能夠進 行結(jié)構(gòu)、流體、熱、電磁四種場的計算，已博得了世界上數(shù)千家用戶的鐘愛。ADINA非線性有限元分析軟件由著名的有限元專家、麻省理工學(xué)院的 K.J.Bathe教授領(lǐng)導(dǎo)開發(fā)，其單一系統(tǒng)即可進行結(jié)構(gòu)、流體、熱的耦合計算。并同時具有隱式和顯式兩種時間積分算法。由于其在非線性求解、流固耦合分 析等方面的強大功能，迅速成為有限元分析軟件的后起之秀，現(xiàn)已成為非線性分析計算的首選軟件。 三.有限元分析的發(fā)展趨勢 縱觀當(dāng)今國際上CAE軟件的發(fā)展情況，可以看出有限元的分析方法的一些發(fā)展趨勢： 3.1與CAD軟件的無縫集成 　　當(dāng)今有限元分析軟件的一個發(fā)展趨勢是與通用CAD軟件的集成使用，即在用CAD軟件完成部件和零件的造型設(shè)計后，能直接將模型傳送到CAE軟件中進行有限 元網(wǎng)格劃分并進行分析計算，如果分析的結(jié)果不滿足設(shè)計要求則重新進行設(shè)計和分析，直到滿意為止，從而極大地提高了設(shè)計水平和效率。為了滿足工程師快捷地解決復(fù)雜工程問題的要求，許多商業(yè)化有限元分析軟件都開發(fā)了和著名的CAD軟件（例如Unigraphics、 SolidEdge、SolidWorks、IDEAS、Bentley和AutoCAD等）的接口。有些CAE軟件為了實現(xiàn)和CAD軟件的無縫集成而采 用了CAD的建模技術(shù)，如ADINA軟件由于采用了基于Parasolid內(nèi)核的實體建模技術(shù)，能和以Parasolid為核心的CAD軟件（如 Unigraphics、SolidEdge、SolidWorks）實現(xiàn)真正無縫的雙向數(shù)據(jù)交換。 3.2更為強大的網(wǎng)格處理能力 　　有限元法求解問題的基本過程主要包括：分析對象的離散化、有限元求解、計算結(jié)果的后處理三部分。由于結(jié)構(gòu)離散后的網(wǎng)格質(zhì)量直接影響到求解時間及求解結(jié)果的 正確性與否，近年來各軟件開發(fā)商都加大了其在網(wǎng)格處理方面的投入，使網(wǎng)格生成的質(zhì)量和效率都有了很大的提高，但在有些方面卻一直沒有得到改進，如對三維實 體模型進行自動六面體網(wǎng)格劃分和根據(jù)求解結(jié)果對模型進行自適應(yīng)網(wǎng)格劃分，除了個別商業(yè)軟件做得較好外，大多數(shù)分析軟件仍然沒有此功能。自動六面體網(wǎng)格劃分 是指對三維實體模型程序能自動的劃分出六面體網(wǎng)格單元，現(xiàn)在大多數(shù)軟件都能采用映射、拖拉、掃略等功能生成六面體單元，但這些功能都只能對簡單規(guī)則模型適 用，對于復(fù)雜的三維模型則只能采用自動四面體網(wǎng)格劃分技術(shù)生成四面體單元。對于四面體單元，如果不使用中間節(jié)點，在很多問題中將會產(chǎn)生不正確的結(jié)果，如果 使用中間節(jié)點將會引起求解時間、收斂速度等方面的一系列問題，因此人們迫切的希望自動六面體網(wǎng)格功能的出現(xiàn)。自適應(yīng)性網(wǎng)格劃分是指在現(xiàn)有網(wǎng)格基礎(chǔ)上，根據(jù) 有限元計算結(jié)果估計計算誤差、重新劃分網(wǎng)格和再計算的一個循環(huán)過程。對于許多工程實際問題，在整個求解過程中，模型的某些區(qū)域?qū)a(chǎn)生很大的應(yīng)變，引起單 元畸變，從而導(dǎo)致求解不能進行下去或求解結(jié)果不正確，因此必須進行網(wǎng)格自動重劃分。自適應(yīng)網(wǎng)格往往是許多工程問題如裂紋擴展、薄板成形等大應(yīng)變分析的必要 條件。 3.3由求解線性問題發(fā)展到求解非線性問題 　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，線性理論已經(jīng)遠遠不能滿足設(shè)計的要求，許多工程問題如材料的破壞與失效、裂紋擴展等僅靠線性理論根本不能解決，必須進行非線性分析求 解，例如薄板成形就要求同時考慮結(jié)構(gòu)的大位移、大應(yīng)變（幾何非線性）和塑性（材料非線性）；而對塑料、橡膠、陶瓷、混凝土及巖土等材料進行分析或需考慮材 料的塑性、蠕變效應(yīng)時則必須考慮材料非線性。眾所周知，非線性問題的求解是很復(fù)雜的，它不僅涉及到很多專門的數(shù)學(xué)問題，還必須掌握一定的理論知識和求解技 巧，學(xué)習(xí)起來也較為困難。為此國外一些公司花費了大量的人力和物力開發(fā)非線性求解分析軟件，如ADINA、ABAQUS等。它們的共同特點是具有高效的非 線性求解器、豐富而實用的非線性材料庫，ADINA還同時具有隱式和顯式兩種時間積分方法。 3.4由單一結(jié)構(gòu)場求解發(fā)展到耦合場問題的求解 　　有限元分析方法最早應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，主要用來求解線性結(jié)構(gòu)問題，實踐證明這是一種非常有效的數(shù)值分析方法。而且從理論上也已經(jīng)證明，只要用于離散求解 對象的單元足夠小，所得的解就可足夠逼近于精確值。現(xiàn)在用于求解結(jié)構(gòu)線性問題的有限元方法和軟件已經(jīng)比較成熟，發(fā)展方向是結(jié)構(gòu)非線性、流體動力學(xué)和耦合場 問題的求解。例如由于摩擦接觸而產(chǎn)生的熱問題，金屬成形時由于塑性功而產(chǎn)生的熱問題,需要結(jié)構(gòu)場和溫度場的有限元分析結(jié)果交叉迭代求解，即"熱力耦合"的 問題。當(dāng)流體在彎管中流動時，流體壓力會使彎管產(chǎn)生變形，而管的變形又反過來影響到流體的流動……這就需要對結(jié)構(gòu)場和流場的有限元分析結(jié)果交叉迭代求解， 即所謂"流固耦合"的問題。由于有限元的應(yīng)用越來越深入，人們關(guān)注的問題越來越復(fù)雜，耦合場的求解必定成為CAE軟件的發(fā)展方向。 3.5程序面向用戶的開放性 　　隨著商業(yè)化的提高，各軟件開發(fā)商為了擴大自己的市場份額，滿足用戶的需求，在軟件的功能、易用性等方面花費了大量的投資，但由于用戶的要求千差萬別，不管 他們怎樣努力也不可能滿足所有用戶的要求，因此必須給用戶一個開放的環(huán)境，允許用戶根據(jù)自己的實際情況對軟件進行擴充，包括用戶自定義單元特性、用戶自定 義材料本構(gòu)（結(jié)構(gòu)本構(gòu)、熱本構(gòu)、流體本構(gòu)）、用戶自定義流場邊界條件、用戶自定義結(jié)構(gòu)斷裂判據(jù)和裂紋擴展規(guī)律等等。 關(guān)注有限元的理論發(fā)展，采用最先進的算法技術(shù)，擴充軟件的能，提高軟件性能以滿足用戶不斷增長的需求，是CAE軟件開發(fā)商的主攻目標(biāo)，也是其產(chǎn)品持續(xù)占有市場，求得生存和發(fā)展的根本之道。 四.主要研究內(nèi)容及可行性分析 4.1主要研究內(nèi)容 對噴霧器噴嘴進行工藝分析，并確定分型方案、澆注系統(tǒng)位置和大小、抽芯方案、頂出方案等。然后選擇合適的相關(guān)參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，進一步確定噴嘴整體結(jié)構(gòu)布置方案。最后采用Pro/E、ANSYS等軟件，完成門把噴霧器噴嘴的模具設(shè)計。 4.2可行性分析 該零件是裝于噴霧器閃的零件，形狀較為復(fù)雜，其結(jié)構(gòu)上的特點有：一，壁薄但在一定氣壓下有嚴(yán)格的密封性要求；二，有四處小直徑但深度大的通孔和兩處需要加工出螺紋的鑄孔；三，有兩個成90°相交的鑄孔需要布置側(cè)向抽芯和鑲塊；四，該零件需要得到很好的冷卻，局部需要設(shè)置“點通水”。此外，該零件壁厚較均勻，避免熱節(jié)，減少局部熱量集中，能降低材料的熱疲勞 。 為了做好本次設(shè)計，查閱了大量的參考文獻，從理論上做好充足的準(zhǔn)備，進行了模具設(shè)計與制造專業(yè)學(xué)習(xí)，同時學(xué)習(xí)了材料成型原理等課程，并做過模具設(shè)計的課程設(shè)計，能熟練使用Pro/E、ANSYS等軟件進行建模、裝配、開模和出圖。此外，指導(dǎo)本次設(shè)計的劉耀林老師從事技術(shù)工作，有大量的實踐經(jīng)驗，相信在我們的共同努力下，一定能做好本次設(shè)計。 4.3設(shè)計方案 （1）、噴霧器噴嘴霧化流場的數(shù)學(xué)建模； （2）、噴嘴霧場的數(shù)值模擬及結(jié)構(gòu)分析； （3）、噴嘴結(jié)構(gòu)分析與改進、結(jié)構(gòu)優(yōu)化與生產(chǎn)實踐的應(yīng)用。 4.4預(yù)期達到目標(biāo) 查閱相關(guān)文獻，完成開題報告。采用Pro/E、ANSYS等軟件，按照噴霧器噴嘴設(shè)計流程圖完成全套設(shè)計，輸出完整的圖紙，并撰寫設(shè)計說明書。在這個過程中，鞏固以往所學(xué)的理論知識，熟悉有限元結(jié)構(gòu)，掌握有限元的設(shè)計方法和Pro/E、ANSYS等軟件在設(shè)計中的應(yīng)用步驟，提高動手能力，為將來從事具體的技術(shù)工作打下良好的基礎(chǔ)。 五．工作計劃 1、翻譯2篇與設(shè)計課程內(nèi)容相關(guān)的最新英文文獻，文獻翻譯要求在2000字以上——10.11 2、噴霧器噴嘴流場研究——10.11-10.18 3、噴霧器噴嘴設(shè)計——10.19-10.25 4、擬定噴霧器噴嘴流場總體設(shè)計的初步方案——10.26-11.8 5、繪制噴霧器噴嘴總裝圖、零件圖——11.10-11.30 6、檢查完善論文——12.1-12.3 7、提交準(zhǔn)備答辯——12.3-12.10 六.參考文獻 [1] 現(xiàn)代數(shù)控銑削技術(shù)/楊江河，余云龍編.-北京:機械工業(yè)出版社,2006.9 [2] 數(shù)控編程與加工/陳紅康,杜洪春主編.-濟南:山東大學(xué)出版社,2004.8 [3] 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