有限元結(jié)課匯報(bào) 1 基于Workbench的曲柄連桿組動(dòng)力學(xué)分析 2 基于ANSYS剎車盤應(yīng)力分析 3 輕型貨車普通變截面鋼板彈簧有限元分析 4 基于Workbench對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的溫度場(chǎng)分析 主要成員及工作 1 基于Workbench的曲柄連桿組動(dòng)力學(xué)分析 2 WorkbenchIntroduction Workbench是ANSYS公司提出的協(xié)同仿真環(huán)境 解決企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中CAE軟件的異構(gòu)問(wèn)題 提供了全新的 項(xiàng)目視圖 ProjectSchematicView 功能 將整個(gè)仿真流程更加緊密的組合在一起 通過(guò)簡(jiǎn)單的拖拽操作即可完成復(fù)雜的多物理場(chǎng)分析流程 Workbench所提供的CAD雙向參數(shù)鏈接互動(dòng) 項(xiàng)目數(shù)據(jù)自動(dòng)更新機(jī)制 全面的參數(shù)管理 無(wú)縫集成的優(yōu)化設(shè)計(jì)工具等 是ANSYS在 仿真驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品設(shè)計(jì) 方面達(dá)到前所未有的高度 3 動(dòng)力學(xué)分析簡(jiǎn)介 4 主要操作 一 建模 二 導(dǎo)入workbench平臺(tái)進(jìn)行前置處理 在CAD三維造型平臺(tái)UG上建立模型并裝配 然后另存為ANSYS通用的 IGS格式 1 打開(kāi)workbench 選擇 Staticstructural ANSYS 靜力結(jié)構(gòu)分析 模塊 Part1Part2Part3 裝配圖 5 2 定義材料為Structuralsteel 結(jié)構(gòu)鋼 3 定義部件的接觸與運(yùn)動(dòng)約束 工程數(shù)據(jù)EngineeringDate里材料屬性設(shè)置為結(jié)構(gòu)鋼 彈性模量為2 1E11 泊松比為0 3 密度為7850kg m3 6 4 網(wǎng)格劃分 將簡(jiǎn)化后的曲柄連桿CAD三維模型導(dǎo)入Workbench平臺(tái)建立StaticStructural靜力學(xué)分析模的前處理模塊中進(jìn)行網(wǎng)格化 采用自動(dòng)劃分自由網(wǎng)格 單位選擇為 mm t N s mv mA 共劃分了21953個(gè)節(jié)點(diǎn) 10856個(gè)單元 如圖 7 5 施加載荷 6 運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)定 根據(jù)曲柄連桿工作情況 綜合第一類自由約束和第三類表面載荷對(duì)有限元模型進(jìn)行載荷定義 載荷施加具體如圖4 大小為0 3MPa 曲柄轉(zhuǎn)速設(shè)置為2 09rad s 8 三 分析結(jié)果 1 TotalDeformation 總變形 根據(jù)分析報(bào)告 總變形的最大值為1 9232mm 在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中其分布呈拋物線狀 變形最大且對(duì)結(jié)構(gòu)有危險(xiǎn)的是曲柄與連桿 連桿與活塞桿連接處 這也是設(shè)計(jì)中需要校核和加強(qiáng)的地方 9 分析結(jié)果 2 Equivalent von Mises Stress 等效應(yīng)力 根據(jù)分析報(bào)告 等效應(yīng)力最大值為65 418MPa 且等效應(yīng)力在整個(gè)運(yùn)動(dòng)行程中呈周期性變化 在等效應(yīng)力云圖中 等效應(yīng)力主要分布在活塞桿上 因此 曲柄連桿在工作時(shí) 其主要承受的應(yīng)力在與活塞直接相連的桿上 10 分析結(jié)果 3 TotalVelocity 總速度 由分析報(bào)告可知 曲柄連桿在仿真中運(yùn)動(dòng)總速度為最大值為298 99mm s 11 分析結(jié)果 4 TotalAcceleration 總加速度 由分析報(bào)告可知 曲柄連桿在仿真中運(yùn)動(dòng)總加速度為最大值為632 27mm s 12 結(jié)論 通過(guò)有限元分析軟件workbench仿真 對(duì)曲軸進(jìn)行有限元分析 得到理想的仿真結(jié)果 這對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的設(shè)計(jì)與改進(jìn) 提高發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)水平及提高發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)性能有著重要意義 是既經(jīng)濟(jì)又有效的科學(xué)化方法 13 基于ANSYS剎車盤應(yīng)力分析 14 制動(dòng)距離有時(shí)也用在良好路面條件下 汽車以100km h的初速度制動(dòng)到停車的最短距離來(lái)表示 15 很多轎車的前后輪都采用盤式制動(dòng)器 16 通風(fēng)盤式制動(dòng)器 17 由CATIA建立的剎車盤的模型并取五分之一模型如圖所示 18 將做好的剎車盤模型以part類型保存并導(dǎo)入ANSYS軟件中 并對(duì)模型進(jìn)行前處理網(wǎng)格劃分 19 剎車盤制動(dòng)時(shí)受到摩擦力 夾緊力和固定力的作用 所受力在任何一個(gè)時(shí)刻都是不同的 所有力的位置和方向周期性變化 大小也隨時(shí)叫不斷變化 用ANSYS對(duì)剎車盤進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí) 只還原在某個(gè)時(shí)刻上剎牢盤上的應(yīng)力分布情況 假定剎車盤不轉(zhuǎn)動(dòng) 安裝孔周面施加的所有方向位移均為0 在摩擦表面施加沿著圓周切線方向的摩擦力以及Z軸方向的壓力 摩擦系數(shù)假定為0 4 壓力大小為8000N 摩擦力大小為3200N 20 模型分析云圖 21 安裝孔處應(yīng)力 最大應(yīng)力都在盤安裝孔外側(cè) 并且應(yīng)力相對(duì)集中 除了安裝孔外側(cè) 其他位置所受的應(yīng)力都較小 22 盤周應(yīng)力 盤周摩擦表面上的機(jī)械應(yīng)力并不明顯 與帽盤接連孔外側(cè)的應(yīng)力相比非常小 只有機(jī)械應(yīng)力作用于盤周不致出現(xiàn)破壞 23 連接位置處應(yīng)力 可以看出連接處應(yīng)力并不大 有應(yīng)力位置只在剎車盤受摩擦力和夾緊力一側(cè) 應(yīng)力大小也隨周期變化 機(jī)械應(yīng)力對(duì)連接處沒(méi)有過(guò)多要求 24 結(jié)論 1 除了盤帽安裝孔外側(cè)機(jī)械應(yīng)力較大外 其他位背應(yīng)力均較小 初步設(shè)計(jì)能滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性 2 對(duì)于盤周可以彈性分配摩擦表面和風(fēng)道的厚度 適當(dāng)增加風(fēng)道厚度 使其在功能上更偏向滿足散熱性的要求 這樣也可以減少剎車盤重量 3 對(duì)于連接處可以適當(dāng)改變?cè)O(shè)汁重點(diǎn) 將其放在如何能更好的隔絕從盤周傳導(dǎo)來(lái)的熱量上 比如增大連接處傳熱路徑 減小連接處厚度等 25 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 輕型貨車普通變截面鋼板彈簧有限元分析 26 1 鋼板彈簧的作用 承載 導(dǎo)向 減振 緩和沖擊 27 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 鋼板彈簧的垂直方向載荷的計(jì)算上常用計(jì)算方法 三角形板法 板端接觸法 共同曲率法 假設(shè)各彈簧片為一個(gè)整體的三角形板 假設(shè)力在各片彈簧間的傳遞僅靠各片端來(lái)完成 假定各片的彎曲具有共同的曲率 國(guó)內(nèi) 國(guó)外 精益設(shè)計(jì) 強(qiáng)調(diào)考慮結(jié)構(gòu)的大變形 準(zhǔn)確模擬片間的接觸狀態(tài) 28 鋼板彈簧的設(shè)計(jì)參數(shù) 主要用于貨車和大客車上 普通多片式鋼板彈簧 線性特性 矩形斷面簧片 易制造 應(yīng)用廣 多用于輕型車 29 鋼板彈簧的設(shè)計(jì)參數(shù) 梯形端部 上卷耳 制造簡(jiǎn)單 強(qiáng)度高 制作費(fèi)用低 30 鋼板彈簧的設(shè)計(jì)參數(shù) 多片 少片 31 多片鋼板彈簧三維模型的建立 鋼板彈簧自由狀態(tài)下的三維模型建立 由已知參數(shù) 分別對(duì)九片自由簧片進(jìn)行單獨(dú)三維建模 所有簧片均為等截面等寬度簧片 利用Pro E進(jìn)行參數(shù)化建模 32 多片鋼板彈簧有限元模型的建立 網(wǎng)格劃分 使用材料 各向同性的線彈性材料60Si2Mn 硅錳彈簧鋼 彈性模量 210GPa 泊松比 0 26 摩擦系數(shù) 0 2 最大許用應(yīng)力應(yīng)力 33 多片鋼板彈簧有限元模型的建立 加載及邊界條件的定義 工況一 工況二 施加預(yù)負(fù)荷 模擬中間夾緊螺栓夾緊各葉片時(shí)彈簧的變形 應(yīng)力響應(yīng)等 位移載荷大小等于自由狀態(tài)下各片的間隙之和 施加工作負(fù)荷 模擬在板簧的特定長(zhǎng)度處施加彈簧作用力的情況 數(shù)值為銷子對(duì)彈簧的工作力 大小為9496 2N 34 計(jì)算結(jié)果分析 位移分析 位移的最大值 32mm 裝配完成后多片板簧弧高95 5mm 在設(shè)計(jì)的裝配弧高101 2 6mm范圍內(nèi) 35 計(jì)算結(jié)果分析 裝配后應(yīng)力分析 最大應(yīng)力 207 468MPa 材料許用應(yīng)力 1000MPa 36 滿載應(yīng)力分析 最大應(yīng)力 203 823MPa 材料許用應(yīng)力 1000MPa 計(jì)算結(jié)果分析 37 計(jì)算結(jié)果分析 滿載應(yīng)力分析 少片 最大應(yīng)力 280 68MPa 材料許用應(yīng)力 1000MPa 38 結(jié)論 2 在相同條件以及同樣壽命的前提下 使用少片變截面鋼板彈簧 重量大約比多片彈簧減少50 左右 1 對(duì)板簧的結(jié)構(gòu)與尺寸設(shè)計(jì)的強(qiáng)度方面的校核與有限元分析表明校核的結(jié)果符合相關(guān)技術(shù)要求 39 基于Workbench對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的溫度場(chǎng)分析 40 主要內(nèi)容 一 利用UG建模 41 改變活塞頂?shù)牡箞A角分別為5mm 6mm 3mm 2mm 5mm 3mm 6mm 2mm 42 二 workbench熱分析 1 在工具箱中將穩(wěn)態(tài)熱分析系統(tǒng) Steady StateThermal 直接拖入至工程圖解中 43 2 定義工程數(shù)據(jù) EngineeringData 必須定義材料的導(dǎo)熱系數(shù) 可以是單一材料的 也可以是多種材料的 根據(jù)零件的實(shí)際情況而定 導(dǎo)熱系數(shù)既可以是各向同性的 也可是各向異性的 既可是常數(shù)也可是與溫度有關(guān)的數(shù)據(jù) 添加材料的熱傳導(dǎo)率 活塞的材料為鋁合金 其熱傳導(dǎo)率為226w m 44 3 導(dǎo)入活塞的UG三維立體圖 將之前在UG中畫的活塞圖進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換 將其另存為IGS的格式 再將其導(dǎo)入Workbench中 進(jìn)行分析 4 在Workbench界面中選擇 Setup 一 Edit 進(jìn)入 Mechanical 分析環(huán)境 對(duì)活塞進(jìn)行材料設(shè)置 如圖 45 5 對(duì)活塞進(jìn)行網(wǎng)格劃分 選擇 Mesh 一 GenerateMesh 圖形區(qū)顯示程序自動(dòng)生成的六面體網(wǎng)格模型 如圖 46 6 施加邊界條件 加載標(biāo)定功率工況下活塞的第三類邊界條件 根據(jù)下表對(duì)活塞各部分進(jìn)行施加邊界條件 7 設(shè)置需要的結(jié)果 選擇 Solution A6 在工具欄中選擇 Thermal 一 Temperature 47 標(biāo)定功率工況下的活塞溫度場(chǎng)分布圖 5mm 6mm 3mm 2mm 48 結(jié)果分析 通過(guò)分析不同活塞頂圓角半徑的活塞在兩種工況下的溫度場(chǎng)可知 第一 活塞頂部的溫度是最高的 由上至下活塞的溫度逐漸降低 裙部的溫度最低 活塞的第一環(huán)槽的溫度是比較高的 這就容易造成潤(rùn)滑油的變質(zhì)甚至可能有碳化的發(fā)生 使得活塞環(huán)發(fā)生粘結(jié) 使環(huán)槽迅速磨損 變形 嚴(yán)重時(shí)將造成發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸套擦傷 甚至拉缸 所以在選取活塞的材料時(shí) 要選擇抗熱性好的材料 在選擇冷卻方式時(shí) 最好選擇活塞底部噴油的方式 49 第二 在同一工況下 例如在標(biāo)定功率工況下 當(dāng)活塞的活塞頂圓角半徑的變化是5mm 6mm 3mm 2mm時(shí) 活塞的最高溫度變化為 361 15 180 96 356 94 180 01 369 78 182 24 373 88 183 7 這是因?yàn)楫?dāng)活塞的活塞頂圓角半徑變大時(shí) 燃燒室容積變大 壓縮比變小 活塞的整體溫度降低了 當(dāng)活塞的活塞頂圓角半徑變小時(shí) 燃燒室容積變小 壓縮比變大 活塞的整體溫度升高了 所以在設(shè)計(jì)活塞的活塞頂圓角時(shí)應(yīng)在不影響其結(jié)構(gòu)時(shí)盡可能的大一點(diǎn) 本文中活塞頂圓角半徑為6mm的活塞是相對(duì)較好的 50