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大學(xué) 屆畢業(yè)論文第 1 頁 共 65 頁大學(xué) 屆畢業(yè)論文第 2 頁 共 65 頁畢業(yè)設(shè)計說明書彈性膠泥緩沖器打壓裝置設(shè)計及有限元分析學(xué)生姓名： 學(xué)號： 學(xué) 院： 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 指導(dǎo)教師： 年 月大學(xué) 屆畢業(yè)論文第 3 頁 共 65 頁彈性膠泥緩沖器打壓裝置設(shè)計及有限元分析摘要:緩沖器是各種車輛及機(jī)械設(shè)備重要的零件，是吸收沖擊能，緩和不必要的沖擊的必裝置，緩沖器質(zhì)量直接影響到車輛的安全和機(jī)器的穩(wěn)定。在本設(shè)計中我們首先通過查閱資料等各種途徑對彈性緩沖器的工作原理以及發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了熟悉。彈性膠泥緩沖器的的填充是一個十分重要的技術(shù)環(huán)節(jié)，在此基礎(chǔ)上我們對緩沖器的打壓裝置進(jìn)行了分析研究，通過對緩沖器的壓力分析，計算出打壓機(jī)構(gòu)所需要的各種數(shù)據(jù)，并根據(jù)此來對打壓裝置進(jìn)行設(shè)計計算，設(shè)計出合理的打壓裝置。此外，我們要對所設(shè)計的打壓裝置進(jìn)行強度和剛度的分析。因此，我們應(yīng)用有限元軟件 ANSYS 對打壓裝置進(jìn)行了位移，應(yīng)力，應(yīng)變分析。并與設(shè)計計算的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，確保彈性膠泥緩沖器打壓機(jī)構(gòu)的安全性。關(guān)鍵字：緩沖器，打壓裝置，有限元，ANSYS大學(xué) 屆畢業(yè)論文第 4 頁 共 65 頁Suppression Device Design of Flexibility Clay Buffer and Finite Element AnalysisAbstract: Buffer is an important parts of various vehicles and machinery and equipment , is unnecessary devices to absorb impact energy, and alleviate the impact of the buffer directly affects the quality of vehicle safety and machine stability. In this design, we first access to information through various channels such as the working principle of the elastic buffer and the development status of the familiar.Flexibility buffer filling clay is a very important technical aspect, on this basis, we suppress the device buffer were analyzed by the pressure of the buffer is calculated to suppress all kinds of data needed for institutions, According to this calculation of the suppression device design, design a reasonable suppression devices. In addition, we want to suppress the device designed by the strength and stiffness analysis. Therefore, we apply the finite element software ansys suppression device for the displacement, stress and strain analysis. Design calculations with comparisons of data obtained of flexibility buffer to suppress body clay is safe institutions.Keywords: Buffers, Suppressing Device, Finite Element, ANSYS目錄大學(xué) 屆畢業(yè)論文第 5 頁 共 65 頁1 緒論……………………………………………………………………………11.1 選題的背景的和意義………………………………………………………11.2 緩沖器研究現(xiàn)狀分析………………………………………………………11.2.1 膠泥緩沖器國內(nèi)外研究動態(tài)……………………………………………11.2.2 膠泥緩沖器的工作特性研究……………………………………………21.2.3 膠泥材料特性研究………………………………………………………21.2.4 膠泥緩沖器的模型………………………………………………………31.3 膠泥緩沖器的工作原理……………………………………………………51.4 有限元法的基本思想………………………………………………………62 緩沖器膠泥裝填機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計………………………………………………82.1 膠泥緩沖器膠泥裝填機(jī)構(gòu)工作原理………………………………………82.2 缸體壁厚的設(shè)計計算………………………………………………………82.3 活塞桿的設(shè)計………………………………………………………………92.4 活塞的設(shè)計…………………………………………………………………92.5 缸蓋的設(shè)計…………………………………………………………………102.5.1 前缸蓋的設(shè)計……………………………………………………………102.5.2 后缸蓋設(shè)計………………………………………………………………102.6 缸體長度……………………………………………………………………103 填充裝置活塞桿的有限元分析………………………………………………123.1 建立模型………………………………………………………………………123.1.1 設(shè)定分析作業(yè)名和標(biāo)題……………………………………………………123.2.2 定義單元類型………………………………………………………………133.1.3 定義實常數(shù)…………………………………………………………………143.1.4 定義材料屬性………………………………………………………………143.1.5 建立活塞的三維實體模型…………………………………………………163.1.6 劃分網(wǎng)格……………………………………………………………………193.2 定義邊界條件并求解…………………………………………………………203.2.1 活塞的底部施加位移約束…………………………………………………203.2.2 活塞的頂部施加載荷………………………………………………………21大學(xué) 屆畢業(yè)論文第 6 頁 共 65 頁3.3 進(jìn)行求解………………………………………………………………………223.4 查看結(jié)果………………………………………………………………………243.4.1 查看變形……………………………………………………………………243.4.2 查看應(yīng)力……………………………………………………………………273.4.3 查看應(yīng)變……………………………………………………………………293.5 本章小結(jié)………………………………………………………………………314 裝填裝置缸體的有限元分析……………………………………………………324.1 建立模型………………………………………………………………………324.1.1 設(shè)定分析作業(yè)名和標(biāo)題……………………………………………………334.1.2 定義單元類型………………………………………………………………334.1.3 定義實常數(shù)…………………………………………………………………344.1.4 定義材料屬性………………………………………………………………344.1.5 建立活塞的三維實體模型…………………………………………………364.1.6 劃分網(wǎng)格……………………………………………………………………404.2 定義邊界條件并求解…………………………………………………………424.2.1 活塞的底部施加位移約束…………………………………………………424.2.2 在缸體的內(nèi)圓柱面施加載荷………………………………………………434.3 進(jìn)行求解……………………………………………………………………444.4 查看結(jié)果……………………………………………………………………464.4.1 查看變形……………………………………………………………………494.4.2 查看應(yīng)力……………………………………………………………………494.3.3 查看應(yīng)變……………………………………………………………………514.5 本章小結(jié)………………………………………………………………………535 總結(jié)………………………………………………………………………………54參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………55致謝…………………………………………………………………………………571 緒論大學(xué) 屆畢業(yè)論文第 7 頁 共 65 頁1.1 選題的背景的和意義彈性膠泥緩沖器是各種車輛及機(jī)械設(shè)備中的重要零部件，填充物為彈性膠泥，其主要由聚硅氧烷、填充劑、抗壓劑、增塑劑和著色劑等組成的未交聯(lián)共混物[8]。這種材料的分子螺旋結(jié)構(gòu)決定了其具有很大的可壓縮性、粘稠流動性和高彈性，其它液體不可比擬的可壓縮性和高彈性決定了這種材料用作緩沖器研究的理想優(yōu)勢。彈性膠泥緩沖器同普通緩沖器性能比較而言[2]，有如下主要優(yōu)點：容量大、阻抗力小、體積小、質(zhì)量輕、檢修周期長(據(jù)有關(guān)資料報道，波蘭產(chǎn)品可以使用 10 年,免維護(hù)),它兼有液壓和橡膠緩沖器兩者的優(yōu)點，同時克服了液壓緩沖器制造比較復(fù)雜、密封困難和橡膠緩沖器吸收率低等缺點[23]。因此，世界各國爭相研制了各國需要的系列產(chǎn)品，我國也有這種產(chǎn)品生產(chǎn)。膠泥打壓機(jī)是一種填充裝置，他的主要目的是將膠泥通過高壓注射到膠泥緩沖器中，其基本結(jié)構(gòu)缸體、活塞、活塞桿、缸蓋、密封圈等組成。特點是:壓力范圍最廣,效率高。本課題研究的目的是在現(xiàn)階段彈性膠泥緩沖器的大量應(yīng)用的前提下,對緩沖器的填充問題變得日益重要,為了能夠使緩沖器變得更加的適用于現(xiàn)代社會的需要,本課題主要準(zhǔn)對彈性膠泥緩沖器的填充做出研究。1.2 緩沖器研究現(xiàn)狀分析1.2.1 膠泥緩沖器國內(nèi)外研究動態(tài)國外對膠泥及其緩沖器的研究始于 20 世紀(jì) 60 年代,法國 Domange-Jarret 公司率先推出了以膠泥為主體材料的緩沖產(chǎn)品，JARRET 公司的產(chǎn)品容量（所吸收的沖擊能量）從 0.05 kJ 到 3000 kJ，行程從 1 mm 到 200 mm。并很快在建筑上、鐵路上得到應(yīng)用，如線路端或維修站的起保護(hù)作用的車擋緩沖器、車輛間連接緩沖的車鉤緩沖器等。到 80 年代初，波蘭華沙工學(xué)院試制出新型的膠泥材料，加快了膠泥緩沖器在鐵路車輛上的應(yīng)用，波蘭的 KAMAKC 公司利用這種材料技術(shù)并開發(fā)出系列緩沖器產(chǎn)品應(yīng)用于鐵路車輛的緩沖。國際鐵路聯(lián)盟(UIC)在 1981 年制定了 UIC 526－1 標(biāo)準(zhǔn)，并在 1985 年進(jìn)行了修訂，規(guī)范和批準(zhǔn)了用于貨車的 A、B、C 三級膠泥緩沖餅產(chǎn)品， A 級容量為 30 KJ，B 級容量為 50 KJ，C 級容量為 70 KJ，緩沖器的行程為 105 mm。國際鐵路聯(lián)盟(UIC)1992 年7 月又通過了行程為 130 mm 和 150 mm 的貨車用緩沖餅的生產(chǎn)，并制定了大學(xué) 屆畢業(yè)論文第 8 頁 共 65 頁UIC526－3 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。該系列標(biāo)準(zhǔn)的制定為膠泥緩沖器更廣泛的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，推動了緩沖器在其它車輛的上的應(yīng)用。1.2.2 膠泥緩沖器的工作特性研究波蘭的 KAMAKC 公司將其膠泥緩沖餅和傳統(tǒng)性緩沖餅裝在重 80t 的車輛上左沖撞試驗（80t 對 80t），試驗發(fā)現(xiàn)在 5～8 km/h 的速度下，傳統(tǒng)性的緩沖餅的行程已到極限，而彈性膠泥緩沖餅大約在 15 km/h 的速度下才到極限，顯然彈性膠泥緩沖餅對車輛的保護(hù)會比傳統(tǒng)性的緩沖餅好。修理廠的資料表明：95％的車輛端梁破壞事故發(fā)生在裝有傳統(tǒng)性的緩沖餅的車輛上，只有 5％發(fā)生在裝有彈性膠泥緩沖餅的車輛上。并且試驗表明在-40℃和+50℃范圍內(nèi)，彈性膠泥緩沖餅作用可靠。同時還檢驗了彈性膠泥緩沖餅的耐久性，試驗發(fā)現(xiàn)緩沖餅的接受容量至少達(dá)到容量的 80％。俄羅斯鐵道部門對 KZE-5-C 型膠泥緩沖器進(jìn)行了初步試驗研究。在車輛以不同方式?jīng)_撞，車輛上以不同方式配置膠泥緩沖器的情況下，試驗結(jié)果表明，無論在平穩(wěn)性和吸收能量方面，還是在沖擊力和加速度的大量減小方面，彈性膠泥緩沖器均優(yōu)于摩擦式緩沖器。1991 年俄羅斯研制了一種膠泥緩沖器，該緩沖器 10-15 年免修，總的使用壽命 30-32 年。試驗時用總重 100t 的車輛以 15 km/h 以下的速度沖撞時，車輛和其運送的貨車均能受到保護(hù)[5]。1.2.3 膠泥材料特性研究膠泥緩沖器研究的緩沖介質(zhì)粘彈性膠泥材料，是一種高粘度、可流動的、未經(jīng)硫化的有機(jī)硅化合物為基體的合成材料，是由聚硅氧烷、填充劑、抗壓劑、增塑劑和著色劑等組成的未交聯(lián)共混物。其中，主體材料聚硅氧烷是決定彈性膠泥減震性能的主要因素[1][2][6]。根據(jù)減震器對彈性膠泥的性能要求，彈性膠泥主體材料只能選用高聚合度線形聚硅氧烷——混煉型硅橡膠和烴基硅油。其中，硅橡膠主要為甲基硅橡膠、甲基乙烯基硅橡膠和甲基苯基乙烯基硅橡膠,烴基硅油主要為二甲基硅油和甲基苯彈性膠泥中添加增塑劑和填充劑的目的一是調(diào)節(jié)粘度、體積壓縮率和阻尼值，二是降低成本，添加抗壓劑的目的是為在金屬緩沖器表面形成穩(wěn)定的保護(hù)膜，以減輕彈性膠泥對金屬表面的摩擦磨損[2]。彈性膠泥的特性1 高阻尼性和粘彈性大學(xué) 屆畢業(yè)論文第 9 頁 共 65 頁彈性膠泥具有高阻尼和粘彈性的原因是硅橡膠和烴基硅油分子的結(jié)構(gòu)單元含有較多對稱的側(cè)甲基，且硅橡膠和烴基硅油分子的聚合度較大時，其粘彈性和阻尼效應(yīng)較顯著。同時，硅橡膠和烴基硅油分子的側(cè)基數(shù)目較多、結(jié)構(gòu)對稱性好，分子鏈和鏈段運動的內(nèi)摩擦阻力較大，彈性膠泥的阻尼效應(yīng)較顯著，減震性能較好。2 體積壓縮性彈性膠泥具有體積壓縮性的原因是硅橡膠和烴基硅油的分子鏈呈螺旋狀結(jié)構(gòu)，受外力作用時分子鏈的側(cè)基(甲基)會向外排列并繞硅-氧鍵旋轉(zhuǎn)，從而引起材料體積變小。彈性膠泥的體積壓縮率隨著硅橡膠和烴基硅油的相對分子質(zhì)量提高而減小，而且還與側(cè)基的品種和數(shù)量有關(guān)。一般情況下,壓力達(dá)到 500 MPa時，彈性膠泥的體積壓縮率會超過 17%。外力去除后,彈性膠泥會自行膨脹至體積復(fù)原。3 流動性彈性膠泥具有流動性的原因是硅橡膠和烴基硅油分子主鏈的硅-氧鍵易內(nèi)旋轉(zhuǎn)，分子鏈柔順性好，內(nèi)聚能密度和分子間作用力小，分子易滑移。彈性膠泥的流動粘度應(yīng)根據(jù)減震器的容量(能量)要求調(diào)節(jié)。彈性膠泥抗剪切流動性(在高壓作用下流經(jīng)窄縫時粘度變化很小，流過窄縫并除去外力后粘度又可恢復(fù))好的原因是烴基硅油和硅橡膠分子的硅-氧鍵鍵能高，分子鏈柔順性好，硅-氧-硅鍵角可變化。4 耐高低溫性能彈性膠泥具有優(yōu)異高溫性能的原因是硅橡膠和烴基硅油的分子主鏈完全是由高鍵能的硅-氧鍵組成，彈性膠泥具有很好的耐低溫性能的原因是硅橡膠和烴基硅油分子主鏈的硅-氧鍵易內(nèi)旋轉(zhuǎn)，分子鏈柔順性好，內(nèi)聚能密度小，側(cè)基為非極性基團(tuán)，分子間作用力小。另外，彈性膠泥的耐老化性和化學(xué)穩(wěn)定性極好。彈性膠泥在-70~+250℃范圍內(nèi)穩(wěn)定性極好，使用壽命可達(dá) 30 年[1][7]。1.2.4 膠泥緩沖器的模型法國的 Dange－Jarret 公司為法國先進(jìn)的高速列車代 TGV 開發(fā)兩種型號的膠泥緩沖器，型號分別是 BC20S－60B 和 L7A－M3，其容量分別達(dá)到了 62.5KJ 和58 KJ。德國的 ICE 高速列車也使用了膠泥緩沖器，其容量不小于 20 KJ。在俄大學(xué) 屆畢業(yè)論文第 10 頁 共 65 頁羅斯，全俄鐵道科學(xué)院牽頭進(jìn)行了膠泥緩沖器的應(yīng)用研究，并于 20 世紀(jì) 90 年代初開發(fā)了應(yīng)用于 100 t 貨車的膠泥緩沖器，其容量達(dá)到 60 KJ，阻抗達(dá) 2000 kN，能滿足車輛 15 km/h 的調(diào)車連掛速度。全俄鐵道科學(xué)研究院與波蘭 KAMAKC公司合作開發(fā)了用于罐車的 73ZW 型膠泥緩沖器，容量達(dá)到 70 KJ，行程 90 mm。膠泥緩沖器在美國、日本、南非、澳大利亞等國鐵路部門也進(jìn)行了應(yīng)用研究。膠泥緩沖器以其容量大、阻抗低、結(jié)構(gòu)輕巧、檢修周期長以及其特殊的特性曲線特點在鐵路車輛上得到重視和推廣應(yīng)用，目前在歐洲鐵路使用的膠泥緩沖器產(chǎn)品在 50 萬套以上，檢修周期一般在 10 年以上[5]。歐洲國家的膠泥緩沖器生產(chǎn)技術(shù)已相當(dāng)成熟,且膠泥緩沖器已在航空、橋梁、鐵路機(jī)車車輛、軍事和工程機(jī)械等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。我國最早在上個世紀(jì) 80 年代進(jìn)口的軍艦上發(fā)現(xiàn)膠泥緩沖器，用來緩和艦炮的沖擊，后來在進(jìn)口汽車上也發(fā)現(xiàn)這種膠泥緩沖器。1988 年機(jī)電部上海材料研究所受機(jī)電部一重廠委托承擔(dān)了膠泥緩沖器這種新技術(shù)產(chǎn)品的消化吸收，并開發(fā)出了型號 521、522、307 等幾個型號的緩沖器產(chǎn)品，其中最大的容量已達(dá)到20 KJ，阻抗力僅 670 KN，行程僅 45 mm。后來該單位還陸續(xù)研制了用于雷達(dá)和坦克的膠泥緩沖器，取得了較好的應(yīng)用效果[4][5]。在冶金行業(yè)目前批量使用著膠泥的緩沖器和緩沖餅產(chǎn)品，北京的冶金自動化研究院批量的生產(chǎn)用于冶金機(jī)械的各類緩沖產(chǎn)品，在膠泥緩沖器技術(shù)上有一定的積累。鐵道部從上個世紀(jì)的 80 年代末開始關(guān)注該項技術(shù)，并對該技術(shù)研究提供了專項技術(shù)資金資助，1989 年鐵道部科技司以資助性開發(fā)課題形式下達(dá)任務(wù)，由原鐵道部四方車輛研究所承擔(dān)客車膠泥緩沖器研制。到 1994 年 10 月，四方所開始與波蘭的 KAMAKC公司以及波蘭的華沙鐵道科學(xué)院進(jìn)行膠泥緩沖器方面的技術(shù)交流，上世紀(jì) 90 年代末四方所與 KAMAKC 公司加強了技術(shù)合作并成立合資公司，專門開發(fā)鐵路用車鉤緩沖器，推出了幾個型號產(chǎn)品進(jìn)行試驗和試用，目前仍在裝車試用和效果考核中，由于核心技術(shù)仍然由外方掌握，并未進(jìn)行轉(zhuǎn)讓，所以致使膠泥產(chǎn)品的研制開發(fā)的進(jìn)展較慢[8]。 膠泥緩沖器是將具有粘彈性、流動性和體積可壓縮性的膠泥置于密閉容器中，用一定的機(jī)械結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)其減震、平衡、緩沖功能。緩沖器采用不同的結(jié)構(gòu)大學(xué) 屆畢業(yè)論文第 11 頁 共 65 頁和材料，可以滿足不同的工作需要。既可以設(shè)計成粘彈型的緩沖器，也可以設(shè)計成粘滯型的緩沖器，還可以設(shè)計成彈性緩沖器。膠泥緩沖器工作原理是：將彈性膠泥材料裝進(jìn)一個能夠承受一定壓力的緩沖器活塞缸體內(nèi)，根據(jù)實際應(yīng)用的需要增加一定的預(yù)壓縮力，當(dāng)彈性膠泥緩沖器活塞柱受到一定的壓力(靜壓力或沖擊力)時，活塞利用活塞缸內(nèi)節(jié)流孔或節(jié)流間隙以及彈性膠泥材料本身體積被壓縮后反作用力產(chǎn)生一定的阻抗力。當(dāng)彈性膠泥材料受到的預(yù)壓縮力越大和活塞的運動速度越快，則產(chǎn)生的阻抗力也越大，這有利于提高緩沖器在大沖擊下的容量。當(dāng)緩沖器的活塞被壓縮后，緩沖器體內(nèi)的彈性膠泥處于壓縮狀態(tài)，當(dāng)作用在活塞柱上外力撤消后，彈性膠泥的體積則會自行產(chǎn)生膨脹，將活塞推回到原始位置，在這個過程中彈性膠泥材料以較慢的速度通過節(jié)流孔或節(jié)流間隙流回原位，這樣就實現(xiàn)了緩沖器的回程運作。圖 1-3 單出桿式膠泥緩沖器 圖 1-4 雙出桿式膠泥緩沖器根據(jù)不同配方配制的膠泥，所具有的黏性、彈性、蠕變與松弛等特性均不同。由于膠泥材料的多變性，以及膠泥緩沖器結(jié)構(gòu)的多樣性(通常是單出桿和雙出桿兩種，見圖 1-3 和圖 1-4)，膠泥緩沖器的工作特性就不同。單出桿式的膠泥緩沖器大多是粘彈型緩沖器，雙出桿式緩沖器多是粘滯性的緩沖器。1.3 膠泥緩沖器的工作原理膠泥緩沖器主要由活塞和活塞桿、缸蓋、缸體、充料閥等組成，將彈性膠泥裝入密閉容器中，根據(jù)需要使之產(chǎn)生一定的預(yù)壓力。其工作過程分為壓縮階段和恢復(fù)原階段：當(dāng)活塞柱受到的外壓力小于預(yù)壓力時，活塞柱靜止不動；當(dāng)外壓力大于預(yù)壓力時，活塞柱向容器內(nèi)移動，部份活塞柱進(jìn)入容器內(nèi)，此時彈性膠泥被壓縮，體積縮小，并對活塞柱產(chǎn)生一定反作用力，直至與外壓力相等，在這一過程中由于活塞的環(huán)形間隙(或節(jié)流孔)的節(jié)流作用和彈性膠泥材料的壓縮變形吸收沖擊能量，摩擦部分將沖擊能量的部大學(xué) 屆畢業(yè)論文第 12 頁 共 65 頁份以摩擦熱和彈性體組成阻尼耗能的形式消耗掉，彈性膠泥接收部分外力動能并轉(zhuǎn)化為膠泥的彈性勢能；剩余部份則轉(zhuǎn)化為彈性體組成的彈性勢能；由于膠泥材料的特性，當(dāng)彈性膠泥的預(yù)壓力和活塞的運動速度越大，阻抗也就越大，這有利于提高緩沖器在大沖擊下的容量，即沖擊越大，緩沖器的容量就越大；沖擊小，緩沖器的容量就越小。在恢復(fù)階段中，彈性體組成將所吸收的能量釋放出來，其中一部分又以摩擦熱和彈性體組成阻尼耗能的形式散失掉，當(dāng)外力減小或撤消后，彈性膠泥自行體積膨脹，將活塞推回原位。在這個過程中彈性膠泥材料以較慢的速度通過活塞的環(huán)形間隙(或節(jié)流孔)流回原位，實現(xiàn)緩沖器的回程動作。緩沖器性能是否優(yōu)良，主要看性能參數(shù)是否與車輛的使用要求相匹配，能否最大限度地降低車輛垂直方向上的加速度和動行程[1]。1.4 有限元法的基本思想有限元法是把要分析的連續(xù)體假想地分割成有限個單元所組成的組合體，簡稱離散化。這些單元僅在頂角處相互聯(lián)接，稱這些聯(lián)接點為結(jié)點。離散化的組合體與真實彈性體的區(qū)別在于：組合體中單元與單元之間的聯(lián)接除了結(jié)點之外再無任何關(guān)聯(lián)。但是這種聯(lián)接要滿足變形協(xié)調(diào)條件，即不能出現(xiàn)裂縫，也不允許發(fā)生重疊。顯然，單元之間只能通過結(jié)點來傳遞內(nèi)力。通過結(jié)點來傳遞的內(nèi)力稱為結(jié)點力，作用在結(jié)點上的荷載稱為結(jié)點荷載。當(dāng)連續(xù)體受到外力作用發(fā)生變形時，組成它的各個單元也將發(fā)生變形，因而各個結(jié)點要產(chǎn)生不同程度的位移，這種位移稱為結(jié)點位移。在有限元中，常以結(jié)點位移作為基本未知量。并對每個單元根據(jù)分塊近似的思想，假設(shè)一個簡單的函數(shù)近似地表示單元內(nèi)位移的分布規(guī)律，再利用力學(xué)理論中的變分原理或其他方法，建立結(jié)點力與位移之間的力學(xué)特性關(guān)系，得到一組以結(jié)點位移為未知量的代數(shù)方程，從而求解結(jié)點的位移分量。然后利用插值函數(shù)確定單元集合體上的場函數(shù)。顯然，如果單元滿足問題的收斂性要求，那么隨著縮小單元的尺寸，增加求解區(qū)域內(nèi)單元的數(shù)目，解的近似程度將不斷改進(jìn)，近似解最終將收斂于精確解。用有限元法求解問題的計算步驟比較繁多，其中最主要的計算步驟為：1）連續(xù)體離散化。首先，應(yīng)根據(jù)連續(xù)體的形狀選擇最能完滿地描述連續(xù)體形狀的單元。常見的單元有：桿單元，梁單元，三角形單元，矩形單元，四邊形單元，曲邊四邊形單元，四面體單元，六面體單元以及曲面六面體單元等等。其次，進(jìn)行單元劃分，單元劃分完畢后，要將全部單元和結(jié)點按一定順序編號，大學(xué) 屆畢業(yè)論文第 13 頁 共 65 頁每個單元所受的荷載均按靜力等效原理移植到結(jié)點上，并在位移受約束的結(jié)點上根據(jù)實際情況設(shè)置約束條件。2）單元分析。所謂單元分析，就是建立各個單元的結(jié)點位移和結(jié)點力之間的關(guān)系式?，F(xiàn)以三角形單元為例說明單元分析的過程。3）整體分析。整體分析是對各個單元組成的整體進(jìn)行分析。它的目的是要建立起一個線性方程組，來揭示結(jié)點外荷載與結(jié)點位移的關(guān)系，從而用來求解結(jié)點位移。 用有限元法不僅可以求結(jié)構(gòu)體的位移和應(yīng)力，還可以對結(jié)構(gòu)體進(jìn)行穩(wěn)定性分析和動力分析。另一方面，在處理大型結(jié)構(gòu)分析中（如飛機(jī)、橋梁等），普遍采用子結(jié)構(gòu)法、p 型或 h 型有限元模型以及邊界元法，從而提高了計算速度，降低了計算工作量。2 彈性膠泥緩沖器的填充裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計大學(xué) 屆畢業(yè)論文第 14 頁 共 65 頁2.1 膠泥緩沖器膠泥裝填機(jī)構(gòu)工作原理膠泥緩沖器膠泥裝填機(jī)構(gòu)工作原理：將彈性膠泥裝入膠泥裝填機(jī)構(gòu)中，給裝填機(jī)構(gòu)一個外力的作用，當(dāng)裝填機(jī)構(gòu)中的壓強超過膠泥緩沖器中的壓強時，彈性膠泥壓入膠泥緩沖器中。2.2 缸體壁厚的設(shè)計計算緩沖器的容積為 197 立方厘米，所以先設(shè)計缸筒有效高度為 116，這樣它的容積為 275 立方厘米，當(dāng)壓力為 15Mpa 時其壓縮率是小于 10%的。就是按 10%算 275×0.9=247.5 立方厘米，它滿足容積要求。膠泥裝填機(jī)構(gòu)的缸體在工作時需承受較大的壓力，這就要求缸體壁厚需滿足一定的條件，已知機(jī)器所給最大壓力為 4 噸，能施加的最大壓力：KNF40max?內(nèi)徑為 55mm 承受壓強： 得出最大MPaP8.16)0275./(140 ??????壓強為 16.8Mpa。取安全系數(shù)為 ； Pmax=16.8Mpa，Rn=27.5mm，25.1?n缸體材料：45 鋼，經(jīng)過調(diào)制處理，主要目的增加材料硬度和強度等機(jī)械性能，許用應(yīng)力[σ]=370/1.25=296Mpa，調(diào)質(zhì) 45 鋼的屈服強度為 370Mpa。根據(jù)第三個強度理論，材料的屈服極限以及設(shè)計壓強計算出的缸體外徑為（加厚主要考慮加工和誤差影響）： 采用第三強度理論（最大剪應(yīng)力手則）推導(dǎo)出的外徑計算公式為：（t 為厚度）dDn??， ，tp201?tp4023??按第三強度理論≤t2313r??][可得t=1.61mm，在這里我們?nèi)?12.5mm 遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于許用值。按第四強度理論≤????????tpD4321 0213224r ???????? ][?大學(xué) 屆畢業(yè)論文第 15 頁 共 65 頁所以壁厚一定滿足要求。2.3 活塞桿的設(shè)計活塞桿的工作環(huán)境需承受較大的軸向力，需考慮活塞桿的強度和剛度要求，因此，選取活塞桿的材料為硬度高、耐腐蝕、耐高溫、耐磨性好的 40 。查材料手冊得 40 的屈服極限為 785 ，安全系數(shù)為 ?；钊麠U所受的軸向應(yīng)力：由于受軸向應(yīng)力，則活塞桿的強度條件為：式中： 活塞桿的直徑軸向工作載荷活塞桿的許用應(yīng)力：活塞桿的強度需滿足的條件為：即 則桿的直徑應(yīng)該滿足：所以選定活塞桿的直徑為 20mm。2.4 活塞的設(shè)計在膠泥裝填機(jī)構(gòu)中，要考慮到缸體的密封問題，膠泥裝填機(jī)構(gòu)對密封性要求較高，因此在考慮活塞強度要求的同時，最重要的是要有完好的密封性，優(yōu)大學(xué) 屆畢業(yè)論文第 16 頁 共 65 頁先考慮密封件的選擇，通過查詢《機(jī)械設(shè)計手冊》液壓活塞動密封溝槽各個尺寸，最后確定活塞尺寸 ， 。圖 2-11-密封塊 2- 螺母 3-壓環(huán) 4-中擋板 5-O 型圈 6-后擋板2.5 缸蓋的設(shè)計2.5.1 前缸蓋的設(shè)計膠泥裝填機(jī)構(gòu)前缸蓋的選擇需要考慮裝配問題，活塞桿和缸蓋的密封問題，為了減少結(jié)構(gòu)體積，前缸蓋的缸體之間采用螺紋聯(lián)接，螺紋聯(lián)接選用螺紋尺寸為 ，嚙合尺寸為 10mm。2.5.2 后缸蓋設(shè)計后缸蓋和缸體的連接用螺栓聯(lián)接，螺栓的規(guī)格為 ，采用四個螺栓。2.6 缸體長度確定缸體的長度為 126mm。大學(xué) 屆畢業(yè)論文第 17 頁 共 65 頁圖 2-2 打壓裝置的裝配圖大學(xué) 屆畢業(yè)論文第 18 頁 共 65 頁3 填充裝置活塞桿的有限元分析 3.1 建立模型 3.1.1 設(shè)定分析作業(yè)名和標(biāo)題1)從實體菜單中選擇 Utility Menu: File－Change Jobname 命令,將打開Change Jobname(修改文件名)對話框，如圖 3-1 所示。圖 3-1 修改文件名對話框2）在 Enter new jobname（輸入新的文件名）文本框中輸入文字“畢業(yè)設(shè)計——活塞有限元分析”作為數(shù)據(jù)庫文件名。3）單擊 OK 按鈕，完成文件名的修改。4）從實用菜單中選擇 Utility Menu：File－Change Title 命令，將打開Change Title（修改標(biāo)題）對話框，如圖 3-2 所示。圖 3-2 修改標(biāo)題對話框5）在 Enter new title（輸入新標(biāo)題）文本框中輸入文字“static anylysis of an piston”，作為標(biāo)題名。6）單擊 OK 按鈕，完成對標(biāo)題名的指定。7）從實用菜單中選擇 Plot－Relot 命令，指定的標(biāo)題“活塞靜力分析”將顯示在圖形窗口的左下角。大學(xué) 屆畢業(yè)論文第 19 頁 共 65 頁8）從主菜單中選擇 Preference 命令，將打開 Preference of GUI Filtering（菜單過濾參數(shù)選擇）對話框，選中 Structural 復(fù)選框，單擊 OK 按鈕確定。圖 3-3 選擇分析模型3.1.2 定義單元類型1）從主菜單中選擇 Main Menu: Preference－Element Type－Add/Edit/Delete 命令，將打開 Element Type（單元類型）對話框。2）單擊 ADD 按鈕，將打開 Library of Element Type（單元類型庫），如圖 3-3 所示。大學(xué) 屆畢業(yè)論文第 20 頁 共 65 頁圖 3-4 單元類型庫對話框3）選擇 Solid 選項，選擇實體單元類型。4）在列表中選擇 Tet 10Node 92 選項，選擇十字節(jié)點四面體實體結(jié)構(gòu)單元 Tet 10Node 92.5）單擊 OK 按鈕，將 Tet 10Node 92 單元添加，并關(guān)閉單元類型對話框，同時返回到第 1）步打開的單元類型對話框，如圖 3-5 所示。3-5 關(guān)閉單元類型對話框6）該單元不需要進(jìn)行單元選項設(shè)置，單擊 Close 按鈕，關(guān)閉單元類型對話框，結(jié)束單元類型的添加架。3.1.3 定義實常數(shù)本設(shè)計中選用十節(jié)點四面體實體結(jié)構(gòu)單元 Tet 10Node 92 單元，不需要設(shè)置實常數(shù)。3.1.4 定義材料屬性考慮慣性力的靜力分析中必須定義材料的彈性模量和密度。具體步驟如下：1）從主菜單中選擇 Main Menu：Preprocessor－Material Props－Materia Model 命令，將打開 Define Material Model Behavior（定義材料模型屬性）窗口，如圖 3-6 所示。大學(xué) 屆畢業(yè)論文第 21 頁 共 65 頁圖 3-6 線性各向同性材料的彈性模量和泊松比2）依次單擊 Structural－Linear－Elastic－Isotropic，展開材料屬性的樹形結(jié)構(gòu)。將打開 1 號材料的彈性模量 EX 和泊松比 PRXY 的定義對話框，如圖3-7 所示。圖 3-7 定義材料模型屬性窗口3）在對話框的 EX 文本框中輸入彈性模量 2.2e11，在 PRXY 文本框中輸入泊松比 0.3.4)單擊 Structural－＞Density,打開定義材料密度對話框,如圖 3-8 所示。大學(xué) 屆畢業(yè)論文第 22 頁 共 65 頁圖 3-8 定義材料密度對話框5）單擊 OK 按鈕,關(guān)閉對話框，并返回到定義材料模型屬性窗口，在此窗口的左邊一欄出現(xiàn)剛剛定義的參考號為 1 的材料屬性。6）在 Define Material Model Behavior 窗口中，從菜單選擇Material－Exit 命令，或者單擊右上角 X 按鈕，退出定義材料模型屬性窗口，完成對材料模型屬性的定義。3.1.5 建立活塞的三維實體模型1）創(chuàng)建圓柱體從主菜單中選擇 Main Menu: Preprocessor－Modeling－Create－Volumes－Cylinder－Solid Cylinder。在打開的創(chuàng)建圓柱體對話框中，WP X 輸入 0，WP Y 輸入 0，Radius輸入 10，Depth 輸入 128，點擊 Apply。大學(xué) 屆畢業(yè)論文第 23 頁 共 65 頁圖 3-9 創(chuàng)建圓柱體接著在ＷＰＸ輸入 0,WP Y 輸入 0,Radius 中輸入 27.5，Depth 中輸入 33，點擊Apply。圖 3-10 創(chuàng)建另一個圓柱體接著在ＷＰＸ輸入 0,WP Y 輸入 0,Radius 中輸入 13，Depth 中輸入 42，點擊 OK按鈕。大學(xué) 屆畢業(yè)論文第 24 頁 共 65 頁圖 3-11 創(chuàng)建圓柱體生成結(jié)果如下圖所示。圖 3-12 形成圓柱體2）進(jìn)行布爾運算。從主菜單中選擇 Main Menu：Proprecessor－Modeling－Add－Volumes。彈出實體加的對話框。點擊 Pick All 按鈕。大學(xué) 屆畢業(yè)論文第 25 頁 共 65 頁圖 3-13 布爾運算拾取框得到如下圖所示。圖 3-14 生成模型3.1.6 劃分網(wǎng)格本模型采用 Tet 10Node 92 單元對三維實體劃分自由網(wǎng)格。大學(xué) 屆畢業(yè)論文第 26 頁 共 65 頁1）從主菜單中選擇 Main Menu：Proprecessor－Meshing－Mesh Tool 命令，打開 Mesh Tool（網(wǎng)格工具），如圖 3-7 所示。2）單擊 Global 域中的 Set 按鈕，彈出 Global Element Sizes 對話框，在SIZE Element edge lenth 文本框中輸入 5，單擊 OK 按鈕.如下圖所示。圖 3-15 網(wǎng)格劃分圖框在對話框中選擇 Volumes，單擊 Mesh，打開體選擇對話框，要求選擇要劃分?jǐn)?shù)的體。單擊 Pick All 按鈕，得到如圖所示。3-16 網(wǎng)格劃分結(jié)果大學(xué) 屆畢業(yè)論文第 27 頁 共 65 頁3.2 定義邊界條件并求解3.2.1 活塞的底部施加位移約束從主菜單中選擇 Main Menu：Solution－Define Loads－Apply－Structural－Displacement－On Areas。拾取活塞的大端面，單擊 OK，如圖所示。3-17 拾取低面對話框3）選擇 UZ 作為約束自由度,單擊 OK 按鈕,如下圖所示.圖 3-18 施加 Z 方向位移大學(xué) 屆畢業(yè)論文第 28 頁 共 65 頁3.2.2 活塞的頂部施加載荷1)從主菜單中選擇 Main Menu：Solution－Define Loads－Apply－Structural－Pressure－On Areas。2)選擇活塞的頂部平面,單擊 OK,如圖所示.圖 3-19 拾取活塞頂面對話框然后打開 Apply PRES on reas 對話框,在 Load PERS value 文本框中輸入127e6,單擊 OK,如圖所示.大學(xué) 屆畢業(yè)論文第 29 頁 共 65 頁圖 3-20 定義壓力的大小4）加載荷后如圖所示。圖 3-21 加載后的圖形3.3 進(jìn)行求解1)從主菜單中選擇 Main Menu：Solution－Sovle－Current LS 命令,打開一個確認(rèn)對話框和狀態(tài)列表,如圖所示,要求查看列出的求解選項.大學(xué) 屆畢業(yè)論文第 30 頁 共 65 頁2)查看列表中的信息確認(rèn)無誤之后，單擊 OK 按鈕，開始求解。求解過程中會有進(jìn)度的顯示，如圖所示。圖 3-22 求解當(dāng)前載荷步確認(rèn)對話框3）求解過程中會出現(xiàn)如圖所示的求解進(jìn)度的提示框。圖 3-23 進(jìn)度顯示4）求解完成后打開如圖 3-所示的提示求解結(jié)束對話框。單擊 Close 按鈕，關(guān)閉提示求解結(jié)束對話框。圖 3-24 求解完成結(jié)果如圖所示.