毕业设计（论文）-490Q柴油机曲轴有限元分析.doc

tianjintianjin universityuniversity ofof technologytechnology andand educationeducation 毕毕 业业 论论 文文 专专 业：业： 汽车维修工程教育汽车维修工程教育 班级学号：班级学号： 汽修汽修 0402-140402-14 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： 二二八年八年 六六 月月 天津工程师范学院 2008 届本科生毕业论文 1 天津工程师范学院本科生毕业论文天津工程师范学院本科生毕业论文 490q490q 柴油机曲轴的有限元模态分析柴油机曲轴的有限元模态分析 modalmodal analysisanalysis ofof finitefinite elementelement onon 490q490q dieseldiesel engineengine cramkshaftcramkshaft 专业班级：汽修专业班级：汽修 04020402 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： 系系 别：汽车工程系别：汽车工程系 20082008 年年 6 6 月月 天津工程师范学院天津工程师范学院 天津工程师范学院 2008 届本科生毕业论文 2 毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书 2007 年 12 月 题 目 （包括副标题） 490q 柴油机曲轴有限元分析 教师姓名阎文兵系 别汽车工程系职 称教授 学生姓名宋 炜班 级汽 0402 班学 号14 号 课题成果形式论文 设计说明书 实物 软件 其它 1毕业设计（论文）课题任务的内容及方法： 1、本课题的研究任务是：（1）了解模态的概念及模态分析的基本理论；掌握有限元解 题思路与步骤；（2）了解曲轴的结构及工作特点；（3）熟练掌握 ansys 有限元分析软 件。并应用其对 490q 柴油机曲轴进行有限元模态分析分析。 2、本课题的研究方法：应用 ansys 软件对 490q 柴油机曲轴进行分析： （1）曲轴的工况分析及 ansys 建模 pro/e 或其他三维 cad 软件建模 （2）有限元网格划分 （3）确定边界条件，施加载荷 （4）三维有限元计算，求解前十二阶固有频率 （5）调出分析结果 2毕业设计（论文）工作进度计划： 周 次工作内容 第 1 周-第 3 周 第 4 周-第 5 周 第 6 周-第 8 周 第 9 周-第 10 周 第 11 周-第 12 周 查阅搜集资料，学习有关知识；总体结构及多方案比较 自学模态分析的基本理论及方法；自学有限元法的基本理论，了 解有限元分析的基本步骤； 自学有限元分析软件 ansys 零件及工艺设计应用有限元分析软件 ansys 建立曲轴的三维模型并进行曲轴自由模态计算，要求求解 曲轴前六阶固有频率，分析计算结果； 撰写毕业论文，准备答辩。 教研室（学科组）主任签字： 天津工程师范学院 2008 届本科生毕业论文 3 摘要摘要 曲轴是柴油机重要部件，本文在介绍490q柴油机曲轴结构的基础上，根据三维 有限元分析理论和多自由度系统振动模态分析理论，运用ansys软件，采用有限单元 法,对490q 柴油机曲轴进行了符合实际情况的三维建模，对柴油机曲轴的整体进行 有限元自由模态分析，提取出它的前十二阶模态固有频率和振型，参考其总体位移 变化云图对曲轴整体振动特性进行分析和评价，结合曲轴应力应变云图，对曲轴结 构强度进行分析，为柴油机优化、改进设计提供了有价值的理论依据。 关键词关键词 :曲轴；有限元；模态分析 abstractabstract the crankshaft is an important part of a diesel engine ,this article talks about the structure of crankshaft of 490q diesel engine at first, then the finite element free modal analysis of the crankshaft was carried out in ansys software, which depends on the theoretic of 3-d finite element analysis and freedoms-system vibration modal analysis , by means of fem , this paper set up a 32dimentional model for model 4190 diesel engines crankshaft corresponding to practical conditions, obtain its front 12 modal inherent frequency ,talks on its vibration characteristic according to total dof picture. and created a finite element modal for single crutch , then analysis its static characteristic ，the model analysis was made for the crankshaft，which provides valuable theoretical foundation for the optimization and improvement of engine design keywords:keywords: crankshaft ； finite element；modal analysis 目录 1 1 引言引言 1 1 1.1 课题研究背景 1 1 1.2 课题研究的意义 1 1 天津工程师范学院 2008 届本科生毕业论文 4 1.3 研究任务 2 2 2 2 曲轴的功用和工作条件曲轴的功用和工作条件3 3 2.1 功用 3 3 2.2 工作条件 3 3 3 3 模态分析的基本理论模态分析的基本理论 5 5 3.1 模态的概念 5 5 3.2 模态分析方法 5 5 3.3 有限元法 6 6 3.4 课题研究拟采用的手段6 6 4 4 ansysansys 简介简介 7 7 4.1 ansys 软件主要功能 7 7 4.2 ansys 软件主要特点 7 7 4.3 运行环境（ansys10.0）8 8 5 5 ansysansys 的基本使用的基本使用 9 9 6 6 模态分析模态分析 1616 6.1 模态分析的定义 1616 6.2 模态提取方法 1616 7 7 490q490q 柴油机曲轴自由模态分析柴油机曲轴自由模态分析 1818 7.1 几何建模 1818 7.2 曲轴自由模态分析2626 7.3 获取处理图形和数据结果 2828 结论结论 3333 参考文献参考文献 3434 致谢致谢 3636 1 1 引言引言 1.11.1 课题研究背景课题研究背景 曲轴是发动机中最重要的运动部件之一。它的尺寸参数还影响着发动机整体尺 寸、重量和制造成本，并且在很大程度上影响着发动机的可靠性和寿命。曲轴在工 作中承受着汽缸内周期性变化的气体压力、往复运动质量及旋转质量惯性力引起的 天津工程师范学院 2008 届本科生毕业论文 5 周期性变化的载荷，并对外输出扭矩，因此承受交变的拉伸、压缩、弯曲和扭转的 复合应力，同时还有弯曲振动，从而会引起曲轴疲劳失效，而一旦失效，就可能引 起其他零件随之破坏。所以对于整体式多缸发动机曲轴，如何比较准确地得到应力、 变形的大小及分布，对用于指导曲轴的优化、改进和设计具有重要意义1。 随着科技的进步和使用要求的不断提高，以经验和试制、实验为典型特征的传 统设计方法已远不能满足现代产品对性能的需求，取而代之的是以计算机为基本工 具，以数值仿真分析为主要手段的现代设计理论和方法的广泛应用。汽车发动机设 计是典型的机械系统设计，针对汽车发动机的现代设计技术研究具有代表性意义。 曲轴是汽车发动机至为关键的部件之一，其性能优劣直接影响着汽车发动机的可靠 性和寿命，所以利用计算机仿真对曲轴设计及生产有着积极的指导作用2。 有限元技术的出现，为工程设计领域提供了一个强有力的计算工具。经过迄今 约半个世纪的发展，它已日趋成熟实用。发动机零部件的设计是有限元技术最早的 应用领域之一。有限元技术在发动机零部件设计中的广泛应用，提高了设计的可靠 性，优化了结构，缩短了设计周期，降低了设计成本，大大推动了发动机工业的发 展3。 1.21.2 课题研究的意义课题研究的意义 曲轴是发动机中最重要、载荷最大、价格最高的零件之一。曲轴承受着气缸内 的气体压力及往复和旋转质量惯性力引起的周期性变化的载荷,并对外输出扭矩,曲 轴还有扭转振动,因此在曲轴内产生交变的弯曲应力和扭转应力,可能引起曲轴疲劳 失效,而一旦曲轴失效,就可能引起其它零件随之破坏。所以对于整体式多缸机曲轴, 如何比较准确地得到应力、变形的大小及分布和曲轴的固有频率及振形,对用于指导 曲轴的设计和改进,具有重要意义。本文采用有限单元法,对 490q 柴油机曲轴进行了 符合实际情况的三维建模,研究了整体曲轴的变形和应力状态,校核了曲轴在交变载 荷下的疲劳强度,探讨了目前曲轴应力有限元计算中广泛采用的单拐力学模型的可靠 性,并对曲轴进行了模态分析, 曲轴的模态分析能准确地确定振形节点位置,并能快 速地分析曲轴尺寸、平衡块大小与布置、曲轴材料等因素对轴系动特性的影响。这 对产品改进和开发选择较优的轴系参数是很有效的。随着柴油机的不断强化，曲轴 的工作条件愈加苛刻，保证曲轴的工作可靠性至关重要，其设计是否可靠，对柴油 机的使用寿命有很大影响，因此在研制过程中需给予高度重视。由于曲轴的形状及 其载荷比较复杂，对其采用经典力学的方法进行结构分析往往有局限性。有限元法 是根据变分原理求解数学物理问题的一种数值计算方法，是分析各种结构问题的强 有力的工具，使用有限元法可方便地进行分析并为设计提供理论依据随着柴油机的 不断强化，曲轴的工作条件愈加苛刻，保证曲轴的工作可靠性至关重要，其设计是 天津工程师范学院 2008 届本科生毕业论文 6 否可靠，对柴油机的使用寿命有很大影响，因此在研制过程中需给予高度重视。由 于曲轴的形状及其载荷比较复杂，对其采用经典力学的方法进行结构分析往往有局 限性。有限元法是根据变分原理求解数学物理问题的一种数值计算方法，是分析各 种结构问题的强有力的工具，使用有限元法可方便地进行分析并为设计提供理论依 据45。 1.31.3 研究任务研究任务 （1）了解模态的概念及模态分析的基本理论；掌握有限元解题思路与步骤； （2）了解曲轴的结构及工作特点； （3）熟练掌握 ansys 有限元分析软件。并应用其对 490q 柴油机曲轴进行有限 元模态分析分析。 2 2 柴油机曲轴的基本叙述柴油机曲轴的基本叙述 2.12.1 功用功用和工作条件和工作条件 曲轴连杆机构是发动机五大机构之一。其曲轴是内燃机的一个重要零部件，也 是内燃机中成本最高的零件，它的尺寸较大、材料昂贵、形状复杂、 加工精度要求 很高。曲轴的主要功用是把活塞、连杆传来的气体压力、往复惯性力和旋转惯性力， 天津工程师范学院 2008 届本科生毕业论文 7 转变为转矩，驱动汽车的传动系统和发动机的配器机构，及其它辅助装置（如喷油 泵、水泵、机油泵、发电机、风扇等）。在周期性变化的气压力、往复和旋转运动 引起的惯性力以及它们的弯扭矩共同作用下，使得曲轴在工作过程中既弯曲又扭转， 因此，曲轴应具有足够的抗弯曲、抗扭转的疲劳强度和刚度；轴颈应具有足够大的 承压表面和耐磨性；曲轴的质量应尽量小，对各轴颈的润滑应该充分。 2.22.2 曲轴的分类曲轴的分类 曲轴的可根据不同的方式分类。从结构上可分为整体式曲轴和组合式曲轴；主 从轴承可分为滑动轴承式曲轴和滚动轴承式曲轴；根据曲柄臂的特点，曲轴又分为 普通型和圆盘形两种。对车辆发动机来说，整体式曲轴用的最多，其中又以采用滑 动轴承的占绝大多数。曲轴的不同结构型式，会使整个发动机结构有很大的变化， 还会涉及到曲轴的制造方法与成本。所以要根据发动机的用途、要求和制造条件来 考虑。本文选用多支承式滑动轴承整体式曲轴。 2.32.3 曲轴的结构设计曲轴的结构设计 曲轴的结构形式有很多种。从结构上可分为整体式曲轴和组合式曲轴；主从轴 承可分为滑动轴承式曲轴和滚动轴承式曲轴；根据曲柄臂的特点，曲轴又分为普通 型和圆盘形两种。对车辆发动机来说，整体式曲轴用的最多，其中又以采用滑动轴 承的占绝大多数。曲轴的不同结构型式，会使整个发动机结构有很大的变化，还会 涉及到曲轴的制造方法与成本。所以要根据发动机的用途、要求和制造条件来考虑。 本文选用多支承式滑动轴承整体式曲轴6。 天津工程师范学院 2008 届本科生毕业论文 8 （a）整体式 （b） 组合式 1-油道 2-台阶 图 2-1 整体式曲轴和组合式曲轴 1-曲轴前端 2-连杆轴颈（曲柄销） 3-主轴颈 4-曲柄 5-平衡重 6-后端凸缘 图 2-2 四缸直列式曲轴示意图 3 3 模态分析的基本理论模态分析的基本理论 3.13.1 模态的概念模态的概念 模态是机械结构的固有振动特性。用于反映模态特征的参数，如固有频率、阻 尼比和模态振型。每一阶模态都拥有与其相对的模态参数，各阶模态的叠加就是结 构固有振动特性的全貌。 模态分析是研究结构动力特性的一种近代分析方法。基于线形叠加原理，一个 结构的复杂振动是由无数阶模态叠加的结果，其中有对结构振动起主要作用的模态， 也有对结构振动影响很小的模态。显然必须应用某种方法找出那些主要的模态，以 便了解结构振动特性的实质，这种方法就是模态分析。振动模态是弹性结构的固有 的、整体的特性。如果通过模态分析方法搞清楚了结构物在某一易受影响的频率范 围内各阶主要模态的特性，就可能预言结构在此频段内在外部或内部各种振源作用 天津工程师范学院 2008 届本科生毕业论文 9 下实际振动响应。因此，模态分析是结构动态设计及设备的故障诊断的重要方法。 3.23.2 模态分析方法模态分析方法 模态分析方法分为理论（解析）模态分析和试验模态分析其中)理论（解析）模 态分析或称模态分析的理论过程，是指以线形振动理论、有限元理论及方法（也可 包括传递矩阵理论及方法）为基础，以计算机及工程分析软件（cae）为手段，以建 立研究对象物理参数及求解其动态特性为目标的研究激励、系统，响应三者之间关 系的模态分析如图所示。理论模态分析实际上是一种理论建模及分析过程，其实施 过程： 1)运用有限元理论及方法或其他方法（如集中参数法或传递矩阵法等）对振动 结构进行离散、分析、再综合成整体，以建立其有限元理论模型，即建立有限元运 动微分方程。 2)一般在比例阻尼和无阻尼的假设条件下，建立有限元理论模型的特征问题的 数学模型，用各种近似方法（如子空间迭待法等）求解其特征值和特征向量，进而 运用线形振动理论建立其模态参数模型。 3)根据模态参数模型，求其频率响应函数（或传递函数）、脉冲响应函数，就 可导出其非参数模型。4)理论模型的工程应用7。 3.33.3 有限元法有限元法 有限元法（finiteelement method）始于本世纪四十年代初期，有限元方法的 基本思想是将结构离散化，用有限个容易分析的单元来表示复杂的对象，单元之间 通过有限个节点相互连接，由于单元的数目是有限的，节点的数目也是有限的，所 以称为有限元法。有限元理论的发展为精确而全面地计算曲轴应力提供了条件。总 体来看，已有的曲轴有限元分析的研究对象都是针对某种具体型号曲轴，而且从模 型和边界条件的处理上存在较大的差别：在模型方面，二维平面模型和三维计算模 型的 1/4 或 1/2 拐模型和单拐模型乃至整体曲轴模型都有采用；载荷处理上一般只 考虑了单一受载情况，而忽略了扭矩和惯性力的作用；连杆轴颈表面作用力和主轴 颈约束采用不同的简化处理方法。同时，有限元软件也层出不穷，目前常用的有： sap、ansys、adina、nastran、ideas 等8。在美国、西欧、日本等发达国家和 物理参数模型非参数模型模态参数 模型 工程应用 天津工程师范学院 2008 届本科生毕业论文 10 地区有限元分析早已作为一种基本的设计手段，尤其是在内燃机产品开发中的使用， 大大的推动了发动机工业的发展。近几年来，随着计算机软硬件水平 的提高，发动机零部件有限元技术又取得了许多新发展，由此也带出了新的研究课 题。 3.43.4 课题研究拟采用的手段课题研究拟采用的手段 应用 ansys 软件对 490q 柴油机曲轴进行分析 曲轴的工况分析 ansys 建模 pro/e 或其他三维 cad 软件建 模 有限元网格划分 确定边界条件，施加载荷 三维有限元计算，求解前十二阶固有频率 调出分析结果 4 4 ansysansys 简介简介 ansys 是一种广泛的商业套装工程分析软件。所谓工程分析软件，主要是在机 械结构系统受到外力负载所出现的反应，例如应力、位移、温度等，根据该反应可 知道机械结构系统受到外力负载后的状态，进而判断是否符合设计要求。一般机械 结构系统的几何结构相当复杂，受的负载也相当多，理论分析往往无法进行。想要 解答，必须先简化结构，采用数值模拟方法分析。由于计算机行业的发展，相应的 软件也应运而生，ansys 软件在工程上应用相当广泛，在机械、电机、土木、电子 及航空等领域的使用，都能达到某种程度的可信度，颇获各界好评。使用该软件， 天津工程师范学院 2008 届本科生毕业论文 11 能够降低设计成本，缩短设计时间。 到 80 年代初期，国际上较大型的面向工程的有限元通用软件主要有：ansys, nastran, aska, adina, sap 等。以 ansys 为代表的工程数值模拟软件，是一个多 用途的有限元法分析软件，它从 1971 年的 2.0 版本与今天的 5.7 版本已有很大的不 同，起初它仅提供结构线性分析和热分析，现在可用来求结构、流体、电力、电磁 场及碰撞等问题的解答。它包含了前置处理、解题程序以及后置处理，将有限元分 析、计算机图形学和优化技术相结合，已成为现代工程学问题必不可少的有力工具。 4.14.1 ansysansys 软件主要功能软件主要功能 ansys 软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元软件，可 广泛的用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国 防军工、电子、土木工程、生物医学、水利、日用家电等一般工业及科学研究。该 软件提供了不断改进的功能清单，具体包括：结构高度非线性分析、电磁分析、计 算流体力学分析、设计优化、接触分析、自适应网格划分及利用 ansys 参数设计语 言扩展宏命令功能。 4.24.2 ansysansys 软件主要特点软件主要特点 主要技术特点： 唯一能实现多场及多场耦合分析的软件 唯一实现前后处理、求解及多场分析统一数据库的一体化大型 fea 软件 唯一具有多物理场优化功能的 fea 软件 唯一具有中文界面的大型通用有限元软件 强大的非线性分析功能 多种求解器分别适用于不同的问题及不同的硬件配置 支持异种、异构平台的网络浮动，在异种、异构平台上用户界面统一、数据 文件全部兼容 强大的并行计算功能支持分布式并行及共享内存式并行 多种自动网格划分技术 良好的用户开发环境 支持的图形传递标准： sat 天津工程师范学院 2008 届本科生毕业论文 12 parasolid step 与 cad 软件的接口 unigraphics pro/engineer i-deas catia cadds solidedge solidworks 4.34.3 运行环境（运行环境（ansys10.0ansys10.0） computer: pentium-class system memory (ram): 64 mb以上 hard disk: 500mb以上自由空间. operating system: microsoft windows 2000, windows nt 4.0 (sp 5 or higher) or windows 98 graphics: a windows 2000/nt 4.0 or 98 supported graphics card, capable of 1024x768 in high color (16-bit).a 17 inch monitor (or larger) compatible with the above mentioned card is recommended9. 5 5 ansysansys 的基本使用的基本使用 5.15.1 ansysansys 环境简介环境简介 ansys有两种模式：一种是交互模式（interactive mode），另一个是非交互模 式（batch mode）。交互模式是初学者和大多数使用者所采用，包括建模、保存文 件、打印图形及结果分析等，一般无特别原因皆用交互模式。但若分析的问题要很 长时间，如一、两天等，可把分析问题的命令做成文件，利用它的非交互模式进行 分析。 运行该程序一般采用 interactive 进入，这样可以定义工作名称，并且存放到 指定的工作目录中。若使用 run interactive now 进入还需使用命令定义工作文件 名或使用默认的文件名，使用该方式进入一般是为恢复上一次中断的分析。所以在 天津工程师范学院 2008 届本科生毕业论文 13 开始分析一个问题时，建议使用 interactive 进入交互模式。 进入系统后会有6个窗口，提供使用者与软件之间的交流，凭借这6个窗口可以 非常容易的输入命令、检查模型的的建立、观察分析结果及图形输出与打印。整个 窗口系统称为guigui(g graphical u user i interface).如图2-1所示。 各窗口的功能如下： 1. 应用命令菜单（utility menu）：包含各种应用命令，如文件控制（file）、 对象选择（select）、资料列式（list）、图形显示（pplot）、图形控制 （plotctrls）、工作界面设定（workplane）、参数化设计（parameers）、 宏命令（macro）、窗口控制（menuctrls）及辅助说明（help）等。 2. 主菜单（main menu）：包含分析过程的主要命令，如建立模块、外力负载、 边界条件、分析类型的选择、求解过程等。 3. 工具栏（toolbar）：执行命令的快捷方式，可依照各人爱好自行设定。 4. 输入窗口（input window）：该窗口是输入命令的地方，同时可监视命令的 历程。 5. 图形窗口（graphic window）：显示使用者所建立的模块及查看结果分析。 6. 输出窗口（output window）：该窗口叙述了输入命令执行的结果。 图5-1 ansys的操作界面 5.25.2 有限元法的基本构架有限元法的基本构架 目前在工程领域内常用的数值模拟方法有：有限元法、边界元法、离散单元法和 有限差分法，就其广泛性而言，主要还是有限单元法。它的基本思想是将问题的求解 天津工程师范学院 2008 届本科生毕业论文 14 域划分为一系列的单元，单元之间仅靠节点相连。单元内部的待求量可由单元节点量 通过选定的函数关系插值得到。由于单元形状简单，易于平衡关系和能量关系建立节 点量的方程式，然后将各单元方程集组成总体代数方程组，计入边界条件后可对方程 求解。 有限元的基本构成： 1.节点（node）：就是考虑工程系统中的一个点的坐标位置，构成有限元系 统的基本对象。具有其物理意义的自由度，该自由度为结构系统受到外力 后，系统的反应。 2.2.元素（element）：元素是节点与节点相连而成，元素的组合由各节点相 互连接。不同特性的工程统，可选用不同种类的元素，ansys提供了一百 多种元素，故使用是必须慎重选则元素型号。 3.3.自由度（degree of freedom）：上面提到节点具有某种程度的自由度， 以表示工程系统受到外力后的反应结果。要知道节点的自由度数，请查看 ansys自带的帮助文档（help/element refrence），那里有每种元素类型 的详尽介绍。 5.35.3 ansysansys 架构及命令架构及命令 ansys 构架分为两层，一是起始层（begin level），二是处理层（processor level）。这两个层的关系主要是使用命令输入时，要通过起始层进入不同的处理器。 处理器可视为解决问题步骤中的组合命令，它解决问题的基本流程叙述如下： 1. 前置处理（general preprocessor, prep7） 1） 建立有限元模型所需输入的资料，如节点、坐标资料、元素内节点排列 次序 2） 材料属性 3） 元素切割的产生 2. 求解处理（solution processor, solu） 1） 负载条件 2） 边界条件及求解 3. 后置处理（general postprocessor, post1 或 time domain postprocessor, post26） post1 用于静态结构分析、屈曲分析及模态分析，将解题部分所得的解答 如：变位、应力、反力等资料，通过图形接口以各种不同表示方式把等位移图、 等应力图等显示出来。post26 仅用于动态结构分析，用于与时间相关的时域处 天津工程师范学院 2008 届本科生毕业论文 15 理。 5.45.4 典型的分析过程典型的分析过程 ansys 分析过程包含三个主要的步骤： 1. 创建有限元模型 1）创建或读入限元模型 2）定义材料属性 3）划分网格 2. 施加载荷并求解 1）施加载荷及设定约束条件 2）求解 3. 查看结果 1）查看分析结果 2）检查结果是否正确 5.55.5 ansysansys 文件及工作文件名文件及工作文件名 ansys 在分析过程中需要读写文件，文件格式为 jobname.ext，其中 jobname 是 设定的工作文件名，ext 是由 ansys 定义的扩展名，用于区分文件的用途和类型， 默认的工作文件名是 file。ansys 分析中有一些特殊的文件，其中主要的几个是数 据库文件 jobname.db、记录文件 jobname.log、输出文件 jobname.out、错误文件 jobname.err、结果文件 jobname.rxx 及图形文件 jobname.grph。 5.65.6 图形控制图形控制 图形在校验前处理的数据和后处理中检查结果者是非常重要的。ansys 的图形常用 功能如下： 在实体模型和有限元模型上边界条件显示 计算结果的彩色等值线显示 可以对视图进行放大、缩小、平移、旋转等操作 用于实体显示的橡皮筋技术 多窗口显示 隐藏线、剖面及透视显示 边缘显示 变形比率控制 天津工程师范学院 2008 届本科生毕业论文 16 三维内直观化显示 动画显示 窗口背影的选择 以上功能利用 gui 可方便实现，如打开图形控制窗口（utility menuplotctrlspanpan,zoom,rotate） 可对图形进行放大、缩小、平移、旋转等操作。也可通过键盘各三键鼠标实现上操 作，同时按下 ctrl 键和鼠标左键并拖移可实现视图的平移；同时按下 ctrl 键和鼠 标中键并拖移可实现视图的缩放各 z 向旋转（上下拖动实现缩放，左右实现旋转）； 同时按下 ctrl 键和鼠标中键并拖移可实现视图的 x 及 y 向旋转。 5.75.7 ansysansys 中的有限元分析步骤中的有限元分析步骤 1. 前处理 前处理是指创建实体模型及有限元模型。它包括建立实体模型、定义单元属性、 划分网格、模型修正等几个方面的内容。与 cad 相类似，ansys 以数学的方式表达 结构的几何形状，可以在里面划分节点和单元，还可以在几何模型边界上方便地施 加载荷，但是实体模型并不参与 ansys 的计算过程，而是 ansys 把施加在实体模型 边界上的载荷或者约束传递到有限元模型上进行最终的求解。 （1） 建模 建立模型在整个分析过程中所花费的时间应该远远多于其它过程。首先必须指 定作业名和分析标题（也可使用 ansys 软件默认的作业名和标题，但不推荐这样做） ，然后使用 prep7（预处理）处理器定义单元类型、单元实常数、材料特性和几何 模型。ansys 程序的单元库中有超过 100 多种的不同单元类型，每一种单元类型都 有自己特定的编号和单元类型名；当为材料选择了划分网格的单元类型时，接下来 应该输入与此单元类型相关的单元常数。单元类型的实常数是根据所选的单元类型 而定的；大多数单元类型在分析时都要指定材料特性，ansys 程序可以选择的材料 特性有：线性或非线性、各向同性、正交异性或非弹性、不随温度而变化或随着问 题变化；接下来就可以创建几何模型，ansys 中提供两种创建有限元模型的方法： 实体建模和直接生成。可以根据自己的需要选择合适的方式来生成有限元模型。 虽然 ansys 软件的前处理模块具有建模功能，但与其他 cad 软件相比，其功能 还不够强大，对于一些形状较复杂的模型，建构起来还非常困难。因此，设置了与 多种 cad 软件如 pro/e、ug、autocad 等的数据交换接口。通过这个接口，可以把模 型直接传入 ansys 中，然后进行网格划分，加载求解等过程，此种方法适用于一些 复杂的三维实体模型12。 （2） 网格划分 天津工程师范学院 2008 届本科生毕业论文 17 在 ansys 程序当中，网格划分是在几何模型建立好之后，最终进行求解之前完 成的，也就是说，它既可以放在加载之前，也可以放在加载之后。在 ansys 中，有 限元的网格是由程序自己来完成的，用户所要做的就是通过给出一些参数与命令来 对程序实行“宏观调控”。总的来说，ansys 的网格划分有两种。第一种是自由划 分网格（free meshing），主要用于划分边界形状不规则的区域，它所生成的网格 相互之间是呈不规则的排列的。常常对于复杂形状的边界选择自由划分网格。它的 缺点是分析精度往往不够高。第二种是映射网格划分（mapped meshing），该方法 是将规则的形状（如正方形，三棱柱等）映射到不规则的区域（如畸变的四边形、 底面不是正多边形的棱柱等）上面，它所生成的网格相互之间是呈规则的排列的， 分析的精度也很高。但是，它要求划分区域满足一定的拓扑条件，否则就不能进行 映射网格划分。而且该方法对于复杂形状的边界模拟能力较自由划分网格差。在非 边界区域尽可能地采用映射网格划分，只有对于形状复杂的边界才采用自由划分网 格。当然，对于精度条件不是很高的情况下，且没有足够的时间，不妨采用自由划 分网格。 在对模型划分网格之前，甚至在建立模型之前，确定是采用自由（free）网格 还是采用映射（mapped）网格进行分析是十分重要的。自由网格对于单元形状没有 限制，并且对模型没有特定的要求。与自由网格相比，映射网格对其包含的单元形 状有限制，而且要求几何模型必须满足特定的规则。 在 ansys 程序的前处理当中有功能强大的自动划分网格模块（meshtool）,我们 可以通过该功能快捷有效地将几何模型转化为物理模型（单元）。在 meshtool 选项 下面，有绝大部分常用的网格划分功能，至于完整的网格划分功能，则都包含在 meshing 里面13。 ansys 中有限元网格划分过程包括 3 个步骤：1）定义单元属性；2）设置网格 控制；3）生成网格。 对于机械结构进行有限元网格划分，从理论上来讲是任意的，但在实际工作中 必须考虑到现实性及经济性，因而在划分时，必须遵循下列原则： （1） 所选用的单元不应使受力状态失真； （1） 结构的简化应确保所需要的计算精度； （2） 尽可能利用对称性、重复性，从而压缩所需的计算机内存量，减少计算 时间； （4） 要选择恰当的数学模型，保证计算精度，减少计算时间，降低计算费用。 2. 加载 对有限元模型的加载有两层含义：一是加约束，二是加载荷。根据受力分析， 天津工程师范学院 2008 届本科生毕业论文 18 对已经划分完网格的数据模型进行简化，模拟真实情况下实体所受到的约束与载荷。 ansys 中大多数载荷既可施加于实体模型（关键点、线和面）上也可以施加于有限 元模型（节点和单元）上。但 ansys 的求解期期望所有载荷应该依据有限元模型， 因此，如果将载荷施加于实体模型，在开始求解时，ansys 会自动将这些载荷转换 到节点和单元上，当然也可以通过命令转换。 在求解前，要定义好材料特性，预定义的材料特性为： 弹性模量:e 泊松比: 密度： 载荷施加于实体模型上有如下优点： 实体模型载荷独立于有限元网格。所以可以改变单元网格而不必改变施加 的载荷 。 与有限元模型相比，实体模型通常包括较少的实体（点线面图元相对于节 点和 元来讲要少许多）。因此，选择实体模型的实体并在这些实体上施加 载荷要容易得多，尤其是通过 gui 操作时。 载荷施加于实体模型上有如下缺点： ansys 网格划分命令生成的单元处于当前激活的单元坐标系中。网格划分命 令生成的节点使用整体笛卡儿坐标系。因此，实体模型和有限元模型可能 具有不同的坐标系，加载的方向也会因此而不同。 在缩减分析中，实体模型载荷不是很方便，此时，载荷施加于主自由度 （只能 节点而不能在关键点定义主自由度）。 不能显示所有实体模型载荷。 如前所述，在开始求解时，实体模型载荷将自动转换到有限元模型。ansys 将 改写任何已存在于对应有限元实体上的载荷。 载荷施加于有限元模型有如下优点： 在缩减分析中，可将载荷直接施加在主节点。 缺点： 任何对于有限元网格的修改都将使载荷无效，需要删除先前的载荷并在新 网格重新施加载荷。 不便使用图形拾取施加载荷。除非仅包含几个节点或单元。 3. 后处理 后处理是指检查并分析求解的结果的相关操作。这是分析中最重要的一环之一， 因为任何分析的最终目的都是为了研究作用在模型上的载荷是如何影响设计的。检 查分析结果可使用两个后处理器：post1（通用后处理器）和 post26（时间历程后 天津工程师范学院 2008 届本科生毕业论文 19 处理器）。 post1 允许检查整个模型在某一载荷步和子步（或某一特定时间点或频率）的 结果。 post26 可以检查模型的指定节点的某一结果项相对于时间、频率或其他结果项 的变换。 需要注意的是 ansys 的后处理器仅是用于检查分析结果的工具。要判断 一个分析的结果是否正确，或者对结果进行解释，仍然需要工程判断能 力。 6 6 ansysansys 中的模态分析中的模态分析 6.16.1 模态分析的定义模态分析的定义 模态分析用于确定设计机构或机器部件的振动特性(固有频率和振型)，即结构 的固有频率和振型，它们是承受动态载荷结构设计中的重要参数。同时，也可以作 为其他动力学分析问题的起点，例如瞬态动力学分析、谐响应分析和谱分析。其中 模态分析也是进行谱分析或模态叠加法谱响应分析或瞬态动力学分析所必需的前期 分析过程。 ansys 的模态分析可以对有预应力的结构进行模态分析和循环对称结构模态分 析。前者有旋转的涡轮叶片等模态分析，后者则允许在建立一部分循环对称结构的 模型来完成对整个结构的模态分析。ansys6.1 中的模态分析是一个线性分析。任 何非线性特性，如塑性和接触(间隙)单元，即使定义了也将被忽略。 6.26.2 模态提取方法模态提取方法 典型的无阻尼模态分析求解的基本方程是经典的特征值问题： 天津工程师范学院 2008 届本科生毕业论文 20 iiimk=2 其中： k刚度矩阵， i第 i 阶模态的振型向量(特征向量)， i第 i 阶模态的固有频率(是特征值)， 2i m质量矩阵 有许多数值方法可用于求解上面的方程。ansys6.1 提供了 7 种模态提取方法。 它们是： block lanczos (分块兰索斯)法 分块兰索斯(block lanczos)法特征值求解器采用 lanczos 算法，lanczos 算法是 用一组向量来实现 lanczos 递归计算。当计算某系统特征值谱所包含一定范围的固 有频率时，采用分块兰索斯(block lanczos)法提取模态特别有效。计算时，求解从 频率谱中间位置到高频端范围内的固有频率时的求解收敛速度和求解低阶频率时基 本上一样快。其特别适用于大型对称特征值求解问题。 subspace (子空间)法 subspace（子空间）法使用子空间迭代技术，它内部使用广义的 jacobi 迭代算法， 主要适用于大型对称特征值求解问题。可以用几种求解控制选项来控制子空间 迭代过程。 powerdynamics 法 powerdynamics 法适用于非常大的模型（100,000 个自由度以上）。此法特别适 合于只求解结构前几阶模态以了解结构将如何响应的情形，接着可以选择合适的提 取方法（subspace 或 block lanczos）求得最终的解。这种方法自动采用集中质量 （lumpm,on）。当在批处理或命令方式中使用 powerdynamics 方法时，首先应该 用命令 modopt,subspace，接着再用命令 eqslv,pcg。 reduced (缩减)法 reduced 法比 subspace 法快，因为它使用了缩减的系统矩阵采计算解。但是由 于缩减质量矩阵是近似矩阵，此法的精度较低。 unsymmetric (非对称)法 unsymmetric 法用于系统矩阵为非对称矩阵的问题，例如流体结构相互作用问 天津工程师范学院 2008 届本科生毕业论文 21 题。 damped (阻尼)法 damped 法用于阻尼不可忽略的问题，例如轴承问题。 qr damped (qr 阻尼)法 qr damped (qr 阻尼)法最关键的思想是，以线性合并无阻尼系统少量数目的特 征向量近似表示前几阶复阻尼特征值。采用实特征值求解无阻尼振型之后，运动方 程将转化到模态坐标系。然后，采用 qr 阻尼法，一个相对较小的特征值问题就可 以在特征子空间中求解出来了。 该方法能够很好地求解大阻尼系统模态解。由于该方法的计算精度取决于提取 的模态数目，所以建议提取足够多的基频模态，这样才能保证得到好的计算结果。 在大多数分析过程中将选用 subspace 法、reduced 法、block lanczos 法或 powerdynamics 法。unsymmetric 法和 damped 法只在特殊情形下会用到。在指定某 种模态提取方法后，ansys 会自动选择合适的方程求解器。在 ansys/linear plus 中 unsymmetric 法和 damped 法不可用16. 7 7 490q490q 柴油机曲轴柴油机曲轴自由模态的分析自由模态的分析 1）采用 ansys 由底向上建模法直接建模 2）对模型进行网格划分 3）采用模态分析 block lanczos (分块兰索斯)法进行求解 7.17.1 几何建模几何建模 采用 ansys 由底向上法直接建模。 第 1 步：设定分析范围 1 选取菜单 mainpreference 2 如图 7-1，单击 structure 选项使之为 on,单击 ok。 天津工程师范学院 2008 届本科生毕业论文 22 图 7-1 第 2 步 定义单元类型 1选取菜单途径 mainmenupreprocessorelement typeadd/edit/delete 2element types 对话框出现。 3单击 add。library of element type 对话框出现。 4在左边的滚动条框中单击“structural solid”. 5在右边的滚动框中单击“tet 10node 92”. 6单击 apply. 7单击 ok。 8单击 element type 对话框中的 close 按纽。 第 3 步：指定材料性能 1选取菜单途径 main menupreprocessormaerial propsmaterial models, 对话框出现。 2在对话框中分别单击 isotropic 和 density。 在两个对话框中分别输入 ex 为 2e+011，pexy 为 0.29，dens 为 7158。 天津工程师范学院 2008 届本科生毕业论文 23 图 7-2 第 4 步：生成关键点建模 1 选取菜单途径 main menupreprocessormodeling creatkeypointsin active cs 生成下列关键点： （0，-84，0） （0，-75，-35） （0，-60，-58） （0，-26，-58） （0，-8，-46） （0，80，-18） (0,84,-9) (0,84,0) (9,80,- 18) (0,-18,-50)。2 选取菜单途径 mainmenupreprocessormodeling creatlinesstraight line(splines)将关键点连接起来，其后图形如图所示： 图 7-3 天津工程师范学院 2008 届本科生毕业论文 24 3 选 取菜单途径 main menupreprocessormodelingcreatareasarbitraryby lines,选择 pick all,ok 完成。 4 选取菜单途径 mainmenupreprocessormodelingoperateareasalong normoal,选 择创建面，输入扩展距离 20。 图 7-4 5 选取映射命令（menupreprocessormodelingoperatereflectvolumes）,在 出现的 reflext volumes 菜单中选取 pick all,选取 x-y plane z 进行映射。 天津工程师范学院 2008 届本科生毕业论文 25 图 7-5 6 按照步骤 1 生成关键点（7，84，0）、（20，46，46）、（20，