轮子的受力分析要点

1、燕山大学专业综合训练说明书题目：轮子的受力分析 学院（系）：车辆与能源学院年级专业：热能工程09-1学 号：090113020020学生姓名：邓福璐指导教师：于敏之张静教师职称：副教授讲师燕山大学专业综合训练任务书院（系）：车辆学院基层教学单位：热能与动力工程系学号090113020020学生姓名邓福璐专业（班级）热能09设计题目轮子的受力分析设计技术参数角速度为：w=525rad/s材料属性为：杨氏模量E=30*10e6泊松比为0.3密度为 0.000731bf-s 2/in 4设 计 要 求1、掌握Ansys建模方法，建立轮子受力分析仿真模型；2、正确设定边界条件和收敛目标；3、完成网格划

2、分；4、进行仿真计算；5、提取结果进行分析；6、编写设计与计算说明书。工作量1、撰写5000字左右设计分析说明书一份；2、设计体会一份。工 作 计 划1、ANSY漱件学习，第 1-5天；2、 收集实际分析资料，确定实际题目，设计仿真模型第6-10天；3、 边界条件设定、网格划分、仿真计算，第10-13天；4、 结果提取与分析，第14-17天；5、 编写设计与计算说明书与心得体会，第18-20天。参 考 资 料1、ANSYST程应用实例解析龚曙光机械工业出版社指导教师签字基层教学单位主任签字说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。2012年11月19日2燕山 大学综合训练

3、说明书轮子的受力分析一. 问题描述如图为轮子的三位示意图，基本尺寸已知，现分析轮子仅承受y轴旋转角速度的作用下轮的受力及变形情况。已知：轮子角速度为：w=525rad/s材料属性为：杨氏模量E=30*10e6泊松比为0.3密度为 0.000731bf-s2/in4由上面给出带轮的三维结构图可以知道该带轮的几何形状是严格轴对称 的，是相对对称轴的旋转体。则根据该轮的对称性，在分析时只要分析其中 的一部分即可，1有轮子的结构特点，选择分析的有限元模型如图：DEC 11 2012TYPE NUM10：41：16这是一个三维问题，结构复杂，要采用自有网格划分和映射网格划分相结合的分析模式，不能直接由2

4、D网格直接拖拉生成3D网格，其具体步 骤和过程如下：1. 先建立三维几何模型；2. 根据三维模型特点，对三维模型进行分割， 是其中一部分模型能够采用映 射网格方式划分，其余部分可用自由网格划分。3. 对划分网格可连接处进行网格转换。4. 施加对称约束和角速度5. 求解分析6. 结果显示二. 建模及网格划分该分析为结构静力分析，求解轮子在载荷的作用下所受到的应力。建模 方法为自底向上的建模，即先定义最低级的图元关键点，然后有关键点定义 较高级别的面和体，得到轮子的二维和三维模型。由于该结构为不规则零件， 不满足映射网格的划分条件，因此该模型划分网格方法结合自由网格和映射 网格划分并且在过渡处要用

5、金字塔单元过渡，即混合网格划分法。本次模拟用到的网格划分方法介绍：1、自由网格划分自由网格划分是自动化程度最高的网格划分技术之一，它在面上（平面、曲面）可以自动生成三角形或四边形网格， 在体上自动生成四面体网格。通常 情况下，可利用ANSYS勺智能尺寸控制技术（SMARTSIZE命令）来自动控制网 格的大小和疏密分布，也可进行人工设置网格的大小（AESIZE、LESIZE、KESIZE ESIZE等系列命令）并控制疏密分布以及选择分网算法等（MOPT命 令）。对于复杂几何模型而言，这种分网方法省时省力，但缺点是单元数量通 常会很大，计算效率降低。2、映射网格划分映射网格划分是对规整模型的一种规

6、整网格划分方法，其原始概念是：对于面，只能是四边形面，网格划分数需在对边上保持一致，形成的单元全 部为四边形；对于体，只能是六面体，对应线和面的网格划分数保持一致；形成的单元全部为六面体。在 ANSY鋪，这些条件有了很大的放宽，包括：面 可以是三角形、四边形、或其它任意多边形。对于四边以上的多边形，必须 用LCCAT命令将某些边联成一条边，以使得对于网格划分而言，仍然是三角 形或四边形；或者用AMA命令定义3到4个顶点（程序自动将两个顶点之间的 所有线段联成一条）来进行映射划分。面上对边的网格划分数可以不同， 但有 一些限制条件。面上可以形成全三角形的映射网格。体可以是四面体、五面 体、六面体

7、或其它任意多面体。对于六面以上的多面体，必须用ACCAT命令将某些面联成一个面，以使得对于网格划分而言，仍然是四、五或六面体。 对于三维复杂几何模型而言，通常的做法是利用ANSYSF尔运算功能，将其切割成一系列四、五或六面体，然后对这些切割好的体进行映射网格划分。3、混合网格划分混合网格划分即在几何模型上，根据各部位的特点，分别采用自由、映 射、扫略等多种网格划分方式，以形成综合效果尽量好的有限元模型。混合 网格划分方式要在计算精度、计算时间、建模工作量等方面进行综合考虑。 通常，为了提高计算精度和减少计算时间，应首先考虑对适合于扫略和映射 网格划分的区域先划分六面体网格，这种网格既可以是线性

8、的（无中节点）、也可以是二次的（有中节点），如果无合适的区域，应尽量通过切分等多种布 尔运算手段来创建合适的区域（尤其是对所关心的区域或部位）；其次，对实在 无法再切分而必须用四面体自由网格划分的区域，采用带中节点的六面体单 元进行自由分网（自动退化成适合于自由划分形式的单元），此时，在该区域 与已进行扫略或映射网格划分的区域的交界面上，会自动形成金字塔过渡单 元（无中节点的六面体单元没有金字塔退化形式）。三. 操作步骤1设置单元类型及材料属性在单元类型设置项“ Structural Solid ”中选择单元类型为“ Brick 8node 45”和“ Brick 20node 95”在材料属

9、性项中设置轮子的杨氏模量为 E=30*10e6, 泊松比为 0.3，密度为 0.000731bf-s2/in4 。2.建立2D模型燕山 大学综合训练 说明书先建立二维模型，生成矩形面，其中各个平面的参数为：面1: X仁1.0,X2=1.5,Y1=0,Y2=5.0;面 2:X1=3.25,X2=3.75, Y1=1.5,Y2=2.25;面 3:X1=1.0, X2=3.75, Y1=1.5, Y2=2.25.将生成的二维平面进行叠分操作，并设置倒角（半径R=0.25），生成圆弧线， 最后将面相加和线相加得到轮子截面的2D模型如下图：1DEC 11 201209:51:11AREASTYPE NU

10、ML8_6wheel-analL12L2L5DAILUNDEC 11 201209:57:53图一轮子截面的2D模型3.通过拖拉形成3D模型确立生成轴线的关键点，输入关键点“ X=0,Y=0'和“X=0, 丫=5'。以圆弧 角22.5度，由2D模型拖拉形成3D实体模型，取消线号，改变视图方向，经 调整得到下图：ESYZ f XTYPE NUM4. 生成一个圆柱孔先激活工作面，然后移动并旋转工作面到一个合适的位置，在体设置项中设计圆柱体（参数R=0.45, H=0.75）,通过体相减减去编号为“ V2'的体，即VOLUMESDEC 11 2012 圆柱体。得到去孔的部分模

11、型，如图所示：10:41:16图三去孔的部分模型DEC 11 201210:51:255. 生成网格将得到的3D模型分别拾取关键点“ 9” “ 11”然后在关键点处用工作平面 进行切分。在“ MeshTool”中分别设置单元尺寸，拾取编号为V1,V2,V3,V5四部分体采用映射网格划分成单元，选择“ Hex”和“ Map ped划分得到映射网格如下图：ELEMENTS燕山 大学综合训练 说明书DEC 11 201210:53:19YXZDAILUN1ELEMENTS/EXPANDED图五自由网格和映射网格DEC 12 201209:31:08图四映射网格划分剩下的V6部分采用自由网格划分单元，

12、选择“ Tet ”和“ Free”得到整体iELEME的网格划分图：123图六整体的有限元分析模型燕山大学综合训练说明书7.施加载荷并求解在拾取面 A20, A39, A7, A40, A26, A1 和面 A15, A22, A3, A34, A41 上施加对称约束，然后在关键点 1处施加UY=0的约束，在“ OMENG输入施 加的旋转角速度525rad/s，施加载荷完毕.选择PCG预条件共轭梯度求解器） 迭代求解器，开始求解运算，当出现一个“ Solution is done ”的信息提示 框后，关闭，求解运算结束。浏览分析结果得到分布图。轮子的Von Mises应力分布图如下：1ELEM

13、ENTSUNFORRFOROMEG123图七施加应力矢量图 ANDEC 12 201209:23:51四. 结果分析轮子的应力分布图（部分和整体）：1NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =1TIME=1SEQV (AVG)DMX =.186E-03SMN =1.584SMX =23981.584534.19610671599800.503'1333ANDEC 12 201209:24:56267.89186621322398123图八应力分布图1NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =1TIME=1 /EXPANDEDSEQV (AVG)DMX =.186E-03

14、SMN =1.584SMX =2398ANDEC 12 201209:27:481.584534.196106715992132267.89800.503133318662398图九整轮应力分布图1NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =1TIME=1/EXPANDEDUSUM (AVG)RSYS=0DMX =.186E-03SMX =.186E-03DEC 12 201222:51:360412E-04.825E-04.124E-03.165E-03.206E-04.619E-04.103E-03.144E-03.186E-03123图十 显示节点位移云图：从轮子的应力分布图上（图

15、八）可知轮子在圆孔周围及内轮缘下半部分 和外轮缘的大部分表面的应力较大，而内轮缘上半部分几乎没有应力集中， 应力最小。其中最大应力出现在内轮缘下半部分与轮辐的结合处，最大为 2398N/m，而最小应力出现在内轮缘上半部为 1.584N/m2。从整体分布来看（图 九），应力在外轮辕分布较为集中，但应力不是很大。从节点位移云图（图十） 上看，节点位移主要在轮辐与轮缘的接合面处。因此在制造带轮时为保证轮 子的强度及寿命，一定要保证轮子轮辐与轮缘的接合面处的强度，防止轮子 在过大负荷时出现应力断裂疲劳损坏等情况。燕山 大学综合训练 说明书心得体会ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体

16、的大型通用 有限元分析软件，它可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。 在这次训练中，我利用了该软件解决了轮子在只承受绕丫轴旋转角速度作用下的受力及变形情况。Ansys有限元最重要的是建模，模型是合理的简化，也就是说在建立模 型的时候，一定要简化，而且要合理。我个人觉得一个模型是否好，一是能 说明问题，二是模型要简单，越简单越好，其实这种简单合理模型的物理意 义，力学概念是很清晰的，建模最忌的是面面俱到。学习ANSYS勺过程实际上是一个不断解决问题的过程，问题遇到的越多，解决的越多，实际运用 ANNSY的能力才会越高。对于我们初学者，必将会遇到许许多多的问题，对 遇到的问题最好能记下

17、来，认真思考，逐个解决，积累经验。在这为期一个月的综合训练中，我遇到了很多问题，在老师和同学的帮 助下，并且通过自己的努力，终于解决了问题，基本达到了综合训练的要求。 使自己在课堂上学到的知识得到了运用，进一步的掌握了有限元分析法。并 且对有限元软件ANSYSt了更好的认识，操作的熟练程度大大的得到了提高。 这次综合训练不仅培养了我独立思考、动手操作的能力也有了提高。同时我明白了在今后社会的发展和学习实践过程中，一定要不懈努力， 不能遇到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦的发现问题所在，然后一一进 行解决，只有这样，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荆斩 棘，而不是知难而退，那样永远不

18、可能收获成功，收获喜悦，也永远不可能 得到社会及他人对你的认可！此次设计也让我明白了思路即出路，有什么不 懂不明白的地方要及时请教或上网查询，只要认真钻研，动脑思考，动手实 践，就没有弄不懂的知识。最后感谢张老师和同学对我的帮助与细心指导，使我能够学到很多知识并顺 利完成任务。燕山大学综合训练评审意见表指导教师评语：（1）任务完成情况：按照任务书要求（很好、比较好、一般、较差）完成规定的任务量；（2） 纪律、态度：工作作风（特别、比较、不够）严谨扎实；工作（非常、比较、不够）努力；（3）分析与解决问题的能力：（能、基本能、不能）运用所学知识和技能去发现与解决实际问题;（4）综合训练论文质量： 文字通顺，编号齐全、书写工整规范；图表完备、符号统一、整洁、正 确，技术用语准确，有见解；论述充分