有限元分析软件ANSYS机械设计课程实践教学中的应用研究

1、李威等：有限元分析软件在机械设计课程实践教学中的应用研究有限元分析软件在机械设计课程实践教学中的应用研究李威肖望强王小群卢梅（北京科技大学机械工程学院）摘要：阐述了在机械设计课程教学中运用软件进行有限元分析是今后机械设计发展的必然趋势。通过比较齿轮齿根弯曲应力的传统算法和有限元算法的计算步骤和精度，证明软件在机械设计中步骤少，计算精度高，还可以对一些传统方法无法完成的特殊零件进行分析计算，在机械设计课程计算机辅助教学中具有很强的实用价值。关键词：机械设计有限元分析计算机辅助教学齿根弯曲应力引言世纪是知识爆炸的时代，新事物、新知识层出不穷。当今的大学教育，不仅要向学生传授传统知识、现代技术，而且

2、应该能把学生引到现代技术的前沿，培养学生的实践能力和创新意识，最大限度的挖掘学生的潜能。是大型通用有限元分析软件。有限元法是一种采用电子计算机求解结构静、动态力学特性等问题的数值解法。由于有限元法具有精度高、适应性强以及计算格式规范统一等优点，已成为现代机械产品设计中的一种重要工具。在机械设计课程教学中，计算占了相当大的比重。无论是联接件，比如螺栓、键、销联接的计算，还是传动件，比如带传动、链传动的计算和齿轮、蜗杆传动的强度计算；以及轴的强度、刚度计算和轴承的计算等，都离不开大量的、繁琐的计算。计算贯穿了机械设计课程的始末。而有限元法可以比较容易的完成上述计算，并且可以对一些特殊曲面、箱体、复

3、合轴承等进行分析，还可以对常规零件的任何位置进行分析计算。而这些是常规计算公式所无法实现的。通过运用有限单元法，学生可以从另外一个角度更深入理解所学内容。将有限元分析结果和通过公式计算的结果进行比较，可以让学生更深入思考公式运用的前提条件、近似性与局限性，从而通过实际操作，对前沿方法有了较深入的认识，为将来的科研与工作打下良好基础。渐开线齿廓齿轮在传动件中最为重要、应用也最为广泛，是机械设计课程中的重点章节。齿轮强度的计算也是课程中工作量最繁琐的部分。下面就以渐开线直齿圆柱齿轮的齿根弯曲疲劳强度的计算为例，探讨在机械设计课程中用软件进行计算机辅助教学的步骤和方法。传统的直齿圆柱齿轮齿根弯曲疲劳

4、强度的计算传统方法把轮齿看作宽度为的矩形截面的悬臂梁。因此齿根处为危险剖面，它可用。切线法确定。如图所示。作与轮齿对称中心线成。角并与齿根过渡曲线相切的切线，通过两切点作平行与齿轮轴线的剖面，即齿根危险剖面。理论上载荷应由同时啮合的多对齿分担，但为简化计算，通常假设全部载荷作用于齿顶来进行分析，另用重合度系数对齿根弯曲应力予以修正。由材料力学弯曲应力计算方法求得齿根最大弯曲应力为，）丁，唧等兰乓形系数；圪是应力修正系数；是重合度系数。（）式中：是载荷系数；是齿轮传递的名义转矩；是齿宽；是齿轮分度圆直径：肌是模数；是齿全国机械设计教学研讨会议（图齿根危险剖面的应力图齿轮有限元模型用有限元法对直齿

5、圆柱齿轮齿根弯曲疲劳强度进行计算（）建立几何模型在软件中，根据圆柱直齿轮的齿廓和过渡曲线坐标建立几何模型。齿轮具当轮齿受力时，齿轮体不可能是绝对刚性，与轮齿相连部分也有变形，当体参数为分度圆压力角是。，模数是，齿顶高系数是，顶隙系数是，齿数是。（）约束条件和边界处理离齿根的深度大于或等于模数的倍时基本上不再受影响，可以近似看作该处的实际位移为零；另外，两侧齿间中点处的位移很小，可以忽略不计，也可以认为该处的实际位移为零，这样即可划定其零位移约束边界。模型中，可在零位移约束边界的各节点处安装铰支座来实现。因此，对于单齿模型，若齿轮的模数为，则零位移约束边界的范围为：横向宽取，纵深方向距齿根圆弧最

6、低点取。（）单元类型的选择在有限元计算模型中，选择具有八个节点二十四个自由度的四边形单元。这是因为齿轮轮齿齿廓形状为渐开线，采用四边形单元能较好地逼近齿轮齿廓的曲边形状；八节点四边形等参单元是采用通过边界上三个节点的二次抛物线来局部近似代表齿根曲线的，这与三角形单元以直线边界来代表曲线边界相比，显然大大地提高了对原边界曲线的拟合性，减少了在离散化过程中，因求解区域的近似处理带来的误差。（）进行网格划分根据齿轮上应力分布的情况，在应力梯度较大的齿根区域网格划分的细密一些，在应力变化比较平缓的区域网格划分的稀疏一些。划分网格后模型如图所示。（）轮齿的作用载荷由于当载荷作用在在单齿啮合上界点处时，齿

7、根弯曲应力达到最大值，故将载荷置于齿轮单齿啮合上界点。当齿轮传动功率，齿轮转速时，齿宽时，传递的名义转矩。水平与垂直分力分别为（），灯（口）。式中，口是单齿啮合上界点的载荷角，如图所示。（）求解应用软件对所建立的模型进行分析。弹性模量取为唯，泊松比取为。所得的应力等值线如图所示，由此图可以看出应力的分布情况。轮齿的中间和上部的应力较小，齿根过渡曲线处应力较大，最大应力出现在。切线法所确定的危险截面附近，由中间向两边齿侧逐渐增大。而且通过软件还可以分析齿轮综合位移以及齿廓任意点受载时的应力和位移等值线，载荷作用于节点时应力和位移等值线如图和图所示。传统算法与有限元算法的比较传统算法的初始条件见表

8、，功率和转速与有限元法相同，载荷系数取，代入式（）可得齿轮齿根危险截面弯蓝应力吼，有限元法计算结果。在传统算法中，重合度系数匕已经将载荷作用于齿顶时的弯曲应力转换成载荷作用于单齿啮合上界点李威等：有限元分析软件在机械设计课程实践教学中的应用研究时的弯曲应力；而有限元算法中，是将载荷直接加在单齿啮合上界点，故可以直接比较结果。可见有限元计算结果与传统方法计算结果误差为。由此：可见，软件在机械设计中的精确度是很高的，而且人工计算量比传统方法小很多。除此之外，软件还可以对一些特殊零件进行分析计算，如复合型轴承、复杂曲面的箱体等。而这些是传统方法无法完成的。比如现在新兴的一种双压力角非对称齿廓渐开线齿

9、轮，具有承载能力高，振动低，重量轻等优点。由于非对称齿轮两边压力角不同，故无法通过传统方法计算分析，而用有限元法只要输入齿廓坐标建模就可以很轻松地对其进行计算分析。图节点的应力等值线图节点的位移等值线结论在机械设计课程教学中，与有限元分析软件应用相结合，可以大大减少学生计算工作量，提高计算、设计的效率。通过比较软件和传统方法的计算结果，可以让学生更深入思考机械设计中的细节问题，提高学生对机械设计课程的学习兴趣，巩固他们所学的知识。通过对齿轮弯曲应力的传统算法和有限元算法的比较，可以看出有限元算法的精度是比较高的，人工计算量比传统算法要小很多，而且对一些传统算法无法求解的特殊曲面、箱体、复合轴承

10、等以及常规零件的任意位置也可以进行计算分析，为学生将来的科研、工作打下良好的基础。参考文献邓宗全机械设计及机械原理教学改革的理论与实践哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，濮良贵，等机械设计北京：高等教育出版社，李华敏。韩元莹，王知行渐开线齿轮的几何原理与计算北京：机械工业出版社，吴继泽，王统齿根过渡曲线与齿根应力北京：国防工业出版社，龚淮义，陈式椿，王永洁渐开线圆柱齿轮强度计算与结构设计北京：机械工业出版社，有限元分析软件ANSYS在机械设计课程实践教学中的应用研究作者：作者单位：李威， 肖望强， 王小群， 卢梅北京科技大学机械工程学院相似文献(10条)1.学位论文 李实 阶梯轴的有限元分析及其优化

11、专用软件的开发 2008阶梯轴是组成机械的重要零件之一，其结构参数和加工工艺水平不仅影响着整个机械的尺寸和重量，也在很大程度上影响着机械的可靠性与寿命。因此阶梯轴的设计计算是机械设计必不可少的重要组成部分。以往阶梯轴的设计计算，工程技术人员往往是采用传统的机械设计理论进行计算，导致计算结果的不准确，设计计算效率低。随着现代有限元技术的日益完善，完全可以在保证精度的前提下对阶梯轴进行快速、精确的数值模拟与优化。针对不熟悉有限元分析和优化的一般工程技术人员，本文采用ANSYS的参数化设计语言APDL与Visual C+相结合的基础上，开发了阶梯轴的有限元分析及其优化专用软件，使得一般工程技术人员能

12、快速对阶梯轴进行参数化设计、有限元分析与优化。 该系统共包括四个部分：用户界面模块、ANSYS计算模块、Visual C+调用接口模块和后处理模块。采用Visual C+语言来编制用户界面模块，用ANSYS的参数化设计语言APDL编写ANSYS计算模块，并通过Visual C+调用接口模块，将Visual C+与APDL编写的命令流嵌套起来：用Visual C+将APDL命令流写入指定的文本文件中，并提取对话框控件中的数据赋给APDL中的数据变量，然后通过批处理方式启动ANSYS调用APDL命令流进行建模、网格划分、载荷施加以及计算等有限元分析过程，计算完毕之后针对阶梯轴现有结构的薄弱环节，进

13、行优化设计。以阶梯轴为优化对象，以提高性能和节约成本为优化目标。利用ANSYS的APDL参数化设计语言，选用ANSYS自带的优化工具完成阶梯轴的优化，使阶梯轴结构重量最轻，并具有良好的强度性能。最后通过将该系统应用于六阶阶梯轴的实例，并将该实例的理论分析与有限元分析值进行比较，验证了该系统的可行性和计算结果的可参考性。 该软件的开发，实现了阶梯轴建模和分析计算的自动化、智能化，大大减小阶梯轴建模与分析的工作量，提高了新产品研发效率。尤其是计算精度得到了很大提高，这将为一般工程计算人员设计重要的阶梯轴提供了方便实用的软件系统。2.学位论文 孙群 JHX-5新型调度及回柱两用绞车的仿真设计与有限元

14、分析 2007本文对JHX-5新型调度及回柱两用绞车的仿真设计与有限元分析进行了研究。文章首先在理论上推导出JHX-5新型调度及回柱两用绞车的基本参数计算，确定JHX-5新型调度及回柱两用绞车滚筒在运动过程中的受力极限条件，为后面使用ANSYS对滚筒进行有限元分析提供了可靠依据。其次，利用三维工程设计软件Solidworks对JHX-5新型调度及回柱两用绞车零部件3D建模、虚拟装配和二维工程图转化；然后将三维模型转换到ANSYS环境中来，对JHX-5新型调度及回柱两用绞车滚筒进行有限元分析。实现JHX-5新型调度及回柱两用绞车运动状态的可视化，为进一步分析渐开线少齿差运动学、动力学性质奠定基础

15、。最后，提出JHX-5新型调度及回柱两用绞车性能的实验方案，并加以比较，确定了最佳实验方案。3.学位论文 何晓慧 大型港机结构CAD/CAE一体化中的有限元分析 2007岸边集装箱起重机是集装箱码头的主力装卸设备和标志性建筑，其在我国各大港口中的地位和作用，历来为人们所重视和关注。岸边集装箱起重机作为港口码头重要的技术物质基础，它体现了港口的生产力水平。在岸边集装箱起重机中，结构件的费用要占整机的很大部分。随着集装箱运输业的不断发展，对集装箱起重机的设计、制造提出了更高的要求。 本文主要针对这一现状完成了两方面的研究：一是为了提高设计的质量和效率，将CAD/CAE一体化应用于大型港机结构的设计

16、中。限于论文的篇幅与时间，主要对一体化进程中有限元分析若干关键问题以及难点的实现，为今后港口机械的设计以及CAD/CAE一体化的发展做了开创性和探索性的工作。二是讨论了设计过程中影响起重机金属结构的因素，并提出相应的改进措施。 针对第一个问题，目前港机三维设计的过程中，还未能很好地实现CAD与CAE之间的集成。在集成的过程中，仍存在着两种软件之间的数据通信问题，模型信息的完全传递等问题需要解决。本文通过SQL数据库将(2AD与CAE相关联，完成数据由CAD模型向CAE模型的传递。同时淘汰了目前不少设计部门采用手工软件对话方式进行有限元分析，通过VB程序对由CAD设计人员建立的数据库进行查洵，运

17、用大型通用有限元软件ANSYS中的APDL语言编程建立目动生成岸边集装箱起重机模型的参数化程序宏文件，并实现后处理的自动分析等功能，之后将分析的结果与模型中存在的问题反馈给CAD设计人员，待设计人员对三维模型进行修改之后，设计人员会同步更新SQL Server数据库，然后再次运行ANSYS的APDL程序宏文件进入CAE分析过程。如此反复，最终得到修改完成的模型。为CAD/CAE一体化设计提供一条道路，同时也通过修改数据库中的数据实现CAD中的实体模型与CAE中的有限元模型的同步更新。三维模型信息数据? 针对第二个问题，岸边集装箱起重机金属结构的影响因素很多，有强度方面的静强度和疲劳强度；刚度方

18、面的静刚度和动刚度；稳定性方面的整体稳定性和局部稳定性。本文分别从这几个角度进行分析，给出设计中改进的方案，使得设计更加安全合理。4.会议论文 王青温.杜永平.洪建萍.徐双满 COSMOSDesignSTAR引入机械设计课堂教学初探本文介绍了将COSMOSDesignSTAR引入机械设计教学中所做的尝试工作.在课堂中,利用COSMOS,通过对受拉螺栓的有限元分析与传统计算的比较,以及螺母结构改变前后的有限元分析对比计算,给学生提供了非常直观、形象的结论,从而使教学质量上升一个层次。5.期刊论文 郭越 基于CATIA直齿圆柱齿轮的有限元分析 -延边大学农学学报2009,31(4)以CATIA为开

19、发平台,机械设计、分析与模拟模块为开发工具,对标准直齿圆柱齿轮进行精确的三维建模和有限元分析,结果得到齿轮的网格图、应力分布图及位移分布图,为齿轮的可靠性设计提供重要依据.6.学位论文 胡玮 多齿轮泵的基础理论与有限元分析 2007本文对多齿轮泵的基础理论与有限元分析进行了探讨。文章在综合分析普通外啮合齿轮泵的工作特性的基础上，对多齿轮泵的结构原理、啮合点位移及其交变规律、流量特性等作了较为深入的理论研究；对多齿轮泵的流量特性进行了仿真分析，仿真结果与理论分析相一致，结果显示多齿轮泵的流量特性明显优于普通齿轮泵；对多齿轮泵的静力学特性作了分析，证明了中心轮径向液压力、啮合力及总作用力平衡。7.

20、期刊论文 李平化.周华祥.龙华.彭海斌.LI Ping-hua.ZHOU Hua-xiang.LONG Hua.PENG Hai-bin 铝车轮设计的有限元分析 -装备制造技术2006(4)随着计算机技术的迅速发展,有限元分析技术在机械设计中得到了越来越广泛的重视和应用.通过有限元分析技术,可以预先发现设计中潜在的问题,增强产品可靠性,并可实现缩短产品开发周期,降低开发成本等.本文介绍了在铝车轮产品设计开发中,通过应用I-DEAS软件对铝车轮的结构强度进行有限元分析,搭建一个连接产品设计与制造的验证平台.8.学位论文 唐志祥 P130E-1装载机驱动桥桥壳有限元分析 2006本文对P130E-

21、1装载机驱动桥桥壳进行了有限元分析。文章首先对驱动桥壳的工作状况进行分析归类，分四种工况计算出桥壳的受载情况，然后运用有限元分析软件ANSYS，建立起桥壳每种工况的有限元模型，并进行有限元分析，获得桥壳在各工况下的静态特性，判断桥壳的结构是否符合设计要求。然后对桥壳进行静态应力测试，测得桥壳在特定工况下的应力在桥壳上的分布及各部位应力的大小，确定桥壳的危险部位，为进一步的优化设计提供依据，并依据试验结果验证有限元分析的正确性。9.学位论文 刘清龙 高速压片机的有限元分析与结构修改 2007随着全球市场和全球制造的形成，全球机床业发展迅速，世界机床逐渐朝着高速化、精密化、高效能、系统化和复合化的方向发展。我国机床行业自主创新开发能力差、技术水平低的现状正面临强有力的竞争和严峻挑战。面对世界经济全球化的大趋势和入世后新的市场环境，要想在国际社会中更好地参与市场竞争，实现我国机床行业的高速发展，必须不断开发新产品，提高产品档次，以满足市场多样化的需求。 有限元分析和结构优化等CAE技术的应用，对于缩短产品开发周期，提高产品质量，降低制造成本，增强企业竞争力具有重要意义。本论文以高速压片机为研究对象，利用有限元分析软件ANSYS作为分析工具，进行有限元静、动态特性分析，并根据分析结果对结构进行修改和力的优化，在重