对六方孔头用螺钉扳手受力分析及对机械结构和有限元分析

1、对六方孔头用螺钉扳手受力分析及对机械结构和有限元分析简介201030101034 李冠序 通过几周的虚拟样机学习，我深刻的体会到了这是一门对于机械专业的学生十分有用并且十分有趣的学科，其通过计算机软件与工程师之间的有机交流，使得一些在过去十分棘手的问题可以在计算机上迎刃而解。使得处理问题的效率与准确度大幅提升，是我们在今后生产工作中的得力助手机械结构分析结构分析是对物体应力分析的基础，通过对结构的准确分析可以预见力对机械结构的影响。如果机械结构的分析不准确，会造成应力分析偏差，对以后的实际操作将造成难以估量的损失甚至是危险。以下将对机械结构分析作出简介：当机械或工程结构工作时，结构将受到载荷的

2、作用。在载荷（外力）作用下，若结构内部任意两点之间发生相对位移，这样的物体叫做变形体，它与材料的物理性质密切相关。当载荷超过一定限度时，结构将会发生过度变形或破坏。为保证机械或工程结构的正常工作，一般需要考虑如下要求：强度要求在规定载荷作用下，结构应当不被破坏，即结构应有足够的抵抗破坏的能力。刚度要求在载荷作用下，结构即使有足够的强度，但若变形过大，仍不能正常工作。因此刚度要求就是指结构应有足够的抵抗变形的能力。稳定性要求即结构应有足够的保持原有平衡形态的能力。此外，在有些情况下，需要考虑结构在外载作用下的变形或破坏过程，以保证工程设计的要求，如发射装置中的变形缓冲结构或易碎盖等。针对机械或工

3、程结构进行计算分析，考察其是否满足上述基本要求是结构分析的主要任务。有限元分析有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。 有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。有限元的概念早在几个世纪前就已产生并得到了应用，例如用多边形（有限个直线单元

4、）逼近圆来求得圆的周长，但作为一种方法而被提出，则是最近的事。有限元法最初被称为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。有限元方法与其他求解边值问题近似方法的根本区别在于它的近似性仅限于相对小的子域中。20世纪60年代初首次提出结构力学计算有限元概念的克拉夫教授形象地将其描绘为：“有限元法=Rayleigh Ritz法+分片函数”，即有限元法是Rayle

5、igh Ritz法的一种局部化情况。不同于求解满足整个定义域边界条件的允许函数的Rayleigh Ritz法，有限元法将函数定义在简单几何形状的单元域上，且不考虑整个定义域的复杂边条件，这是有限元法优于其他近似方法的原因之一。对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元求解法的基本步骤是相同的，只是具体公式推导和运算求解不同。有限元求解问题的基本步骤通常为： 第一步：问题及求解域定义：根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域。 第二步：求解域离散化：将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限个单元组成的离散域，习惯上称为有限元网络划分。显然单元越小（网络越细）则离散域的近似程度越好

6、，计算结果也越精确，但计算量及误差都将增大，因此求解域的离散化是有限元法的核心技术之一。 第三步：确定状态变量及控制方法：一个具体的物理问题通常可以用一组包含问题状态变量边界条件的微分方程式表示，为适合有限元求解，通常将微分方程化为等价的泛函形式。 第四步：单元推导：对单元构造一个适合的近似解，即推导有限单元的列式，其中包括选择合理的单元坐标系，建立单元试函数，以某种方法给出单元各状态变量的离散关系，从而形成单元矩阵。 为保证问题求解的收敛性，单元推导有许多原则要遵循。 对工程应用而言，重要的是应注意每一种单元的解题性能与约束。例如，单元形状应以规则为好，畸形时不仅精度低，而且有缺秩的危险，将

7、导致无法求解。 第五步：总装求解：将单元总装形成离散域的联合方程组，反映对近似求解域的离散域的要求，即单元函数的连续性要满足一定的连续条件。总装是在相邻单元结点进行，状态变量及其导数（可能的话）连续性建立在结点处。 第六步：联立方程组求解和结果解释：有限元法最终导致联立方程组。联立方程组的求解可用直接法、迭代法和随机法。求解结果是单元结点处状态变量的近似值。对于计算结果的质量，将通过与设计准则提供的允许值比较来评价并确定是否需要重复计算。 简言之，有限元分析可分成三个阶段，前置处理、计算求解和后置处理。前置处理是建立有限元模型，完成单元网络划分；后置处理则是采集处理分析结果，使用户能简便提取信

8、息，了解计算结果。下面是我利用所学的相关知识进行的机械结构分析（有限元）。实验原理：利用ANSYS进行有限元静力学分析。实验内容与步骤：1）熟悉ANSYS的界面和分析步骤；2）掌握ANSYS前处理方法，包括三维建模、单元设置、网格划分和约束设置；3）掌握ANSYS求解和后处理的一般方法；4）实际应用ANSYS软件对扳手零件进行有限元分析。实体模型（如图所示）为一六方孔头用螺钉扳手，在手柄端部加斜向上的面力100N，然后在加向下的面力20N，本实验的目的是算出在这两种外部载荷的作用下扳手的应力分布。详细参数如下： 弯曲半径：1cm 弹性模量：2.07*10的11次方Pa分析步骤改变工作名拾取菜单

9、Utility MenuFileChange Jobname。弹出对话框，在“/FILNAM” 文本框中输入banshou ，单击“Ok”按钮。分析步骤改变工作名拾取菜单Main MenuPreferences。弹出对话框，选中“Structural”项，单击“Ok” 按钮。 创建单元类型拾取菜单Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete。弹出对话框，单击“Add”按钮；弹出对话框，在左侧列表中选“Structural Solid”，在右侧列表中选“Quad 4node 42”， 单击“Apply” 按钮；再在右侧列表中选“Brick 8n

10、ode 45”, 单击“Ok” 按钮；单击对话框的“Close”按钮。定义材料特性拾取菜单Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial Models。弹出对话框，在右侧列表中依次双击“Structural”、 “Linear”、“Elastic”、“Isotropic”，弹出对话框，在“EX”文本框中输入2.06e11（弹性模量），在“PRXY” 文本框中输入0.3（泊松比），单击“Ok” 按钮，然后关闭对话框。拾取菜单Main MenuPreprocessorModelingCreateAreasPolygonHexagon。弹出拾取窗口，在“WP

11、X”、“WP Y”和“Radius”文本框中分别输入0、0和0.01，单击“Ok” 按钮。改变视点拾取菜单Utility MenuPlotCtrlsPan Zoom Rotate。在弹出的对话框中，依次单击“Iso”、“Fit”按钮。显示关键点、线号拾取菜单Utility MenuPlotCtrlsNumbering。在弹出对话框中，将关键点号和线号打开，单击“Ok” 按钮。创建关键点拾取菜单Main MenuPreprocessorModelingCreateKeypointsIn Active CS。弹出图9所示的对话框，在“NPT”文本框中输入7，在“X,Y,Z”文本框中分别输入0,0,

12、0，单击“Apply” 按钮；在“NPT”文本框中输入8，在“X,Y,Z”文本框中分别输入0,0,0.05，单击“Apply” 按钮；在“NPT”文本框中输入9，在“X,Y,Z”文本框中分别输入0,0.1,0.05，单击“Ok”按钮。创建直线拾取菜单Main MenuPreprocessorModelingCreateLinesLinesStraight Line。弹出拾取窗口，分别拾取关键点7和8、8和9，创建两条直线，单击“Ok” 按钮。 创建圆角拾取菜单Main MenuPreprocessorModelingCreateLinesLine Fillet。弹出拾取窗口，分别拾取直线7、8

13、，单击“Ok” 按钮，弹出对话框，在“RAD”文本框中输入0.015，单击“Ok” 按钮。创建直线拾取菜单Main MenuPreprocessorModelingCreateLinesLinesStraight Line。弹出拾取窗口，分别拾取关键点1和4，单击“Ok” 按钮。将六边形面划分成两部分拾取菜单Main MenuPreprocessorModelingOperateBooleansDivideArea by Line。弹出拾取窗口，拾取六边形面，单击“Ok” 按钮；再次弹出拾取窗口，拾取上一步在关键点1和4间创建的直线，单击“Ok” 按钮。划分单元拾取菜单Main MenuPre

14、processorMeshingMeshTool。弹出对话框，单击“Size Controls”区域中“Lines”后“Set”按钮，弹出拾取窗口，拾取直线2、3、4，单击“Ok” 按钮，弹出对话框，在“NDIV”文本框中输入3，单击“Apply” 按钮；再次弹出拾取窗口，拾取直线7、9、8，单击“Ok” 按钮，删除“NDIV”文本框中的3，在“SIZE”文本框中输入0.01，单击“Ok” 按钮。在“Mesh”区域，选择单元形状为“Quad”（四边形），选择划分单元的方法为“Mapped”（映射）。单击“Mesh” 按钮，弹出拾取窗口，拾取六边形面的两部分，单击“Ok” 按钮。显示直线拾取菜单

15、Utility MenuPlotLines。由面沿直线挤出体拾取菜单Main MenuPreprocessorModelingOperateExtrudeAreasAlong Lines。弹出拾取窗口，拾取六边形面的两部分，单击“Ok” 按钮；再次弹出拾取窗口，依次拾取直线7、9、8，单击“Ok” 按钮。清除面单元拾取菜单Main MenuPreprocessorMeshingClearAreas。弹出拾取窗口，拾取z=0的两个平面，单击“Ok” 按钮。面单元模拟着一个平面结构，如果不清除掉的话，分析模型实际是有两个结构。显示单元拾取菜单Utility MenuPlotElements。 施加

16、约束拾取菜单Main MenuSolutionDefine LoadsApplyStructuralDisplacementOn Areas。弹出拾取窗口，拾取z=0的两个平面，单击“Ok” 按钮，弹出对话框，在列表中选择“All DOF”，单击“Ok” 按钮。施加载荷：（1）建立局部坐标系：拾取菜单：Utility MenuWorkPlaneLocal Coordinate SystemsCreate Local CSAt Specified Loc+选取载荷100所在面最顶部8个节点。单击OK按钮。显示对话框，在local x输入60。然后点击OK。拾取菜单：Main MenuPrepro

17、cessorModelingCreateNodesRotate Node CSTo Active CS。拾取菜单：Main MenuPreprocessorModelingMove/ModifyRotate Node CSTo Active CS。拾取菜单Main MenuSolutionDefine LoadsApplyStructuralForce/MomentOn Keypoints。弹出拾取窗口，拾取扳手长臂端面的六个顶点，单击“Ok” 按钮，弹出对话框，选择“Lab”为“FX”，在“VALUE”文本框中输入100，单击“Ok” 按钮。同理施加载荷100.求解拾取菜单Main Menu

18、SolutionSolveCurrent LS。单击“Solve Current Load Step” 对话框的“Ok” 按钮。出现“Solution is done!”提示时，求解结束，即可查看结果了。查看结果，显示变形拾取菜单Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsDeformed Shape。的对话框，选中“Def+undef edge”(变形+未变形的模型边界)，单击“Ok” 按钮。结果如图所示。查看结果，用等高线显示Von Mises应力拾取菜单Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsContour PlotNodal Solu。弹出对话框，在列表中依次选择“Nodal SolutionStress Von Mises SEQV”（Von Mises应力即第四强度理论的当量应力，式中1、2和3为主应力），单击“Ok” 按钮。结果如图所示，可以看出，Von Mises应力的最大值为0.149×109 Pa，即