基于ANSYS的制動踏板模擬器有限元仿真分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u23267基于ANSYS的制動踏板模擬器有限元仿真分析案例 1230561.1有限元分析基本原理 1203861.2制動踏板有限元分析 2174241.3彈簧有限元分析 671731.4本章小結(jié) 8現(xiàn)代社會中，各種精密的設(shè)備、交通工具、電子設(shè)備、大型建筑等問題都涉及到復(fù)雜的工程問題，這對現(xiàn)代社會的工程技術(shù)人員是一大問題，也同樣是一大挑戰(zhàn)。各種產(chǎn)品、項(xiàng)目都涉及到各種靜力、動力、強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性問題，并且需要對其項(xiàng)目進(jìn)行的考核及檢校，以及對各個部件也需要進(jìn)行校核。本章是對于上一章節(jié)設(shè)計建模的調(diào)節(jié)式制動踏板模擬器需要進(jìn)行有限元分析，對其主要部件進(jìn)行強(qiáng)度和剛度的校核。本文采用ANSYSWORKBENCH模塊進(jìn)行有限元分析。1.1有限元分析基本原理實(shí)際的工程問題主要是通過將其轉(zhuǎn)變成數(shù)學(xué)問題來進(jìn)行解決的，可以通過各種物理的公式及其定理轉(zhuǎn)化。工程問題都可以轉(zhuǎn)換成積分、微分、代數(shù)的方程進(jìn)行處理。常見的工程物理方程問題主要是波動方程、輸運(yùn)方程和穩(wěn)定場方程。在目前的數(shù)值計算方法中，有限元是一種高效的計算方法。早期的有限元是以變分原理發(fā)展起來的，應(yīng)用于解決“準(zhǔn)調(diào)和方程”的物理場問題，包括拉普拉斯和泊松等方程。有限元采用的基本原理是將問題有限分割，使結(jié)果無限逼近的方法解決問題，早期解決圓周率問題就是應(yīng)用這種思想方法，采用“割圓術(shù)”將圓看作正多邊形并計算多邊形的周長來得出圓周長并計算圓周率?！案钪畯浖?xì)，所失彌少，割之又割，以至于不可割，則與圓合體，而無所失矣”，這是劉徽用來這樣形容“割圓術(shù)”的?，F(xiàn)在有限元分析已經(jīng)是數(shù)值計算方法的主流，各種場問題、各種力問題及復(fù)合場都可以用有限元方法進(jìn)行解決。電子計算機(jī)的發(fā)達(dá)今天，與有限元分析相關(guān)的軟件都出現(xiàn)了好多款，其中就包括ANSYS軟件。有限元公示的推導(dǎo)方法由很多種，包括直接法、最小變量法等多種方法，但是有限元分析的基本步驟是大體相同[16]。基本步驟都可以分為三個階段：前處理、求解、后處理。前處理主要由定義材料、劃分網(wǎng)格、應(yīng)用模型的邊界條件與初值條件以及載荷；求解線性或非線性方程組，得到物體的變形、應(yīng)力、溫度等；后處理是將求解得出的結(jié)果推導(dǎo)得出其他需要的結(jié)果，并且驗(yàn)證求解結(jié)果是否合理。ANSYS是由美國ANSYS公司基于有限元分析開發(fā)的軟件。ANSYS具有強(qiáng)大的計算和求解能力，并且其集成各種模塊的分析算法。其操作簡單、功能較其他同類有限元分析齊全。ANSYS有七大類單元，為了模擬工程中的各種材料，提供了100種以上的單元類型，不僅提供了基于圖形用戶界面GUI的操作，做提供了有限元分析的命令流語言，即參數(shù)化設(shè)計語言，而且還可以對其進(jìn)行二次開發(fā)，滿足不同用戶的定制化需求。ANSYSWORKBENCH的仿真環(huán)境相比于傳統(tǒng)的仿真環(huán)境更加客戶化、集成化、參數(shù)化。其仿真平臺能夠?qū)?fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)靜力學(xué)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)、剛體動力學(xué)、流體動力學(xué)等進(jìn)行分析模擬。1.2制動踏板有限元分析1、將制動踏板CATIA三維模型導(dǎo)出成.stp的文件格式。2、在WB中新建靜力分析系統(tǒng)將左側(cè)【Toolbox】中【StaticStructural】靜力分析系統(tǒng)拖入到右側(cè)的項(xiàng)目流程圖的環(huán)境中，雙擊靜力分析系統(tǒng)名稱修改為taban，如圖4-1所示。在工具欄點(diǎn)擊保存命令，將文件名保存為zhidong。圖4-1靜力分析系統(tǒng)建立觀察結(jié)構(gòu)靜力分析系統(tǒng)可以發(fā)現(xiàn)由7欄，第一欄為分析系統(tǒng)類型，第二欄為材料的定義，第三欄為幾何模型環(huán)境，第四欄到第七欄為模型劃分網(wǎng)格、載荷施加、求解，從上到下為問題分析的步驟3、定義材料屬性雙擊A2單元格【EngineeringDate】進(jìn)入工程材料環(huán)境，制動踏板采用的是20鋼。20鋼的具體材料屬性為：彈性模量為2.1E+11N/m^2；泊松比為0.3；質(zhì)量密度為7.9E+3kg/m^3；屈服強(qiáng)度為3.55MPa。進(jìn)入工程材料環(huán)境，點(diǎn)擊【OutlineofSchematicA2：EngineeringDate】的帶星號的單元格添加新材料名稱為20gang，在左側(cè)工具欄選擇各向同性線彈性材料模型以及密度添加到20gang材料屬性中，并根據(jù)20鋼要求輸入，如圖4-2所示。圖4-2鍵入新材料屬性4、導(dǎo)入模型點(diǎn)擊Project返回到WB分析系統(tǒng)中，右擊A3【Geometry】單元格，選擇【ImportGeometry】導(dǎo)入上述的制動踏板stp文件。5、材料分配與網(wǎng)格劃分雙擊WB界面中A4【Model】單元格，進(jìn)入結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析環(huán)境。（1）點(diǎn)擊導(dǎo)航樹將【Geometry】展開給制動踏板模型分配材料，選擇選擇新建的材料20gang，如圖4-3所示。圖4-3分配材料（2）網(wǎng)格劃分全局設(shè)置相關(guān)度設(shè)置為100，對于制動推桿小孔采用尺寸約束，尺寸大小設(shè)置為1mm；對于支架安裝內(nèi)孔同樣采用尺寸約束，尺寸大小設(shè)置為4mm，制動踏板臂上下兩個面和安裝外圓面尺寸大小設(shè)置為2mm。點(diǎn)擊【Update】更新網(wǎng)格，選擇全局網(wǎng)格設(shè)置中【Statistics】中平均網(wǎng)格質(zhì)量如圖5-4所示，平均網(wǎng)格質(zhì)量為0.77957大于0.7（一般WB網(wǎng)格劃分統(tǒng)計中點(diǎn)擊查看網(wǎng)格平均質(zhì)量要求大于0.7，否則一般會導(dǎo)致計算誤差較大）。如圖4-4所示為網(wǎng)格劃分平均質(zhì)量。圖4-4網(wǎng)格平均質(zhì)量6、施加載荷與約束（1）施加載荷：根據(jù)汽車制動踏板行業(yè)設(shè)計要求，需要對制動踏板施加的力為2000N，點(diǎn)擊【Loads】-【Force】施加力的大小為2000N，如圖4-5所示。圖4-5施加載荷（2）施加約束：選定如圖4-6所示的兩個安裝圓柱面施加FrictionlessSupport約束。圖4-6施加約束7、添加求解結(jié)果添加變形及應(yīng)力：導(dǎo)航樹中選擇【Solution（A6）】，求解工具欄中添加總變形結(jié)果，選擇【Deformation】-【Total】,求解工具欄中添加等效應(yīng)力，選【Stress】-【Equivalent（von-Mises）】。工具欄中點(diǎn)擊【Solve】求解，如圖4-7所示得出的應(yīng)力大小為305.14Mpa，如圖4-8所示總變形為2.0915mm，。圖4-7總變形圖4-8等效應(yīng)力從求解結(jié)果可以看出，制動踏板在2000N的載荷作用下，制動踏板的最大變形量為2.0915mm，最大應(yīng)力為305.14mm。最大變形小于5mm，根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T788制動踏板變形合格[17]。最大應(yīng)力小于20鋼的屈服強(qiáng)度355MPa，滿足材料的強(qiáng)度要求。1.3彈簧有限元分析1、彈簧剛度和彈簧的形變能力是彈簧最重要且最基礎(chǔ)的能力。按照材料力學(xué)對螺旋彈簧的定義，圓柱螺旋彈簧的彈簧剛度可以通過公式計算得出[18]，剛度計算公式為 （4-1）公式中的k為彈簧剛度（N/mm）、G為彈簧的剪切模量（MPa）、d為彈簧鋼絲的直徑（mm）、D為彈簧中徑（mm）、n為彈簧的有效圈數(shù)、為材料的泊松比。表4-1彈簧基本參數(shù)項(xiàng)目名稱符號/單位數(shù)值大小總?cè)?shù)nt6.5有效圈數(shù)n6彈簧簧絲直徑d/mm5彈簧中徑D/mm50本文主要是對外側(cè)環(huán)形圓柱空腔內(nèi)的彈簧進(jìn)行分析，彈簧的主要參數(shù)如表4-1所示。彈簧ANSYS分析步驟和制動踏板步驟基本一致新建一個分析項(xiàng)目，雙擊項(xiàng)目名稱，將項(xiàng)目名稱改為tanhuang。本次采用的材料為51CRV4合金鋼，它的密度為7800kg/m3、泊松比為0.3、彈性模量為2×1011Pa。它具有良好的力學(xué)性能，屈服強(qiáng)度為1274MPa、屈服極限為1127MPa。2、劃分網(wǎng)格：采用默認(rèn)網(wǎng)格劃分方法，并將網(wǎng)格總體相關(guān)度設(shè)置調(diào)整為100[19]。點(diǎn)擊并查看網(wǎng)格質(zhì)量，彈簧的網(wǎng)格劃分質(zhì)量如圖4-9所示，網(wǎng)格質(zhì)量大于0.7，網(wǎng)格符合要求。圖4-9彈簧網(wǎng)格劃分3、施加約束及載荷：由圖3-4的B點(diǎn)可以看出此時彈簧1壓縮到最小，此時的制動踏板力為200N，由于杠桿比為5，故對彈簧一端的一圈彈簧施加1000N的力，對彈簧另一端施加固定約束。如圖4-10所示。圖4-10彈簧施加約束及載荷4、求解并查看結(jié)果：將彈簧總形添加到求解結(jié)果中，求解后可以看出此時的彈簧型變量為8.3616mm，如圖4-11所示。圖4-11彈簧形變由于需要對彈簧的結(jié)構(gòu)進(jìn)行校核，故需要分別對彈簧進(jìn)行800N、900N、1000N加載設(shè)置計算其實(shí)際的彈簧剛度，如表4-2所示。表4-2彈簧加載設(shè)置載荷大小（N）形變（mm）8006.68939007.525410008.3616由上表不同加載彈簧的垂直形變分別為6.6893mm、7.5254mm、8.3616