1、有限元上機(jī)實(shí)驗(yàn)報(bào)告題目： 鋼絲繩索有限元分析 小 組 鋼絲繩索 小組成員 孔麗娟 劉洪園 薛兵財(cái) 楊艷 楊洋 任課教師 田常錄 教授 二一二年六月1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?本實(shí)驗(yàn)的目的是為了對(duì)理論知識(shí)進(jìn)行鞏固，通過(guò)在Ansys中的實(shí)際操作加深對(duì)有限元的認(rèn)識(shí)，并掌握有限元軟件Ansys的具體使用方法，學(xué)會(huì)遇到操作中實(shí)際問(wèn)題時(shí)的應(yīng)對(duì)措施，并順利解決，同時(shí)從問(wèn)題中看有限元的基本思想，學(xué)會(huì)工程問(wèn)題的分析求解。2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備 Ansys 13.0軟件，UG 6.0軟件，工作站3 三維建模3.1 鋼絲繩索建模根據(jù)所給工程圖，在UG中建立鋼絲繩索三維模型。成型三維模型如圖1所示。圖1 鋼絲繩索3.2 模型擴(kuò)展為了更加符合

2、實(shí)際情況，進(jìn)一步繪制出模型牛頭、銷(xiāo)及方鋼梁，其模型分別如圖2、圖3、圖4所示。圖2 牛頭圖3 銷(xiāo)圖4方鋼梁描繪接近現(xiàn)實(shí)情況的裝配體的三維模型如圖5所示。圖5 實(shí)際的裝配模型3.3 模型材料采用鋼材型號(hào)為Q235A，生產(chǎn)廠商為深圳實(shí)力興公司，查得該廠生產(chǎn)的Q235A鋼的參數(shù)為：彈性模量：2.1x105MPa泊松比：0.3密度：7.86x10-9tonne/mm3此處銷(xiāo)采用的是45#鋼，密度為7.85x10-9tonne/mm3，泊松比為0.3，彈性模量在196216MPa之間，與Q235A材料性能相當(dāng)，故也按照Q235A的參數(shù)設(shè)置。4 模型的預(yù)處理進(jìn)行有限元分析時(shí)應(yīng)進(jìn)行必要的處理，但必須遵守符合

3、實(shí)際情況且不會(huì)對(duì)最終求解結(jié)果造成很大影響的原則。對(duì)零件結(jié)果影響不大的細(xì)節(jié)宜去除，對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的部分且對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大的部分應(yīng)該進(jìn)行簡(jiǎn)化。4.1 鋼絲繩索的預(yù)處理根據(jù)上述原則，對(duì)圖1進(jìn)行預(yù)處理，處理結(jié)果如圖6所示。圖6 鋼絲繩索預(yù)處理后模型處理部位：1）圖1中上耳的兩個(gè)較小孔屬于細(xì)小結(jié)構(gòu)，劃分網(wǎng)格時(shí)會(huì)造成很大失真，且此處不是重點(diǎn)考慮部位，也沒(méi)有任何約束施加在上面，故作去除處理。2）上耳四處倒圓角對(duì)整個(gè)模型分析影響較小，且劃分網(wǎng)格時(shí)容易出現(xiàn)不規(guī)則單元，在此將其去除。3）主體部分的四處倒圓角，首先倒圓角半徑較小，會(huì)影響網(wǎng)格的劃分，其次此處不是主要考慮對(duì)象，故作去除處理。4）兩側(cè)耳處的曲面形狀復(fù)雜，宜

4、進(jìn)行簡(jiǎn)化，圖6優(yōu)化時(shí)使用了三種方法，如過(guò)點(diǎn)曲線、上下均采用兩端圓弧中間直線、上下一段圓弧加直線。最終劃分網(wǎng)格后發(fā)現(xiàn)采用一段圓弧加切線的方式處理側(cè)耳曲面部分，得到的面較為規(guī)則，劃分的網(wǎng)格質(zhì)量較高。在做單個(gè)有限元時(shí)，所施加的力往往是通過(guò)近似施加在零件上，如本鋼絲繩索，在兩側(cè)耳受力本應(yīng)該是由牛頭和鋼絲繩同時(shí)作用在側(cè)耳內(nèi)圓壁上，而單個(gè)計(jì)算時(shí)直接考慮將力施加在兩側(cè)耳內(nèi)壁上，這樣會(huì)造成誤差，還有銷(xiāo)連接處的固定，本應(yīng)該是銷(xiāo)與孔的連接約束，現(xiàn)在處理的時(shí)候是按照一邊1/3ALL DOF，一邊是1/3固定UY和UZ。這樣又造成了部分誤差。4.2 牛頭的預(yù)處理為了避免這些誤差的出現(xiàn)，需要進(jìn)行整體的分析，整體優(yōu)化的對(duì)

5、象有牛頭、方鋼梁、銷(xiāo)。對(duì)圖2牛頭進(jìn)行預(yù)處理，處理結(jié)果如圖7所示。圖7 牛頭預(yù)處理后模型處理部位：1）由于實(shí)際情況中是鋼絲繩與鋼絲繩套測(cè)量?jī)?nèi)壁接觸，故在牛頭上將鋼絲畫(huà)出，并與牛頭求和，不考慮兩者內(nèi)部的相對(duì)關(guān)系，材料也作同一種處理。2）兩股鋼絲繩需要匯聚成一根，故將小端做成一個(gè)平面，便于網(wǎng)格劃分和載荷的施加。3）牛頭大端與內(nèi)壁無(wú)接觸，且劃分網(wǎng)格時(shí)，難以與內(nèi)壁一起生成規(guī)則單元，故將大端削平。4）為了防止兩側(cè)的余量過(guò)小影響網(wǎng)格的質(zhì)量，在此將鋼絲繩的直徑做成與牛頭厚度一樣大。5）為了與側(cè)耳內(nèi)壁完全配合，將鋼絲繩直徑改為內(nèi)圓孔直徑大小。4.3 方鋼與銷(xiāo)的預(yù)處理此處方鋼梁與銷(xiāo)之間的作用關(guān)系不在我們主要考慮的

6、范圍之內(nèi)，可以將方鋼梁和銷(xiāo)作為一個(gè)整體進(jìn)行考慮，優(yōu)化的方案如圖8所示。圖8 方鋼與銷(xiāo)一體模型處理部位：1）銷(xiāo)的倒角屬于細(xì)節(jié)，可以忽略；2）方鋼上的圓角不利于網(wǎng)格的劃分，故去除。5 有限元分析5.1 參數(shù)設(shè)置選取單元類(lèi)型為Solid186（全局）和Sur154（方案2,3,4），整體為結(jié)構(gòu)（Structural）方面的靜態(tài)分析（static analysis），定義材料的彈性模量：2.1x105MPa，泊松比：0.3，密度：7.86x10-9tonne/mm3整體受力分析，如圖9所示，在豎直方向上達(dá)到平衡，且在豎直方向上達(dá)到平衡的力為100kg。上耳部分，每耳承載115.5kg，換算成均布載荷為

7、9.0MPa。兩側(cè)耳部分，如果直接加載在側(cè)耳底面或者圓柱面上，則每耳承載100kg，換算成加載在側(cè)耳底面的下拉均布載荷為1.05MPa，換算成加載在圓柱面上十二個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的集中力時(shí)，每個(gè)點(diǎn)承受83.333N（重力加速度取10N/Kg）集中力。如果是加載在牛頭上，由于牛頭在受力時(shí)與豎直方向有15夾角，需要在牛頭下表面加載103.5kg的力，換算成均布載荷為3.1MPa。銷(xiāo)孔部分固定。經(jīng)粗略估算，固定部位為圖9所示的后側(cè)位置。圖9 受力分析5.2 網(wǎng)格劃分5.2.1 鋼絲繩索部分的網(wǎng)格劃分鋼絲繩索是我們分析的重點(diǎn)，劃分網(wǎng)格時(shí)需要十分仔細(xì)。在網(wǎng)格劃分時(shí)需要使用到系統(tǒng)的工作平面（Global Carte

8、sian）和新建的工作平面對(duì)實(shí)體進(jìn)行切割，劃分網(wǎng)格的目的是為了使得實(shí)體可以被劃分，而且劃分的網(wǎng)格質(zhì)量要好。鋼絲繩索在本實(shí)驗(yàn)中被劃分成9個(gè)部分，首先使用系統(tǒng)的工作平面將上耳割開(kāi)，再通過(guò)關(guān)鍵點(diǎn)（Keypoints+）將工作平面移到底部平面上的一點(diǎn)，在此切割，隨后將工作平面移動(dòng)到側(cè)耳部分，將兩個(gè)側(cè)耳與整體部分切開(kāi)，由于與側(cè)耳相連的側(cè)板無(wú)法掃略生成網(wǎng)格，考慮將其拆分成兩個(gè)實(shí)體，劃分時(shí)需新建一個(gè)工作平面（Active Coord Sys），新建工作平面時(shí)選擇通過(guò)三個(gè)點(diǎn)（Thru 3 KPs），選擇與圓弧段相連平面上的三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，并使用這個(gè)平面將側(cè)板拆分成兩個(gè)實(shí)體。為了施加載荷及約束，需要將圓孔的內(nèi)側(cè)面劃

9、分，C處的銷(xiāo)孔切出1/3平面，A處的拉環(huán)孔以與上頂面平行且過(guò)孔軸線的面切割，每個(gè)孔劃分出四個(gè)區(qū)域，以便于施加作用在內(nèi)孔上1/2圓柱面上垂直于上頂面的壓力。在劃分網(wǎng)格時(shí)整體種子密度為4，劃分后發(fā)現(xiàn)兩側(cè)耳和上耳處會(huì)出現(xiàn)不規(guī)則單元，有的地方還會(huì)報(bào)錯(cuò)，錯(cuò)誤的網(wǎng)格可以通過(guò)網(wǎng)格檢查（Check Mesh），錯(cuò)誤網(wǎng)格可以通過(guò)調(diào)整邊上的網(wǎng)格密度或網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行修改。5.2.2 方鋼梁和銷(xiāo)部分的網(wǎng)格劃分方鋼梁和銷(xiāo)實(shí)體劃分時(shí)，要將方鋼梁切開(kāi)，切割時(shí)也有一定的講究，在操作過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，如果先切割兩側(cè)面，或出現(xiàn)方鋼梁上表面無(wú)法劃分網(wǎng)格的情況，此時(shí)，如果還要繼續(xù)，那么必須在對(duì)兩側(cè)面進(jìn)行劃分，劃分時(shí)以方鋼上板的內(nèi)面切割，這樣

10、處理之后才可以繼續(xù)進(jìn)行網(wǎng)格的劃分。還有一種方法是比較簡(jiǎn)單的，直接先將方鋼梁的上板切開(kāi)，再將下板切開(kāi)，這樣的切割順序可以使得上板也可以生成網(wǎng)格。對(duì)于兩側(cè)面，由于存在兩個(gè)銷(xiāo)，致使網(wǎng)格劃分失敗，這時(shí)以圓柱銷(xiāo)的圓柱面進(jìn)行切割，將圓柱銷(xiāo)切開(kāi)成單獨(dú)實(shí)體，在進(jìn)行劃分網(wǎng)格時(shí)可以順利進(jìn)行。5.2.3 牛頭部分的網(wǎng)格劃分牛頭的網(wǎng)格劃分，牛頭本身形狀復(fù)雜，與鋼絲繩索間的連接會(huì)出現(xiàn)異常網(wǎng)格，故在嘗試網(wǎng)格劃分后對(duì)牛頭進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化結(jié)果如圖7所示，這時(shí)將牛頭突出的那部分劃分開(kāi)，將牛頭分成兩部分后即可進(jìn)行高質(zhì)量網(wǎng)格的劃分。5.2.4 劃分后整體效果圖根據(jù)上述原則及思想操作，劃分出的網(wǎng)格效果圖如圖10所示。圖10 網(wǎng)格劃分效

11、果圖5.3 單個(gè)鋼絲繩索的有限元分析5.3.1 方案1：?jiǎn)蝹€(gè)鋼絲繩索的有限元分析 執(zhí)行人：楊艷（A）方案規(guī)劃約束加載如圖11-1所示，其中A處兩個(gè)分別為9.0MPa； C處有兩個(gè)1/3圓固定約束，其中一個(gè)為固定xyz，另一個(gè)固定yz。其中A處的壓力的作用區(qū)域?yàn)榕c上耳相臨近的半圓周面上，B處下拉載荷作用在側(cè)耳的底部面上，大小為1.05MPa；由于實(shí)體下表面是跟方鋼梁接觸的，所以在上板的后面靠下的線上施加yz方向上的固定約束。圖11-1 方案1鋼絲繩索約束加載方式（B）載荷及約束如圖11-1所示，鋼絲繩索兩個(gè)上耳處分別為9.0MPa上耳壓力的作用區(qū)域?yàn)榕c上耳相臨近的半圓柱面上；側(cè)耳的力施加在側(cè)耳底

12、部面上，大小為1.05MPa的下拉載荷；銷(xiāo)孔部分施加固定約束，約束在圖示位置的1/3圓柱面上，且一邊約束xyz方向的自由度，另一邊約束yz方向的自由度；對(duì)后端近梁處固定約束，約束加載在一個(gè)線上，約束方向?yàn)閥z。（C）求解及結(jié)果在Ansys中求解設(shè)置求解步數(shù)為10步，并記錄所有步數(shù)的信息，求解的步數(shù)信息如圖11-2所示。圖11-2 鋼絲繩索分十步求解信息在Ansys中求解的結(jié)果如下圖11-3至圖11-8所示。圖11-3 第3步位移云圖圖11-4 第3步應(yīng)力云圖圖11-5 第10步位移云圖圖11-6 第10步應(yīng)力云圖圖11-7 第10步位移曲線圖11-8 第10步應(yīng)力曲線 根據(jù)求解結(jié)果來(lái)看，位移變

13、形量最大在側(cè)耳部分，最大為0.068mm，應(yīng)力最大在圓柱銷(xiāo)部分，最大應(yīng)力為194MPa，相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)上的抗拉強(qiáng)度160MPa，相對(duì)來(lái)說(shuō)偏大，但是沒(méi)有超過(guò)其屈服極限235MPa。輸出的第10步位移曲線為側(cè)耳最邊上的直線上的位移變化，第10步應(yīng)力曲線為圓柱銷(xiāo)上應(yīng)力最大點(diǎn)與側(cè)邊上一點(diǎn)間連線上的應(yīng)力變化。（D）個(gè)人小結(jié)這次的工程題目分析練習(xí)，使我掌握了用ansys軟件進(jìn)行有限元結(jié)構(gòu)分析的基本步驟，在進(jìn)行本組的鋼絲繩索零件有限元分析的開(kāi)始階段遇到了許多問(wèn)題：1）對(duì)ansys軟件不是很熟悉，加上全是英文，操作起來(lái)有一定難度。通過(guò)參考圖書(shū)館的書(shū)，掌握了操作的基本方法。2）由于ansys軟件在建模方面比較麻煩，

14、所以本練習(xí)先在UG軟件中進(jìn)行建模，然后導(dǎo)入ansys中，這樣同樣能夠完成建模。3）在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)我們遇到了很多問(wèn)題，在前期的劃分過(guò)程中總是報(bào)錯(cuò)，經(jīng)過(guò)探討和嘗試，最終探索出把鋼絲繩索分為9個(gè)部分，再分別對(duì)各個(gè)部分分別進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，最終完成網(wǎng)格劃分，沒(méi)有出現(xiàn)報(bào)錯(cuò)。4）由于本方案只是對(duì)一個(gè)鋼絲繩索的主部件進(jìn)行分析，不太符合實(shí)際情況，所以解算出的結(jié)果也存在一定的偏差，但通過(guò)這個(gè)方案我們知道了這樣的模型是正確的，這樣劃分網(wǎng)格是能夠滿足要求的，為本組同學(xué)的其他按方案的進(jìn)行提供了一個(gè)基礎(chǔ)。本組同學(xué)一直是共同討論，共同解決出現(xiàn)的問(wèn)題，又各有分工，最終為本次練習(xí)的順利完成做出努力。5.3.2 方案2：?jiǎn)蝹€(gè)鋼絲

15、繩索的有限元分析 執(zhí)行人：楊洋（A）方案規(guī)劃方案2，如圖12-1所示基于方案1，將B處作用在側(cè)耳底面的拉力改為作用在側(cè)耳內(nèi)圓柱面上的十二個(gè)點(diǎn)上的y正向的集中力，每個(gè)集中力大小為83.333N。其余如方案1所示。圖如圖12-1 方案2鋼絲繩索約束加載方式（B）載荷及約束如圖如圖12-1所示，鋼絲繩索兩個(gè)上耳處分別為9.0MPa上耳壓力的作用區(qū)域?yàn)榕c上耳相臨近的半圓柱面上；側(cè)耳的力施加在兩個(gè)圓柱的四個(gè)點(diǎn)上，每個(gè)點(diǎn)承受250N的集中力；銷(xiāo)孔部分施加固定約束，約束在圖示位置的1/3圓柱面上，且一邊約束xyz方向的自由度，另一邊約束yz方向的自由度；對(duì)后端近梁處固定約束，約束加載在一個(gè)線上，約束方向?yàn)閥

16、z。（C）求解及結(jié)果在Ansys中求解設(shè)置求解步數(shù)為10步，并記錄所有步數(shù)的信息，求解的步數(shù)信息如圖12-2所示。圖12-2 鋼絲繩索分十步求解信息在Ansys中求解的結(jié)果如下圖11-3至圖11-8所示。圖12-3 第3步位移云圖圖12-4 第3步應(yīng)力云圖圖12-5 第10步位移云圖圖12-6 第10步應(yīng)力云圖圖12-7 第10步位移曲線圖12-8 第10步應(yīng)力曲線 根據(jù)求解結(jié)果來(lái)看，位移變形量最大位置在側(cè)耳部分，最大為0.07mm的變形，應(yīng)力最大在圓柱銷(xiāo)孔固定部位，最大為157MPa，相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)上的抗拉強(qiáng)度160MPa，略低于抗拉強(qiáng)度。輸出的第10步位移曲線為側(cè)耳最邊上的直線上的位移變化，第

17、10步應(yīng)力曲線為上板固定直線上的應(yīng)力變化情況。（D）個(gè)人小結(jié)由于設(shè)備條件有限，本次實(shí)驗(yàn)我采用的是ansys10.0做的有限元分析。起初，我將UG三維模型導(dǎo)成IGES，再將IGES的模型導(dǎo)入到ansys中。由于三維模型格式的變化，不能在ansys中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。故我將UG三維模型導(dǎo)成ug2.0的x_t格式，終于能夠在ansys中正確地進(jìn)行網(wǎng)格劃分。根據(jù)鋼絲繩索的形狀，將其divide成9個(gè)volumes,設(shè)定每個(gè)單元為4mm,然后采用sweep的方式對(duì)鋼絲繩索進(jìn)行網(wǎng)格劃分。劃分完成后出現(xiàn)14個(gè)警告，為了能使結(jié)果更準(zhǔn)確，我們將鋼絲繩索的側(cè)耳進(jìn)行重新網(wǎng)格劃分，采用上下一一對(duì)應(yīng)的方法，將各邊的種子對(duì)應(yīng)

18、等量分布，上下對(duì)應(yīng)，生成網(wǎng)格時(shí)較為規(guī)整。劃分完網(wǎng)格后，對(duì)鋼絲繩索施加約束和壓力。我采用在一個(gè)銷(xiāo)孔全固定，另一個(gè)銷(xiāo)孔固定Y和Z方向，然后再將平臺(tái)上的一條線全固定。這樣就實(shí)現(xiàn)了鋼絲繩索的全固定。然后在頂上的2個(gè)圓孔上施加9.009MPa的壓力。在2個(gè)側(cè)耳處，分別選擇12個(gè)點(diǎn)，施加83.333N的載荷。這里本來(lái)想運(yùn)用等效載荷的原理將這12個(gè)點(diǎn)找到，但是由于計(jì)算能力有限，我最終選取的是每個(gè)側(cè)耳圓柱面上的12個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)施加載荷。這個(gè)導(dǎo)致在最后的應(yīng)力分析過(guò)程中，最大應(yīng)力出現(xiàn)在12個(gè)載荷施加點(diǎn)上。最后對(duì)模型進(jìn)行求解。求解結(jié)果顯示，鋼絲繩索變形最大的是一端的側(cè)耳處。而應(yīng)力最大在24個(gè)載荷施加點(diǎn)附近。我選取了側(cè)耳

19、最邊上的直線進(jìn)行變形的分布分析，并輸出了變形分布曲線。同時(shí)對(duì)上板固定直線進(jìn)行了應(yīng)力分析，輸出應(yīng)力分布曲線。本次實(shí)驗(yàn)，讓我對(duì)ansys有了更多的了解，并能夠比較熟練地操作。學(xué)會(huì)了多種方式的網(wǎng)格劃分，學(xué)會(huì)了怎么樣對(duì)模型進(jìn)行約束和施加載荷。相對(duì)于以前看著書(shū)本操作是一種巨大的進(jìn)步。5.4 整體有限元分析5.4.1 方案3：考慮銷(xiāo)的有限元分析 執(zhí)行人：劉洪園（A）方案規(guī)劃方案3，如圖13-1所示，基于方案2，方案1與方案2中固定約束實(shí)際上是將孔的一部分完全固定死，這與實(shí)際不符，此方案將C處的固定約束，改為銷(xiāo)約束，在兩個(gè)體之間施加面與面接觸，主面選擇鋼絲繩索，在銷(xiāo)的端面施加固定約束，其中一端采用ALL D

20、OF，另一端固定UY和UZ。其余如方案2所示。圖13-1 方案3受銷(xiāo)約束的鋼絲繩索約束加載方式（B）載荷及約束如圖13-1所示，鋼絲繩索兩個(gè)上耳處分別為9.0MPa上耳壓力的作用區(qū)域?yàn)榕c上耳相臨近的半圓柱面上；在側(cè)耳底部施加均布拉載荷，大小為1.05MPa；圓柱銷(xiāo)靠外側(cè)端面采用固定約束，且一邊約束xyz方向的自由度，另一邊約束yz方向的自由度；在后端靠近梁處施加固定約束，約束方向?yàn)閥z；圓柱銷(xiāo)與鋼絲繩索之間各有一對(duì)面與面接觸，且主面為鋼絲繩索內(nèi)孔面。（C）求解及結(jié)果在Ansys中求解設(shè)置求解步數(shù)為10步，并記錄所有步數(shù)的信息，求解的步數(shù)信息如圖13-2所示。圖13-2 鋼絲繩索分十步求解信息在

21、Ansys中求解的結(jié)果如下圖13-3至圖13-8所示。圖13-3 第3步位移云圖圖13-4 第3步應(yīng)力云圖圖13-5 第10步位移云圖圖13-6 第10步應(yīng)力云圖圖13-7 第10步位移曲線圖13-8 第10步應(yīng)力曲線 根據(jù)求解結(jié)果來(lái)看，位移變形量最大有兩處，一處是兩個(gè)側(cè)耳部分，一處是在兩個(gè)上耳部分，最大變形量為0.024mm，應(yīng)力最大在圓柱銷(xiāo)與圓柱銷(xiāo)孔接觸的地方，應(yīng)力最大值為106.7MPa，相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)上的抗拉強(qiáng)度160MPa，這個(gè)值很安全。輸出的第10步位移曲線為左右側(cè)耳兩點(diǎn)連線上的位移變化情況，這條直線與上板的前近方鋼梁線共線，第10步應(yīng)力曲線也為位移曲線所在直線上的應(yīng)力變化情況。（D）

22、個(gè)人小結(jié)通過(guò)這次使用ansys軟件的實(shí)戰(zhàn)練習(xí)，讓我掌握了利用ansys軟件進(jìn)行有限元結(jié)構(gòu)分析的基本步驟，在進(jìn)行鋼絲繩索零件有限元分析時(shí)，也遇到了很多困難，但最后通過(guò)本小組成員的共同討論和不斷嘗試，最終使我的方案能夠很好的解算出來(lái)，為下一個(gè)方案的進(jìn)行打下了基礎(chǔ)。完成了本次練習(xí)使我對(duì)ansys軟件有了進(jìn)一步的掌握：1）由于ansys軟件在構(gòu)建三維模型時(shí)比較繁瑣、效率低，所以采用在UG軟件中進(jìn)行建模、裝配，然后再導(dǎo)入ansys中，這樣即完成了建模，又提高了效率，保證了模型精度。2）在有限元分析的前處理中網(wǎng)格劃分是比較重要的，對(duì)于本小組的零件比較復(fù)雜，不能采用自動(dòng)網(wǎng)格劃分，經(jīng)過(guò)不斷嘗試把主體部分分為了

23、9個(gè)部分，再分別對(duì)各個(gè)部分進(jìn)行細(xì)化，最終完成網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格質(zhì)量的好壞直接影響到結(jié)果的正確度和精確度，因此我們小組也是花費(fèi)了大量的時(shí)間來(lái)討論網(wǎng)格劃分問(wèn)題。3）本方案在之前本組同學(xué)的基礎(chǔ)上加入了銷(xiāo)釘和鋼絲繩索的裝配關(guān)系，并且首次采用零件間的接觸分析，更加符合實(shí)際情況，同時(shí)為下一個(gè)方案的分析提供了基礎(chǔ)。4）由于本方案還不是完整的，存在一些問(wèn)題，例如在力的施加上與真實(shí)情況有一定的差距。5.4.2 方案4：考慮方鋼梁及銷(xiāo)的有限元分析 執(zhí)行人：薛兵財(cái)（A）方案規(guī)劃方案4，如圖14-1所示，基于方案3，方案3中雖考慮了銷(xiāo)連接處的約束，但是沒(méi)有考慮到方鋼梁對(duì)鋼絲繩索內(nèi)部上平面的支撐作用，因此在這個(gè)方案中給予考

24、慮。由于銷(xiāo)與方鋼梁之間的變形及應(yīng)力應(yīng)變不是我們考慮的重點(diǎn)，為了加快計(jì)算的進(jìn)程，將方鋼梁與銷(xiāo)在繪圖時(shí)作為整體考慮，同時(shí)在分析時(shí)添加方鋼梁上表面與鋼絲繩索內(nèi)部上平面的面與面接觸，為了更確，添加鋼絲繩索內(nèi)側(cè)面與方鋼梁側(cè)面面與面接觸，此時(shí)固定端為方鋼梁兩個(gè)截面，所以對(duì)方鋼梁兩端施加固定約束，一端采用ALL DOF，另一端約束UX與UY。 圖14-1 方案4考慮方鋼梁及銷(xiāo)的鋼絲繩索約束加載方式（B）載荷及約束 如圖14-1所示，鋼絲繩索兩個(gè)上耳處分別為9.0MPa上耳壓力的作用區(qū)域?yàn)榕c上耳相臨近的半圓柱面上；側(cè)耳的力施加在兩個(gè)圓柱的四個(gè)點(diǎn)上，每個(gè)點(diǎn)承受250N的集中力；方鋼梁兩端完全固定（ALL DOF

25、），不允許有任何一個(gè)方向上的串動(dòng)；圓柱銷(xiāo)與鋼絲繩索間各有一對(duì)面與面接觸，且主面為鋼絲繩索圓孔內(nèi)表面；鋼絲繩索內(nèi)表面（3個(gè)面）與方鋼梁外表面（3個(gè)面）的對(duì)應(yīng)面之間各有一對(duì)面與面接觸，且主面為鋼絲繩索內(nèi)表面。（C）求解及結(jié)果在Ansys中求解設(shè)置求解步數(shù)為10步，并記錄所有步數(shù)的信息，求解的步數(shù)信息如圖14-2所示。圖14-2 鋼絲繩索分十步求解信息在Ansys中求解的結(jié)果如下圖14-3至圖14-8所示。圖14-3 第3步位移云圖圖14-4 第3步應(yīng)力云圖圖14-5 第10步位移云圖圖14-6 第10步應(yīng)力云圖圖14-7 第10步位移曲線圖14-8 第10步應(yīng)力曲線 根據(jù)求解結(jié)果來(lái)看，位移變形量最

26、大位置子在上耳部分，最大變形量為0.1mm，應(yīng)力最大位置在鋼絲繩索的上板底面與方鋼梁接觸部位，最大應(yīng)力值為119.6MPa，相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)上抗拉強(qiáng)度160MPa，還在安全范圍之內(nèi)。輸出的第10步位移曲線為上耳斜邊上的位移變化情況，第10步應(yīng)力曲線是鋼絲繩索上板前端近方鋼梁邊上的應(yīng)力變化情況。（D）個(gè)人小結(jié) 在本實(shí)驗(yàn)中，網(wǎng)格劃分比較繁瑣，經(jīng)常出現(xiàn)不規(guī)則網(wǎng)格，需要不斷的調(diào)整線上的種子密度或調(diào)整種子數(shù)量，對(duì)于部分地方還需要進(jìn)行細(xì)化。在這個(gè)練習(xí)的過(guò)程中，采用六面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格時(shí)經(jīng)常報(bào)錯(cuò)的地方有三處，一處是鋼絲繩索的側(cè)耳處，由于形狀較為復(fù)雜，上寬下窄，有的邊特別短，有的邊有相對(duì)很長(zhǎng)，按照全局布種時(shí)，出現(xiàn)網(wǎng)格

27、對(duì)應(yīng)不規(guī)則現(xiàn)象，造成部分地方十分密集，有些地方單元很大很粗糙，生成不合格單元時(shí)便會(huì)報(bào)錯(cuò)，在這里需要重新布種，采用上下一一對(duì)應(yīng)的方法，將各邊的種子對(duì)應(yīng)等量分布，上下對(duì)應(yīng)，生成網(wǎng)格時(shí)較為規(guī)整；第二處在方鋼梁處，由于網(wǎng)格生成時(shí)需要通過(guò)結(jié)點(diǎn)銜接，容易出現(xiàn)網(wǎng)格無(wú)法生成現(xiàn)象，先切割方鋼梁帶銷(xiāo)孔的側(cè)板時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)格無(wú)法劃分現(xiàn)象，解決辦法是先切割方鋼梁的上板，這樣在主體的側(cè)板與方鋼梁銜接處就會(huì)平穩(wěn)過(guò)渡，也就不會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)格生成失敗的現(xiàn)象了；再有一處就是側(cè)耳與主體側(cè)板交界處無(wú)法生成網(wǎng)格，這個(gè)地方因?yàn)閭?cè)耳斜面的存在，使得兩個(gè)實(shí)體部分銜接時(shí)無(wú)法找到掃描的合理路徑，致使網(wǎng)格無(wú)法生成，這個(gè)問(wèn)題的解決辦法是將主體側(cè)板在銜接

28、曲面處切斷，將側(cè)板劃分成兩部分，分別進(jìn)行掃略法生成網(wǎng)格。在生成的網(wǎng)格中會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重失真的現(xiàn)象，在本實(shí)驗(yàn)中，體現(xiàn)的最為明顯的是圓柱孔圓柱銷(xiāo)，由于網(wǎng)格是采用六面體規(guī)則單元近似替代原來(lái)的圓柱孔可圓柱，所以失真在所難免，為了減小因這種失真導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)巨大差誤，需要對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行局部細(xì)化，選中圓柱孔和圓柱的圓，將種子密度增大，或者一條線一條線的選擇，并手動(dòng)設(shè)定該線上的種子數(shù)量。本人使用的有限元軟件是Abaqus，在Ansys的聯(lián)系過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在基本的理論上兩者有很多相通之處，比如網(wǎng)格劃分、種子布置、接觸對(duì)的處理等等，同時(shí)發(fā)現(xiàn)兩者又有著各自的有點(diǎn)，在Ansys中，求解器功能十分強(qiáng)大，輸出的結(jié)果種類(lèi)更加豐富，而A

29、baqus本身的界面更加清爽，操作更簡(jiǎn)單易學(xué)，處理能力以及可以處理的范圍也十分廣泛，尤其是其出色的非線性問(wèn)題的求解。Abaqus和Ansys都是可以使用命令流，而且命令流可以完成操作界面中一些無(wú)法完成的功能，因此，在今后的學(xué)習(xí)中，需要加強(qiáng)對(duì)Abaqus命令流的學(xué)習(xí)。5.4.3 方案5：考慮牛頭、方鋼梁、銷(xiāo)的有限元分析 執(zhí)行人：孔麗娟（A）方案規(guī)劃方案5，為了進(jìn)一步與實(shí)際符合，在這個(gè)方案中再考慮牛頭對(duì)鋼絲繩索的影響，模型如圖15-1所示。約束基于方案4，將圖14-1的B處加載在兩個(gè)側(cè)耳共八個(gè)點(diǎn)上的集中力去除，在牛頭的鋼絲繩橫斷面上添加下拉均布載荷，載荷大小為3.1MPa，方向垂直牛頭小端平面；添

30、加牛頭的鋼絲側(cè)面與鋼絲繩索兩側(cè)耳圓弧面接觸約束。圖15-1 綜合考慮后的三維模型圖（B）載荷及約束如圖15-1所示，鋼絲繩索兩個(gè)上耳處分別為9.0MPa上耳壓力的作用區(qū)域?yàn)榕c上耳相臨近的半圓柱面上；在牛頭上施加下拉的均布載荷，大小為3.1MPa；方鋼梁兩端完全固定（ALL DOF），不允許有任何一個(gè)方向上的串動(dòng)；圓柱銷(xiāo)與鋼絲繩索間各有一對(duì)面與面接觸，且主面為鋼絲繩索圓孔內(nèi)表面；鋼絲繩索內(nèi)表面（3個(gè)面）與方鋼梁外表面（3個(gè)面）的對(duì)應(yīng)面之間各有一對(duì)面與面接觸，且主面為鋼絲繩索內(nèi)表面；在牛頭處，牛頭的圓柱面和側(cè)耳的內(nèi)圓柱面之間存在一一對(duì)應(yīng)的面與面接觸（共四對(duì)）關(guān)系，且主面為鋼絲繩索的圓柱內(nèi)表面。具體

31、約束如圖15-2所示。圖15-2 約整體模型的約束及載荷（C）網(wǎng)格劃分在實(shí)體模型網(wǎng)格劃分時(shí)，為了得到比較規(guī)則的網(wǎng)格，我們使用的是體網(wǎng)格劃分中的掃掠網(wǎng)格劃分命令。為了便于掃掠網(wǎng)格劃分，我們將模型分割成多個(gè)形狀簡(jiǎn)單的體，如下圖15-3和圖15-4所示。圖15-3 鋼絲繩索體分割圖圖15-4整體體分割圖在網(wǎng)格劃分時(shí)，還需要對(duì)劃分體上的線的尺寸進(jìn)行設(shè)置，在這里就不一一敘述了，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖15-5和圖15-6所示：圖15-5 鋼絲繩索網(wǎng)格劃分圖圖15-6整體體網(wǎng)格劃分圖（D）求解及結(jié)果在Ansys中求解設(shè)置求解步數(shù)為10步，并記錄所有步數(shù)的信息，求解的步數(shù)信息如圖15-7所示。圖15-7 鋼絲繩索分

32、10步求解整體的ansys分析結(jié)果的第3步和第10步求解結(jié)果如圖15-8至圖15-11所示：圖15-8 整體第3步位移云圖圖15-9 整體第3步應(yīng)力云圖圖15-10 整體第10步位移云圖圖15-11 整體第10步應(yīng)力云圖由圖15-10和圖15-11可知，整體分析結(jié)果的最大位移為0.02mm，最大節(jié)點(diǎn)應(yīng)力為108.2Mpa，且最大位移和最大節(jié)點(diǎn)應(yīng)力都在牛頭上。為了明確了解鋼絲繩索的受力情況，從整體中提取出鋼絲繩索零件，其在ansys中第3步和第10步求解結(jié)果如圖15-12至圖15-15所示： 圖15-12 鋼絲繩索第3步位移云圖圖15-13 鋼絲繩索第3步應(yīng)力云圖圖15-14 鋼絲繩索第10步位

33、移云圖圖15-15 鋼絲繩索第10步應(yīng)力云圖由圖15-14和圖15-15可知，鋼絲繩索的最大位移為0.017mm，最大節(jié)點(diǎn)應(yīng)力為60.9MPa，相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)上抗拉強(qiáng)度160MPa，該鋼絲繩索是安全可靠的。其中，鋼絲繩索上最大的位移變形發(fā)生在上耳上，最大的應(yīng)力發(fā)生在鋼絲繩索的側(cè)耳圓柱面上。上耳斜邊位移變化曲線如圖15-16所示，側(cè)耳圓柱面上的應(yīng)力變化曲線如圖15-17所示。圖15-16上耳斜邊位移變化曲線圖15-17側(cè)耳圓柱面上的應(yīng)力變化曲線（D）個(gè)人小結(jié)在本次有限元分析的實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)模型的實(shí)際情況，我認(rèn)為用一般的線性分析必然會(huì)導(dǎo)致分析結(jié)果失真，原因如下所述：第一，從約束的方面來(lái)說(shuō)，方鋼梁以及銷(xiāo)對(duì)

34、鋼絲繩索的支撐而非固定。根據(jù)上述成員的ansys分析結(jié)果，我們可以看出鋼絲繩索在外載荷的作用下，兩邊的側(cè)面會(huì)向內(nèi)收縮，頂面會(huì)被向上拉起。在實(shí)際情況中，方鋼梁的側(cè)面會(huì)阻止鋼絲繩索側(cè)面向內(nèi)變形，放鋼梁的頂面不會(huì)阻止鋼絲繩索頂面向上變形，所以這樣的約束無(wú)法用ansys中已有的約束命令真實(shí)的表示出來(lái)；第二，從載荷的角度來(lái)說(shuō)，鋼絲繩索的側(cè)耳受力情況不能用集中力來(lái)代替，因?yàn)閷?shí)際情況是牛頭因?yàn)槭艿较蛳碌睦?，但是牛頭在被向下拉的時(shí)候，會(huì)受到鋼絲繩索側(cè)耳內(nèi)部的阻礙，被卡在一定的位置，從而鋼絲繩索的側(cè)耳受力，這個(gè)力也無(wú)法簡(jiǎn)單的表達(dá)出來(lái)。綜上所述，我認(rèn)為要用到ansys中的非線性分析，將與鋼絲繩索有關(guān)的零件進(jìn)行裝

35、配，進(jìn)行整體分析，牛頭與鋼絲繩索之間、方鋼梁與鋼絲繩索之間的連接方式為接觸，摩擦系數(shù)設(shè)置為0.2。在做整體的有限元分析時(shí)，我遇到的問(wèn)題與解決方法如下所示：1）三維模型的問(wèn)題：由于ansys三維建模太復(fù)雜，所以我是用NX軟件建立各個(gè)零件三維模型并裝配為一體整體后，直接導(dǎo)入到ansys軟件中的；2）網(wǎng)格劃分的問(wèn)題：得到比較規(guī)則的網(wǎng)格，我們使用的是體網(wǎng)格劃分中的掃掠網(wǎng)格劃分命令，在掃掠網(wǎng)格劃分前，由于在ansys中分割后的體仍能保持網(wǎng)格的連續(xù)性，所以我們將模型分割成多個(gè)形狀簡(jiǎn)單的體，且劃分時(shí)通過(guò)設(shè)置劃分體上的線的尺寸進(jìn)行設(shè)置，實(shí)現(xiàn)控制網(wǎng)格的目的。5.5 有限元分析結(jié)果對(duì)比上述有限元分析基于由簡(jiǎn)到繁、

36、由易到難的過(guò)程，每一個(gè)方案計(jì)算成功后，再進(jìn)一步細(xì)化，綜合考慮，使得分析的結(jié)果一步一步的接近真實(shí)情況。本組將在時(shí)間和精力允許的情況下，按照規(guī)劃的方案順序進(jìn)行有限元分析。分析中，方案1實(shí)施過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在底面施加均布載荷后求得的變形量會(huì)很大。方案2在分析計(jì)算時(shí)發(fā)現(xiàn)，施加多點(diǎn)式的集中力代替牛頭拉力的分析結(jié)果應(yīng)力相應(yīng)減小，在后續(xù)分析時(shí)，采用施加多點(diǎn)式的集中力。在方案3中，考慮銷(xiāo)對(duì)鋼絲繩索的約束作用，使得分析結(jié)果更加接近現(xiàn)實(shí)，由分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，此時(shí)的應(yīng)力集中在銷(xiāo)孔處，且應(yīng)力明顯降低。在方案4中不但考慮了銷(xiāo)的作用，還考慮了方鋼梁對(duì)鋼絲繩索的支撐作用，此時(shí)通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力最大區(qū)域?qū)嶋H是在鋼絲繩索與方鋼梁接觸的

37、邊上，并不是在圓柱銷(xiāo)孔處，盡管此時(shí)的結(jié)果應(yīng)力值稍有變大，但是分析結(jié)果更加接近現(xiàn)實(shí)。方案5是在方案4的基礎(chǔ)上又考慮了牛頭對(duì)鋼絲繩索的影響，根據(jù)分析的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，此時(shí)的應(yīng)力最大值點(diǎn)在牛頭與鋼絲繩索接觸部位，且最大值在牛頭上，最大值為108.2MPa，而實(shí)際的鋼絲繩索上的最大應(yīng)力為60.9MPa，位置在鋼絲繩索的側(cè)耳圓柱面上。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，該鋼絲繩索在豎直方向平衡力為100kg，總計(jì)200kg時(shí)，主要部位的應(yīng)力值在許用應(yīng)力范圍之內(nèi)，可以應(yīng)用在基于實(shí)驗(yàn)情況載荷的工況之下。根據(jù)分析提出以下優(yōu)化方案： 1）合理布置上耳與側(cè)耳的位置，使得力盡量可以達(dá)到相互平衡，盡量減少鋼絲繩索的受力；2）在兩上耳之間可以適當(dāng)

38、添加材料，如增加突起的輻條，增加零件的剛度等。6 實(shí)驗(yàn)總結(jié)6.1 實(shí)驗(yàn)心得體會(huì)有限元這門(mén)課教會(huì)我們的是理論知識(shí)，思路是用較簡(jiǎn)單的問(wèn)題代替復(fù)雜問(wèn)題后在求解。求解對(duì)象被看成是由若干個(gè)有限的小的互連子域組成，對(duì)每一個(gè)單元假定一個(gè)合適的近似解，然后推導(dǎo)求得整個(gè)對(duì)象的平衡條件，最終實(shí)現(xiàn)問(wèn)題的求解。Ansys是有限元領(lǐng)域的一個(gè)工具，借助計(jì)算機(jī)的高速運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)工程問(wèn)題的快速精確求解。本實(shí)驗(yàn)是基于Ansys的有限元計(jì)算?；镜倪^(guò)程為模型的建立、單元特性分析、物體離散化、約束載荷的施加、求解及結(jié)果輸出。分析的過(guò)程很明確，但是具體的操作卻并沒(méi)有想象的那么簡(jiǎn)單。模型及單元屬性的賦予都很簡(jiǎn)單，當(dāng)然選擇合適的單元類(lèi)型是

39、一門(mén)比較專(zhuān)業(yè)的學(xué)問(wèn)，這里選擇的是Solid186單元，每個(gè)單元有20個(gè)結(jié)點(diǎn)。求解也是相對(duì)簡(jiǎn)單的，只要選擇Solve，然后等待計(jì)算機(jī)輸出結(jié)果。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，最難的是模型優(yōu)化、模型網(wǎng)格劃分和載荷施加。對(duì)于實(shí)際問(wèn)題的分析，約束載荷施加部位的不同可能導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果相差很大，有時(shí)為了添加約束或載荷而不得不采用近似約束或載荷，這樣的約束及載荷方式也會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的偏差，因此找到盡量合理的約束及載荷的施加方式和位置在有限元分析中至關(guān)重要。對(duì)于模型優(yōu)化：1）模型的優(yōu)化不僅要考慮模型的簡(jiǎn)單，而且要考慮到網(wǎng)格劃分時(shí)生成網(wǎng)格的質(zhì)量，對(duì)于一些細(xì)小的環(huán)節(jié)，直接去除或者用別的方法將細(xì)節(jié)覆蓋掉，小的細(xì)節(jié)對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量影響巨大

40、，會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)格劃分時(shí)的嚴(yán)重失真；2）對(duì)于模型中一些不重要的特征，可以按需處理，如本實(shí)驗(yàn)中，對(duì)一些倒圓角進(jìn)行去除處理；3）模型的優(yōu)化要保證不能偏離實(shí)際情況，而是要讓模型在簡(jiǎn)單的同時(shí)盡可能的與實(shí)際相符，方便對(duì)模型進(jìn)行載荷和約束的添加。對(duì)于網(wǎng)格劃分：1）好的網(wǎng)格是計(jì)算精度得以保證的基石，目前遇到的只有六面體、四面體，就計(jì)算精度而言，六面體比四面體好，且20結(jié)點(diǎn)的好于8結(jié)點(diǎn)的；2）在網(wǎng)格劃分中經(jīng)常出現(xiàn)網(wǎng)格質(zhì)量很差而報(bào)錯(cuò)的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象要盡可能避免，在實(shí)驗(yàn)中采用的方法有設(shè)置全局的種子密度、局部種子密度調(diào)整等手段，使得劃分的網(wǎng)格不報(bào)錯(cuò)，而且使網(wǎng)格均勻，不出現(xiàn)尖角的三角形網(wǎng)格，例如在鋼絲繩索的上耳部分，尖角極易產(chǎn)生，最終是將于上表面銜接部分的種子數(shù)目調(diào)整為18，豎立邊調(diào)整為9，斜長(zhǎng)邊調(diào)整為22，解決了尖角的三角形單元；3）網(wǎng)格劃分均勻性的調(diào)整在網(wǎng)格劃分中也十分重要，經(jīng)常出現(xiàn)的是