1、前言機(jī)械類專業(yè)要學(xué)習(xí)和掌握現(xiàn)代的機(jī)械設(shè)計(jì)方法，應(yīng)能利用計(jì)算機(jī)等工具進(jìn)行一般機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。有限元法是力學(xué)理論和近代數(shù)字電子計(jì)算機(jī)上的計(jì)算方法相結(jié)合的產(chǎn)物。它的產(chǎn)生和發(fā)展，對于分析工程中復(fù)雜的結(jié)構(gòu)問題發(fā)揮了重要作用，是機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)和進(jìn)行振動分析的必不可少的重要手段。 通過有限元的課程設(shè)計(jì)，利用有限元計(jì)算軟件進(jìn)行一次較為完整的全面訓(xùn)練，要求自己動手，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，上機(jī)計(jì)算，結(jié)論分析等。并能進(jìn)一步培養(yǎng)綜合運(yùn)用各種知識分析問題和解決問題的能力，把書本上的知識及老師的講授，并且還特別注意緊密聯(lián)系工程實(shí)際問題，以培養(yǎng)深入思考和理論聯(lián)系實(shí)際的能力。這實(shí)際上是一次全方面的考核，通過這樣的訓(xùn)練，會得到深刻的認(rèn)識，為

2、今后利用有限元法和CAD技術(shù)解決實(shí)際問題打下較好的基礎(chǔ)。 通過有限元的課程設(shè)計(jì)來解決一個實(shí)際的問題，確實(shí)使過去許多材料力學(xué)解決不了的問題得到迅速而又可靠的解答。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的應(yīng)用和有限元軟件的配合，使得原本麻煩費(fèi)力變得快速。有限元分析軟件已成為CAD常用計(jì)算方法庫中不可缺少的內(nèi)容之一，通過人機(jī)交互作用，自動建模和生成數(shù)據(jù)文件，最后的計(jì)算結(jié)果以圖形方式輸出，這樣是結(jié)果與圖形，受力及載荷的作用形式一目了然更加形象。 對身管強(qiáng)度的計(jì)算采用了ANSYS13.0有限元程序進(jìn)行分析，其基本思想就是把每個單元變形鏈接在一起構(gòu)成整個身管的變形，利用線性的應(yīng)力、應(yīng)變基本方程和物理基本方程，較為有效地解決復(fù)雜載

3、荷的身管應(yīng)力和應(yīng)變計(jì)算。 ANSYS13.0有限元分析的基本步驟為：（1）分析問題；（2）建立有限元模型；（3）施加載荷；（4）進(jìn)行求解；（5）后處理。1 用AutoCAD繪制出加農(nóng)炮身管圖并標(biāo)注尺寸1.1 繪制炮身結(jié)構(gòu)由提供的86式85毫米加農(nóng)炮身管結(jié)構(gòu)圖，應(yīng)用AutoCAD2011軟件采用第一角投影法，嚴(yán)格按照GB4457-4460-84，GB131-83機(jī)械制圖標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定制圖，炮身零件工程圖見附錄1。1.2 86式85毫米加農(nóng)炮身管圖說明（1）圖紙名稱：86式85毫米加農(nóng)炮身管圖；（2）繪圖比例：1:15 ； （3）數(shù)量：1 ；（4）繪圖方法：半剖式。 1.3 在繪制過程中應(yīng)注意問題（1）

4、繪圖前先設(shè)置圖限、圖層；（2）不同類型的對象繪制在不同的圖層上，利于以后修改；（3）設(shè)置線寬顯示比例，使粗細(xì)線顯示協(xié)調(diào)；（4）內(nèi)螺紋的大徑為細(xì)實(shí)線，小徑為粗實(shí)線；（5）標(biāo)注前先設(shè)置標(biāo)注樣式，包括非圓直徑、角度、標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)注等；（6）將圖形縮小到A4圖紙后，應(yīng)注意放大線寬。2.用AutoCAD繪出身管截面圖建立有限元模型有兩種方法，輸入法和創(chuàng)建法。輸入法是直接輸入由其他CAD軟件創(chuàng)建好的實(shí)體模型，創(chuàng)建法是在ANSYS中從無到有地創(chuàng)建實(shí)體模型，兩者并不是完全分開的。但由于ANSYS在創(chuàng)建模型是過于繁瑣，本次課程設(shè)計(jì)采用輸入法建立有限元模型。利用AUTOCAD2011,以y軸為火炮身管的對稱軸繪制截面圖

5、的右側(cè)部分，并利用CAD中面域功能將所繪制的圖形面域化。將上述繪制好的圖形以“SAT”文件格式導(dǎo)出 ,保存并命名。3. 問題分析3.1 85mm火炮身管靜態(tài)受力分析身管的材料參數(shù)為：彈性模量E=270GPa,泊松比u=0.3：此模型后端施加X軸方向固定位移約束，在身管的膛低和坡膛之間內(nèi)側(cè)表面垂直內(nèi)表面方向上施加MP的均布載荷。模型如圖3-1所示。圖3-13.2 確定問題范圍在對問題有了初步了解以后，進(jìn)一步要弄明白問題涉及的領(lǐng)域，即確定問題的范圍。對問題分析可知本問題屬于結(jié)構(gòu)力學(xué)領(lǐng)域中的靜態(tài)分析問題且在材料變形的線性變形的范圍內(nèi)。4.建立有限元模型建立模型包括設(shè)定分析作業(yè)和標(biāo)題；定義單元類型和實(shí)

6、常數(shù)；定義材料屬性；導(dǎo)入幾何模型；劃分有限元網(wǎng)格。其具體步驟為：4.1 設(shè)定分析作業(yè)名和標(biāo)題在進(jìn)行一個新的有限元分析時，通常需要修改數(shù)據(jù)庫名，并在圖形輸出窗口中定義一個標(biāo)題來說明當(dāng)前進(jìn)行的工作內(nèi)容。另外，對于不同的分析范疇（結(jié)構(gòu)分析，熱分析，流體分析，電磁場分析等），ANSYS所用的主菜單的內(nèi)容不盡相同，為此，需要在分析開始時選定分析內(nèi)容的范疇，以便ANSYS顯示出與其相對應(yīng)的菜單選項(xiàng)。1) 定義工作文件名:執(zhí)行File-Chang Jobname- 如圖4-1所示。 圖4-12) 定義工作標(biāo)題：執(zhí)行File-Change Tile- The stress aanlysis of the 80

7、mm Gun如圖4-2所示。圖4-23) 更改工作文件儲存路徑：執(zhí)行File-Chang Directory-F:workansys如圖4-3所示。圖4-34）定義分析類型，執(zhí)行Main Menu-Preferences,如圖4-4所示。 圖4-44.2 定義單元類型在進(jìn)行有限元分析時，首先應(yīng)該根據(jù)分析問題的幾何結(jié)構(gòu)，分析類型和所分析的問題精度要求等，選定合適具體分析的單元類型。本次選用四節(jié)點(diǎn)四邊形板單元PLANE182。PLANE182不僅可用于計(jì)算平面應(yīng)力問題，還可以用于分析平面應(yīng)變和軸對稱問題。單元類型對話框如圖4-5所示。圖4-51） 定義單元類型，執(zhí)行Main Menu-Prepro

8、cessor-Element Type-Add彈出Element Type 對話框.如圖4-6所示。 圖4-62） 單擊Options按鈕，打開圖4-7所示對話框，在Element behavior(單元行為方式)下拉列表框中選擇Axisymmetric（軸對稱）選項(xiàng)。圖4-74.3定義材料屬性本次選用的單元類型不需要定義實(shí)常數(shù)，故直接定義材料屬性。1） 執(zhí)行Main menu-Preprocessor-Material Props-Material models,在Define material model behavior對話框中，雙擊Structual-Linear-Elastic-Is

9、otropic.如圖4-8所示。圖4-82） 依次單擊Structural-Linear-Elastic-Isotropic,展開材料屬性的樹形結(jié)構(gòu)。打開材料的彈性模量EX和泊松比PRXY的定義對話框，如圖4-9所示，在對話框的EX文本框中輸入彈性模量2.7e11，在PRXY文本框中輸入泊松比0.3。圖4-93） 依次單擊Structural-Density,打開定義材料密度對話框，如圖4-10所示，在DENS文本框中輸入密度數(shù)值7.8e3。圖4-104.4導(dǎo)入幾何模型將模型導(dǎo)入到ANSYS，執(zhí)行File-ImportSAT瀏覽上述模型，如圖4-11所示。圖4-11導(dǎo)入后如下圖4-12所示：圖

10、4-124.5. 網(wǎng)格劃分1） 執(zhí)行Main Menu-Preprocessor-meshing-Mesh Tool命令，打開Mesh Tool(網(wǎng)格工件)，如圖4-13所示。圖4-132）自定義網(wǎng)格形式，單擊Line域Set 按鈕，打開選擇對話框，要求選擇定義單元劃分?jǐn)?shù)的線。在圖中選中炮膛內(nèi)壁的線，單擊apply按鈕，出現(xiàn)如圖4-14所示對話框，在No.of elemen divisions文本框中輸入20，單擊apply，如圖4-15所示。圖4-14圖4-154） 在Mesh欄中選擇Areas選項(xiàng)，在Shape選項(xiàng)中選擇Free選項(xiàng)，選擇Mesh按鈕，出現(xiàn)對話框，在對話框中選擇Pick A

11、ll，ANSYS將按照對線的控制進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，劃分后的結(jié)果如圖 4-16所示。圖4-165. 加載以及求解5.1 添加位置約束執(zhí)行Main menu-Solution-Define Load-apply-structural-Displacement-on Lines出現(xiàn)選擇對話框，選擇最下端的線，單擊OK按鈕出現(xiàn)Apply U,ROT on Lines對話框，選擇UY，單擊OK按鈕，如圖5-1所示。圖5-15.2添加載荷執(zhí)行Main menu-Solution-Define Load-apply-structural-Pressure-on lines，打開選擇線對話框，選擇身管的膛低和坡

12、膛之間內(nèi)側(cè)表面線，單擊OK按鈕，出現(xiàn)Apply PRES on lines對話框,在Load PRES value文本框中輸入2.505e8，單擊OK按鈕施加外載荷，如圖5-2所示。圖5-25.3施加完成載荷與約束后如圖5-3所示。圖5-35.3求解執(zhí)行Main menu-Solution-Solve-Current LS,求解。求解完成后會出現(xiàn)如圖5-4所示對話框。圖5-46. 后處理 求解完成后，就可以利用ANSYS軟件生成的結(jié)果文件（對于靜力分析，就是Jobname.RST）進(jìn)行后處理。靜力分析中通常通過POST1后處理器就可以處理和顯示大多數(shù)興趣的結(jié)果數(shù)據(jù)。6.1 查看變形圖關(guān)鍵的變形

13、為徑向變形，在高膛壓下膛低至坡膛處徑向產(chǎn)生過大變形，可能導(dǎo)致身管破裂。1） 執(zhí)行Main Menu：General Postproc-Plot Results-Contour Plot-Nodal命令對話框，打開Contour Nodal Solution Nata（等值線顯示節(jié)點(diǎn)解數(shù)據(jù)）對話框，如圖6-1所示。圖6-12） 在Item to be contoured（等值線顯示結(jié)果項(xiàng)）域中選擇DOF solution（自由度解）選項(xiàng)。3） 在列表框中選擇X-Component of displacement（X向位移）選項(xiàng)，此時，結(jié)果坐標(biāo)系為柱坐標(biāo)系，X向位移即為徑向位移。4） 選擇Defo

14、rmed shape with undeformed edge（變形后和未變形輪廓線）選項(xiàng)。5） 單擊OK按鈕，在圖形窗口中顯示變形圖，包含變形前的輪廓線，如圖6-2所示。圖中下方的色譜表面不同顏色對應(yīng)的數(shù)值。圖6-26）局部放大圖如圖6-3所示。圖6-37）用同樣方法顯示Y向位移，如圖6-4所示。圖6-48）局部放大如圖6-5所示。圖6-56.2查看應(yīng)力火炮身管膛內(nèi)壓力垂直于內(nèi)表面，主要應(yīng)力也是徑向應(yīng)力。1） 執(zhí)行Main Menu：General Postproc-Plot Results-Contour Plot-Nodal命令對話框，打開Contour Nodal Solution N

15、ata（等值線顯示節(jié)點(diǎn)解數(shù)據(jù)）對話框，如圖6-6所示。圖6-62）在Item to be contoured（等值線顯示結(jié)果項(xiàng)）域中選擇Stress（應(yīng)力解）選項(xiàng)。3）在列表框中選擇X-Component of stress（X向應(yīng)力）選項(xiàng)。4）選擇Deformed shape with only（僅顯示變形后模型）選項(xiàng)。5）單擊OK按鈕，在圖形窗口中顯示應(yīng)力圖，如圖6-7所示。圖中下方的色譜表面不同顏色對應(yīng)的數(shù)值。圖6-76）局部放大如圖6-8所示。圖6-86）用同樣方法顯示Y方向應(yīng)力如圖6-9所示。圖6-97）局部放大如圖6-10所示。圖6-106.3查看三維立體圖1）從應(yīng)用菜單中選擇Ut

16、ility Menu：PlotCtrlsStyleSymmetric Expansion2D AxiSymmetric命令，打開2D Axi-Symmetric對話框，如圖6-11所示。圖6-112）在Select expansion anount欄中選擇Full expansion。3）單擊OK按鈕，得到如圖6-12所示結(jié)果。圖6-124）在Select expansion anount欄中選擇3/4 expansion。5）單擊OK，得到如圖6-13所示結(jié)果。圖6-137.結(jié)論：通過上述位移圖分析可得，最大位移為0.mm。通過上述應(yīng)力圖分析可得，最大應(yīng)力為0.543E+08Pas=6.50

17、e+8pa,身管滿足強(qiáng)度。ANSYS有限元軟件包是一個多用途的有限元法計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)程序，可以用來求解結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場及碰撞等問題，但是建模功能方面不是很強(qiáng)大。因此，一般都是在PROE或者AUTOCAD中建模，然后再導(dǎo)入ANSYS分析。通過這次的有限元課程的綜合設(shè)計(jì)，學(xué)習(xí)到了很多東西，而且認(rèn)識到了在將知識轉(zhuǎn)化成行動方面的不足，在以后的學(xué)習(xí)中要不斷的完善，努力提高實(shí)踐的能力和水平，這對將來的工作有一定的益處。掌握的知識有以下幾點(diǎn)； （1）此次課程設(shè)計(jì)利用有限元的思想進(jìn)行分析,人為的將身管半剖面劃分為有限個單元體，各個單元在各個節(jié)點(diǎn)相連，再對每個單元進(jìn)行特性分析，得出各節(jié)點(diǎn)位移及分布情況，從而得出整體的應(yīng)力情況。 （2）由于身管失效形式是塑性變形，所以在計(jì)算過程中主要是利用第四強(qiáng)度理論，只要相當(dāng)應(yīng)力達(dá)到材料的屈服極限，材料就發(fā)生屈服。 （3）經(jīng)過此次課程設(shè)計(jì)深深體