螺栓疲勞強(qiáng)度計(jì)算分析

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. 螺栓疲勞強(qiáng)度計(jì)算分析 摘要：在應(yīng)力理論、疲勞強(qiáng)度、螺栓設(shè)計(jì)計(jì)算的理論基礎(chǔ)之上，以疲勞強(qiáng)度計(jì)算所采取的三種方法為依據(jù)，以汽缸蓋緊螺栓連接為研究對(duì)象，進(jìn)行本課題的研究。假設(shè)汽缸的工作壓力為0~1N/mm2=之間變化，氣缸直徑D2=400mm，螺栓材料為5.6級(jí)的35鋼，螺栓個(gè)數(shù)為14，在F〞=1.5F，工作溫度低于15℃這一具體實(shí)例進(jìn)行計(jì)算分析。利用ProE建立螺栓連接的三維模型及螺桿、螺帽、汽缸上端蓋、下端蓋的模型。先以理論知識(shí)進(jìn)行計(jì)算、分析，然后在分析過程中借助于ANSYS有限元分析軟件對(duì)此螺栓連接進(jìn)行受力分析，以此驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性、可靠性。經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，有限元方法的理論更加完善，應(yīng)用也更廣泛，已經(jīng)成為設(shè)計(jì)，分析必不可少的有力工具。然后在其分析計(jì)算基礎(chǔ)上，對(duì)于螺栓連接這一類型的連接的疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)所采取的一般公式進(jìn)行分類，進(jìn)一步在此之上總結(jié)。 關(guān)鍵詞：螺栓疲勞強(qiáng)度，計(jì)算分析，強(qiáng)度理論，ANSYS 有限元分析。 Bolt fatigue strength analysis Abstract: In stress fatigue strength theory， bolt， design calculation theory foundation to fatigue strength calculation for the three methods adopted according to the cylinder lid， fasten bolt connection as the object of research， this topic research. Assuming the cylinder pressure of work is 0 ~ 1N/mm2 changes， cylinder diameters between = = 400mm， bolting materials D2 for ms5.6 35 steel， bolt number for 14， in F "= 1.5 F below 15 ℃， the temperature calculation and analysis of concrete examples. Using ProE establish bolt connection three-dimensional models and screw， nut， cylinder under cover， cover model. Starts with theoretical knowledge calculate， analysis， and then during analysis， ANSYS finite element analysis software by this paper analyzes forces bolt connection， to verify the rationality of the design of and reliability. After nearly decades of development， the theory of finite element method is more perfect， more extensive application， has become an indispensable design， analysis the emollient tool. Then in its analysis and calculation for bolt connection， based on the type of connection to the fatigue strength design of the general formula classification， further on top of this summary. Keywords: bolt fatigue strength， calculation and analysis， strength theory， ANSYS finite elements analysis. 目 錄 1緒論 5 1．1緒論 5 1.2 疲勞強(qiáng)度的概念及常見的疲勞損傷類型 5 1.3影響疲勞強(qiáng)度的因素 5 1.4前景展望 6 1.5研究的目的意義 6 2相關(guān)背景知識(shí) 7 2.1背景知識(shí) 7 2.1.1強(qiáng)度理論及疲勞強(qiáng)度的計(jì)算主要有三種方法： 7 2.4螺栓連接的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則 13 3 Pro/E三維造型 14 3.1 ProE簡(jiǎn)介 14 3.2螺栓連接零件圖 14 4實(shí)例分析 18 4.1理論分析 18 4.1.1計(jì)算各力的大小 18 4.2理論分析總結(jié) 20 5 ANSYS有限元分析 21 5.1ANSYS有限元分析 21 5.1.1分析軟件及工作原理介紹 21 5.1.2 ANSYS分析求解步驟 22 5.2 ANSYS分析 23 5.3ANSYS分析總結(jié) 26 總 結(jié) 27 [參考文獻(xiàn)] 28 致 謝 30 . 1緒論 本章主要介紹疲勞強(qiáng)度的基本概念及疲勞損傷的類型，影響疲勞強(qiáng)度的因素，以及作此設(shè)計(jì)的前景、目的和意義。 1.1緒論 本次畢業(yè)論文研究的主要問題是—在強(qiáng)度理論基礎(chǔ)之上就螺栓的疲勞強(qiáng)度計(jì)算及分析進(jìn)行研究。為了便于機(jī)器的制造、安裝、運(yùn)輸、維修以及提高其勞動(dòng)生產(chǎn)率等，廣泛地應(yīng)用各種連接。螺栓連接、鍵連接、銷連接、鉚連接、焊接、膠接、過盈連接，其中螺栓連接因?yàn)槠浣?jīng)濟(jì)性，方便性，可靠性，最常用，用的最廣，因而研究其在不同工作情況下的疲勞強(qiáng)度對(duì)于提高連接的可靠性，安全性，機(jī)械整體的性能，整個(gè)機(jī)械行業(yè)乃至整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)具有重要的意義。本論文側(cè)重研究其在交變應(yīng)力情況下的強(qiáng)度計(jì)算機(jī)分析。在冶金，礦山，工程，運(yùn)輸?shù)葯C(jī)械設(shè)備中，承受變載荷的螺栓連接廣泛地應(yīng)用著，因而研究螺栓連接疲勞強(qiáng)度計(jì)算分析是十分必要和有實(shí)用價(jià)值的。本論文有兩方面的任務(wù)一是疲勞強(qiáng)度的計(jì)，二是對(duì)影響疲勞強(qiáng)度的因素進(jìn)行分析，就螺栓的疲勞強(qiáng)度計(jì)算展開，以汽缸螺栓連接實(shí)例把理論分析和有限元分析相結(jié)合，然后就此得出螺栓連接疲勞計(jì)算分析的一般規(guī)律。 1.2 疲勞強(qiáng)度的概念及常見的疲勞損傷類型 如軸、齒輪、軸承、葉片、彈簧等，在工作過程中各點(diǎn)的應(yīng)力隨時(shí)間作周期性的變化，這種隨時(shí)間作周期性變化的應(yīng)力稱為交變應(yīng)力（也稱循環(huán)應(yīng)力）。在交變應(yīng)力的作用下，雖然零件所承受的應(yīng)力低于材料的屈服點(diǎn)，但經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間的工作后產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的現(xiàn)象稱為金屬的疲勞疲勞強(qiáng)度是指金屬材料在無限多次交變載荷作用下而不破壞的最大應(yīng)力稱為疲勞強(qiáng)度或疲勞極限。 疲勞破壞是機(jī)械零件失效的主要原因之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在機(jī)械零件失效中大約有80%以上屬于疲勞破壞，而且疲勞破壞前沒有明顯的變形，所以疲勞破壞經(jīng)常造成重大事故，所以對(duì)于軸、齒輪、軸承、葉片、彈簧等承受交變載荷的零件要選擇疲勞強(qiáng)度較好的材料來制造。 1.3影響疲勞強(qiáng)度的因素 金屬疲勞在交變應(yīng)力作用下，金屬材料發(fā)生的破壞現(xiàn)象。機(jī)械零件在交變壓力作用下，經(jīng)過一段時(shí)間后，在局部高應(yīng)力區(qū)形成微小裂紋，再由微小裂紋逐漸擴(kuò)展以致斷裂。疲勞破壞具有在時(shí)間上的突發(fā)性，在位置上的局部性及對(duì)環(huán)境和缺陷的敏感性等特點(diǎn)，故疲勞破壞常不易被及時(shí)發(fā)現(xiàn)且易于造成事故。應(yīng)力幅值、平均應(yīng)力大小 . 循環(huán)次數(shù)是影響金屬疲勞的三個(gè)主要因素。 1.4前景展望 伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和各種分析軟件的成熟，ANSYS、ABAQUS、NASTRAN、MARK、ALGOR以及ADINA等為代表的一系列分析軟件的不斷完善，運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)的發(fā)展使其理論分析有了更加堅(jiān)實(shí)可靠的手段和依據(jù)，使得其更加接近真實(shí)情況，各種仿真軟件和分析系統(tǒng)的日趨完善使得對(duì)螺栓疲勞強(qiáng)度的分析計(jì)算更加科學(xué)，可信。 1.5研究的目的意義 螺栓連接的在各種設(shè)備及機(jī)械中廣泛應(yīng)用，連接的可靠性，安全性事關(guān)生命及整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，可靠，嚴(yán)密的而強(qiáng)度理論研究是生產(chǎn)高強(qiáng)度，高質(zhì)量的零部件的前提，可靠的連接是機(jī)械設(shè)備及其零部件正常，安全，高效工作的必然要求，所以進(jìn)行螺栓疲勞強(qiáng)度的設(shè)計(jì)計(jì)算分析是發(fā)展生產(chǎn)的必然要求具有重大的理論和現(xiàn)實(shí)意義。 . 2相關(guān)背景知識(shí) 本章主要講解進(jìn)行螺栓疲勞強(qiáng)度計(jì)算分析所需要的理論基礎(chǔ)，包括強(qiáng)度理論及疲勞強(qiáng)度計(jì)算的三種公式；螺栓連接的設(shè)計(jì)計(jì)算公式；螺栓連接的設(shè)計(jì)原則；強(qiáng)度計(jì)算公式選擇的原則。 2.1背景知識(shí) 2.1.1強(qiáng)度理論及疲勞強(qiáng)度的計(jì)算主要有三種方法： ①若γ=常數(shù)，則也有α=1-γ/1+γ=常數(shù)，即α=常數(shù)，在圖2.1中設(shè)M點(diǎn)為一工作點(diǎn)，這樣過原點(diǎn)的射線OM就代表簡(jiǎn)單就代表簡(jiǎn)單加載情況。M點(diǎn)（假設(shè)在AB線上，一下均同假設(shè)）為工作應(yīng)力點(diǎn)M按γ=C變化得到極限應(yīng)力點(diǎn)。 聯(lián)解OM，AB兩條直可得 圖 2.1 γ=常數(shù)時(shí)的極限應(yīng)力 2-1 則可求出點(diǎn)M′點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)于點(diǎn)M點(diǎn)的應(yīng)力極限為 2-2 則根據(jù)最大應(yīng)力求得的最大應(yīng)力安全系數(shù)計(jì)算值及強(qiáng)度條件為 2-3 ②按應(yīng)力幅計(jì)算； σmin=C 若man =C則有σmin ==C，故在圖2中，過工作點(diǎn)M作與橫坐標(biāo)夾角為45的直線MM′，則這條直線上任一點(diǎn)的應(yīng)力最小值相同，即復(fù)合σmin==C的加載條件。M′所代表的應(yīng)力就是此情況下計(jì)算時(shí)應(yīng)采用的疲勞極限應(yīng)力。 圖 2-2σmin=C時(shí)的極限應(yīng)力 聯(lián)解直線MM′，AB方程 2-4 代入 ，可解得M′的坐標(biāo)（σ′m，σ′a） 則根據(jù)最大應(yīng)力求得的最大應(yīng)力安全系數(shù)計(jì)算值及強(qiáng)度條件為 2-5 ③按應(yīng)力的循環(huán)特性保持不變（即γ=C）的應(yīng)力變化規(guī)律計(jì)算 即σm=C在圖3中，過工作點(diǎn)M，作縱軸的平行線MM′，則此直線上任一點(diǎn)的應(yīng)力，其平均應(yīng)力相同，即符合σm=σ的加載條件。M′點(diǎn)所代表的應(yīng)力就是此情況下計(jì)算時(shí)所采取的疲勞強(qiáng)度極限應(yīng)力。 圖 2-3σm=C時(shí)的極限應(yīng)力 聯(lián)解MM′，AB兩直線方程 2-6 可得M′點(diǎn)的坐標(biāo)（σ′m， σ′a） 根據(jù)最大應(yīng)力求得的最大應(yīng)力安全系數(shù)及強(qiáng)度條件為 2-7 Error! No bookmark name given.設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，對(duì)上述三種情況的安全系數(shù)的校核公式的取舍，要根據(jù)具體零件應(yīng)力可能發(fā)生的規(guī)律來確定，對(duì)于難以確定其規(guī)律的，往往采用γ=C的公式。 螺栓連接承受單向穩(wěn)定變載荷時(shí)的疲勞強(qiáng)度計(jì)算。 對(duì)于承受預(yù)緊力和變化的工作拉力的緊螺栓連接，假設(shè)加預(yù)緊力F后，承受0~F之間的變化的工作拉力，從圖所示的受軸向變載荷的螺栓受力情況圖可見，此螺栓所受的總拉力在F~F。之間變化。由圖容易看出，當(dāng)螺栓承受0~F脈動(dòng)變化的工作載荷時(shí)，螺栓內(nèi)的應(yīng)力為非對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力。這是因?yàn)殡m然外加工作載荷是脈動(dòng)變化的，但由于預(yù)緊力F的存在，螺栓所受的總拉伸載荷則是在F~F。之間變化的波動(dòng)拉伸載荷，如果不考慮螺栓摩擦力矩的扭轉(zhuǎn)作用，則螺栓受單向穩(wěn)定的應(yīng)變力。 對(duì)于受單向穩(wěn)定應(yīng)變力的螺栓疲勞強(qiáng)度校核計(jì)算就可以完全按照上述變應(yīng)力的基本理論，至于具體使用那一種安全系數(shù)校核公式，首先要看螺栓承受變應(yīng)力的變化規(guī)律如何，然后再確定。 圖2-4軸向變載荷的螺栓受力情況 2．2螺栓設(shè)計(jì)計(jì)算受力選擇原則 迄今為止我們應(yīng)經(jīng)對(duì)螺栓承受變應(yīng)力的情況有了深入的認(rèn)識(shí)了，形成了一些較成熟的觀點(diǎn)，這里我們著重討論一下幾種。 第一種：影響變載荷零件疲勞強(qiáng)度的主要因素是應(yīng)力幅。所以螺栓的疲勞強(qiáng)度可以按應(yīng)力幅進(jìn)行計(jì)算，即選用公式 2-8 滿足此條件極為安全。 第二種：由于 而為常數(shù)則為常數(shù)，所以螺栓的疲勞強(qiáng)度按照的情況進(jìn)行計(jì)算，及選用下式校核。 最大安全系數(shù) 2-9 滿足此條件即為安全 第三種：是最簡(jiǎn)單的加載方式，而螺栓受載荷屬于復(fù)雜的非對(duì)稱循環(huán)變載荷，計(jì)算較為繁瑣。由于工程上常把較復(fù)雜的問題簡(jiǎn)單化成對(duì)稱循環(huán)處理的方法。所以螺栓的疲勞強(qiáng)度計(jì)算可以按照這種簡(jiǎn)化方法，用γ=C規(guī)律進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算。 2-10 滿足此條件即為安全。 螺栓連接的安全系數(shù)可參照下表1.1選擇  裝配情況 許用安全系數(shù) 公 稱 直 徑螺栓材料 [n] [no] M5-M16 M16-M30 緊連接 （不加預(yù)緊力） 碳素鋼 10-6.5 6.5 2.5-5 合金鋼 7-5 5 緊連接 （加預(yù)緊力） 碳素鋼 1.2-1.5 1.5-2.5 合金鋼 表1.1不同材料螺栓連接的安全系數(shù) 2．3螺栓連接的計(jì)算公式 松螺栓連接的計(jì)算公式： 2-11 螺栓危險(xiǎn)截面拉伸強(qiáng)度為： 2-12 d1——————螺紋小徑，單位mm F——————螺栓所承受的軸向工作載荷，單位N [σ]—————螺栓連接的許用應(yīng)力，單位N/mm2 緊螺栓連接的計(jì)算公式： 2-13 σca—————螺栓預(yù)緊狀態(tài)下的計(jì)算應(yīng)力，σca=1.3σ F?！菟ㄋ艿念A(yù)緊力，單位為N. 2.4螺栓連接的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則 1. 連接結(jié)合面的幾何形狀通常都設(shè)計(jì)成軸對(duì)稱的簡(jiǎn)單集合形狀，如圓形、環(huán)形、矩形、框形、三角形等這樣不但利于加工制造，而且便于對(duì)稱布置螺栓，使螺栓組的對(duì)稱中心和連接結(jié)合面的形心重合，從而保證連接結(jié)合面的受力比較均勻。 2. 螺栓的布置應(yīng)使各螺栓的受力合理。對(duì)于鉸制孔用螺栓連接，不要在平行于工作載荷的方向上成排地布置8個(gè) 以上螺栓，以免載荷分布過于不均。 3. 螺栓的排列應(yīng)有合理的間距、邊距。布置螺栓時(shí)，各螺栓軸線以及螺栓軸線和機(jī)體壁間的最小距離，應(yīng)根據(jù)扳手所需活動(dòng)的空間的大小決定。 4. 分布在同一圓周上的螺栓數(shù)目，應(yīng)該取成偶數(shù)，以便在圓周上鉆孔時(shí)的分度和畫線。 5. 避免螺栓承受附加的彎曲載荷。 3 Pro/E三維造型 本章主要內(nèi)容為三維造型軟件ProE簡(jiǎn)介及各零部件的三維模型和總裝配圖。 3.1 ProE簡(jiǎn)介 在中國(guó)也有很多用戶直接稱之為“破衣”。1985年，PTC公司成立于美國(guó)波士頓，開始參數(shù)化建模軟件的研究。1988年，V1.0的Pro/ENGINEER誕生了。經(jīng)過10余年的發(fā)展，Pro/ENGINEER已經(jīng)成為三維建模軟件的領(lǐng)頭羊。目前已經(jīng)發(fā)布了Pro/ENGINEER WildFire6.0（中文名野火6)。PTC的系列軟件包括了在工業(yè)設(shè)計(jì)和機(jī)械設(shè)計(jì)等方面的多項(xiàng)功能，還包括對(duì)大型裝配體的管理、功能仿真、制造、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等等。Pro/ENGINEER還提供了全面、集成緊密的產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境。是一套由設(shè)計(jì)至生產(chǎn)的機(jī)械自動(dòng)化軟件，是新一代的產(chǎn)品造型系統(tǒng)，是一個(gè)參數(shù)化、基于特征的實(shí)體造型系統(tǒng)，并且具有單一數(shù)據(jù)庫(kù)功能的綜合性MCAD軟件。 3.2螺栓連接零件圖 圖3.1 螺母 圖3.2 螺桿  圖3.3 汽缸上端蓋 圖3-4 下端蓋 圖3-5 總裝配圖  4實(shí)例分析 本章就汽缸螺栓連接這一實(shí)例，根據(jù)螺栓連接的強(qiáng)度理論進(jìn)行計(jì)算分析。 4.1理論分析 氣缸蓋螺栓連接的設(shè)計(jì)，如圖所示，已知：汽缸工作壓力p在0~1N/mm2之間變化。 汽缸直徑為D2=400mm，螺栓材料5.6級(jí)的35鋼，螺栓數(shù)目為14，使，用石棉銅皮墊片，工作溫度不高于15℃。 圖4.1氣缸螺栓連接模型 4.1.1計(jì)算各力的大小 （一）計(jì)算每個(gè)螺栓承受的最大工作載荷 1）汽缸最大載荷 4-1 2）螺栓最大工作載荷 4-2 則螺栓工作載荷F在0~8976N之間變化。 剩余預(yù)緊力 4-3 3)螺栓最大拉力 4-4 4)預(yù)緊力 4-5 5)許用拉應(yīng)力 按控制預(yù)緊力取安全系數(shù) ，查《機(jī)械零件手冊(cè)》知 ， 且。 (二)按靜強(qiáng)度計(jì)算螺栓尺寸 4-6 （三）螺栓疲勞強(qiáng)度校核 1）計(jì)算各參數(shù) a危險(xiǎn)剖面積 4-7 b螺栓受最大應(yīng)力 4-8 c螺栓受最小應(yīng)力 4-9 d螺栓應(yīng)力幅 4-10 e 螺栓平均應(yīng)力 4-11 f 查《機(jī)械零件手冊(cè)》可知平均應(yīng)力的折算系數(shù) 為對(duì)稱循環(huán)彎曲疲勞極限 又查手冊(cè)知 ， ， 則綜合影響系數(shù) 4-12 4.1.2疲勞強(qiáng)度校核計(jì)算 下面分別用三種方法對(duì)該零件進(jìn)行螺栓疲勞強(qiáng)度校核 第一種方法：依據(jù)第一觀點(diǎn)，按應(yīng)力幅計(jì)算，帶入公式2-8有 滿足強(qiáng)度條件，安全。 第二種方法：依據(jù)第二種觀點(diǎn)，按規(guī)律計(jì)算，代入公式2-9，有 滿足強(qiáng)度條件，安全。 第三種方法：依據(jù)第三種觀點(diǎn)，那規(guī)律計(jì)算，代入公式2-7，有 由計(jì)算可知設(shè)計(jì)滿足各項(xiàng)要求是合理的。 4.2理論分析總結(jié) 三種計(jì)算結(jié)果分析歸納總結(jié)見下表 計(jì)算方法 比較內(nèi)容 按σmin=C的規(guī)律校核最大應(yīng)力安全系數(shù) 按應(yīng)力幅規(guī)律校核最大應(yīng)力安全系數(shù) 按γ=C規(guī)律校核最大應(yīng)力安全系數(shù) n 1.39 1.63 2.07 精確度 精確 近似 n值大于前者 不精確，n值偏大。使用不安全 表4-1 5 ANSYS有限元分析 5.1ANSYS有限元分析 5.1.1分析軟件及工作原理介紹 有限元法也稱為有限單元法，是隨著計(jì)算機(jī)的使用發(fā)展起來的一種有效地?cái)?shù)值計(jì)算方法。這種方法大約起源于20世紀(jì)50年代航空領(lǐng)域飛機(jī)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析。該方法的思想是把整體結(jié)構(gòu)看作是由有限個(gè)相互連接二組成的集合體，每個(gè)單元賦予一定的物理特性，然后組合在一起就能近似的等效整體結(jié)構(gòu)的物理特性然。有限元分析（Finite Element Analysis， FEA）是在結(jié)構(gòu)分析領(lǐng)域中應(yīng)用和發(fā)展起來的，它不僅可以解決工程中的結(jié)構(gòu)分析問題，同時(shí)也可以解決傳熱學(xué)、流體力學(xué)、電磁學(xué)和聲學(xué)等領(lǐng)域的問題。由于有限元法計(jì)算精度高、適用性強(qiáng)、計(jì)算格式規(guī)范統(tǒng)一，有限元計(jì)算結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為各類工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和性能評(píng)估的可靠依據(jù)，已經(jīng)成為設(shè)計(jì)學(xué)中不可缺少的一種重要方法，在大型結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變分析、穩(wěn)定性分析、傳熱分析、電磁場(chǎng)分析、流體分析等方面扮演越來越重要的角色 ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國(guó)ANSYS開發(fā)，它能與多數(shù)CAD軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Pro/Engineer， NASTRAN， Alogor， I－DEAS， AutoCAD等， 是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級(jí)CAD工具之一。 一、軟件功能簡(jiǎn)介 軟件主要包括三個(gè)部分：前處理模塊，分析計(jì)算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型；分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析以及多物理場(chǎng)的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力；后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。軟件提供了100種以上的單元類型，用來模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。該軟件有多種不同版本，可以運(yùn)行在從個(gè)人機(jī)到大型機(jī)的多種計(jì)算機(jī)設(shè)備上，如PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY等。目前版本為ANSYS5.7版，其微機(jī)版本要求的操作系統(tǒng)為Windows 95/98或Windows NT，也可運(yùn)行于UNIX系統(tǒng)下。微機(jī)版的基本硬件要求為：顯示分辨率為1024768，顯示內(nèi)存為2M以上，硬盤大于350M，推薦使用17英寸顯示器。 啟動(dòng)ANSYS，進(jìn)入歡迎畫面以后，程序停留在開始平臺(tái)。從開始平臺(tái)（主菜單）可以進(jìn)入各處理模塊：PREP7（通用前處理模塊），SOLUTION（求解模塊），POST1（通用后處理模塊），POST26（時(shí)間歷程后處理模塊）。ANSYS用戶手冊(cè)的全部?jī)?nèi)容都可以聯(lián)機(jī)查閱。 用戶的指令可以通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊菜單項(xiàng)選取和執(zhí)行，也可以在命令輸入窗口通過鍵盤輸入。命令一經(jīng)執(zhí)行，該命令就會(huì)在.LOG文件中列出，打開輸出窗口可以看到.LOG文件的內(nèi)容。如果軟件運(yùn)行過程中出現(xiàn)問題，查看.LOG文件中的命令流及其錯(cuò)誤提示，將有助于快速發(fā)現(xiàn)問題的根源。.LOG 文件的內(nèi)容可以略作修改存到一個(gè)批處理文件中，在以后進(jìn)行同樣工作時(shí)，由ANSYS自動(dòng)讀入并執(zhí)行，這是ANSYS軟件的第三種命令輸入方式。這種命令方式在進(jìn)行某些重復(fù)性較高的工作時(shí)，能有效地提高工作速度。 5.1.2 ANSYS分析求解步驟 1）實(shí)體建模； 2）網(wǎng)格劃分； 3）施加載荷： 4）分析求解 5.2 ANSYS分析 5.1實(shí)體模型 【ANSYS算例】螺栓疲勞強(qiáng)度分析(GUI) 計(jì)算模型見圖5-1，該問題的有限元分析過程如下。 (1)進(jìn)入ANSYS（設(shè)定工作目錄和工作文件） 程序→ ANSYS → ANSYS Interactive → Working directory（設(shè)置工作目錄）→ Initial jobname（設(shè)置工作文件名）：Press → Run → OK (2)設(shè)置分析特性 ANSYS Main Menu：Preferences… → Structural → OK (3)定義單元類型 ANSYS Main Menu：Preprocessor → Element Type → Add/Edit/Delete... → Add…→ Solid: Tet 10node 187 （10節(jié)點(diǎn)四面實(shí)體結(jié)構(gòu)單元）→ OK（返回到Element Types窗口）→ Close… (4)定義材料參數(shù) ANSYS Main Menu：Preprocessor → Material Props → Material Models → Structural → Linear → Elastic → Isotropic：EX：2.06e11（彈性模量），PRXY：0.3（泊松比）→ OK → 鼠標(biāo)點(diǎn)擊該窗口右上角的“”來關(guān)閉該窗口 （5）PROE導(dǎo)入實(shí)體幾何模型 （6）ANSYS Main Menu：Preprocessor → Meshing → MeshTool→ 位于Size Controls下的Lines：Set → 要求選擇定義單元?jiǎng)澐謹(jǐn)?shù)的線。選擇底座圓周縱向的線→OK → Element Size on Picked…在No.of element divisions下輸入：5→OK → Mesh→ Volumes→Mesh → Pick all(如圖5-2) 圖5-2網(wǎng)格劃分結(jié)果 （7）模型施加位移約束 ANSYS Main Menu:Solution→Loads→Apply→Stuctural-Displacement→on Lines→拾取底座底面的所有外邊界線→OK→選擇ALL DOF作為約束自由度→OK NSYS Main Menu:Solution→Loads→Apply→Stuctural-Displacement→on Lines→拾取底座底面螺栓孔邊界線→選擇UY→OK （8）模型施加載荷和約束 .. 在底座上表面施加工作載荷 ANSYS Main Menu：Solution →Loads →Apply → Structural →Pressure → On Areas →拾取底座上表面 → OK → VALUE：-125664 → OK 用箭頭顯示壓力值 ANSYS Utility Menu：PlotCtrls→Symbols（Show Pres and convect as）→OK SAVE-DB 保存數(shù)據(jù)庫(kù) （9）分析計(jì)算 ANSYS Main Menu：Solution → Solve → Current LS → OK （10）結(jié)果顯示 ANSYS Main Menu：General Postproc → Plot Results → Deformed shape…→ Def shape only →OK（返回到Plot Results）→ Contour Plot→Nodal Solu→ Stress→ von Mises stress→OK（還可以繼續(xù)觀察其他結(jié)果） （11）退出系統(tǒng) ANSYS Utility Menu：File → Exit…→ Save Everything→OK （12）計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證 按以上計(jì)算方案，可得到最大Von Miss等效應(yīng)力和最大的Y方向應(yīng)力分別為：34.6MPa、 12.8 MPa，等效應(yīng)力與Y方向應(yīng)力分布分別如圖5-3、5-4所示。 (a) Von Mises等效應(yīng)力(Pa) (2) Y方向(垂直方向)的應(yīng)力(Pa) 圖5-3：Von Miss等效應(yīng)力（Pa） 圖5-4：-Y方向（垂直方向）的應(yīng)力（Pa） 螺栓疲勞強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果 為驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果，氣缸底座為參考對(duì)象，假設(shè)其受均布載荷，-Y方向(垂直)應(yīng)力為：8976N/（3.14(14/2）2）=58.3 MPa>12.8 MPa可見與上右圖相吻合。 5.3ANSYS分析總結(jié) 由ANSYS分析可知此種設(shè)計(jì)及其參數(shù)滿足各項(xiàng)要求。氣缸的螺栓連接設(shè)計(jì)是合理的。有限元分析在設(shè)計(jì)的過程中發(fā)揮著非常重要的作用應(yīng)該引起大家的重視。 . 總 結(jié) 根據(jù)以上比較分析，我們很容易看出，若按規(guī)律設(shè)計(jì)計(jì)算，n值偏大，使用不安全，故在安全性要求較高及精度要求高的設(shè)備中研發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)很少用；變載荷螺栓疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)若按規(guī)律進(jìn)行計(jì)算，具備足夠的精確度，所以在精度要求高，，特別重要的機(jī)械設(shè)備常采用這種方法，是用的范圍最廣的；按應(yīng)力幅強(qiáng)度條件計(jì)算，精確度次之，但是由于其方法比較簡(jiǎn)單故在一般的機(jī)械設(shè)備中經(jīng)常用到。 由ANSYS有限元分析結(jié)果可知，設(shè)計(jì)完全符合強(qiáng)度要求。雖然有限元對(duì)零件進(jìn)行塑性變形計(jì)算的時(shí)間遠(yuǎn)大于進(jìn)行彈性計(jì)算所需的時(shí)間。但是零件在使用期限內(nèi)，其疲勞載荷系列中往往只有很小一部分使材料進(jìn)入了塑性區(qū)；絕大部分的載荷序列都只使材料發(fā)生彈性變形，而彈性有限分析的速度是很快的，所以可以使用。 疲勞破壞是機(jī)械零件的常見破壞形式，對(duì)零件進(jìn)行疲勞計(jì)算分析對(duì)于設(shè)計(jì)而言至關(guān)重要的環(huán)節(jié)之一。隨著有限元法的廣泛應(yīng)用與結(jié)構(gòu)受力分析。很多疲勞分析軟件都直接使用有限元軟件的分析結(jié)構(gòu)作為輸入。象ANSYS這種優(yōu)秀的分析軟件在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域必定得到更加廣泛的應(yīng)用。 [參考文獻(xiàn)] [1] 劉鴻文. 材料力學(xué)。4版。北京：高等教育出版社，2004。 [2] 濮良貴 紀(jì)名剛，機(jī)械設(shè)計(jì)。8版，北京：高等教育出版社，2006. 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