【正文】 ...................................................................................... 21 1 設計任務書 2021～ 2021 學年第一學期 《機械 有限元分析 》課程設計任務書 設計名稱 機械設計及理論方向課程設計 班級 機械設計制造及其自動化 2021（專升本 ） 地點 403 一、課程設計目的 課程目的和任務旨在使學生了解有限元分析的基本方法，通過使用計算機計算工程力學中的若干問題，進一步加深工程力學課程中的基本概念和基本理論，培養(yǎng)學生解決一些簡單的工程實際問題的能力，為學生在今后的機械課程設計和畢業(yè)設計中對機械構件進行力學分析打下扎實的基礎。 二、課程設計內(nèi)容 1． ANSYS 有限元分析軟件簡介、功能概覽和分析案例； 2． ANSYS 圖形用戶界面及基本操作方法； 3．創(chuàng)建 3D 有限元模型 ； 4．加載、求解、結果后處理 ； 5．分析結果評價 。 題目分析 工作特點 在發(fā)動機工作時，活 塞直接與瞬時溫度 2200 攝氏度的高溫氣體壓力，汽油機達4MPa~5MPa，柴油機高達 8MPa~9MPa，甚至更高；這就使得活塞陳勝沖擊，并承受側壓力的作用。 結構特點 （ 1）活塞頂部是燃燒室的組成部分，承受高溫氣體的壓力。是指活塞環(huán)槽以上的部分，主要用來安裝活塞環(huán)，以實現(xiàn)氣缸的密封。還有些 活塞在第一道環(huán)槽的上方設有隔熱槽，以減少活塞頂部向下傳遞的熱量。在常溫下活塞呈上小下大的錐形?；钊共块_槽會降低其強度和剛度，一般只適用于負荷較小的發(fā)動機。在活塞銷座孔內(nèi)一般加工有卡環(huán)槽，以便安裝活塞銷卡環(huán)，防止活塞銷工作時軸向竄動。 活塞設計的 性能要求 （ 1）熱強度高。 （ 3）膨脹系數(shù)小。高的耐磨性是鋁基復合材料（ SiC、 Al203 增強）的特點之一。具有優(yōu)于金屬的高溫強度和高溫抗蠕變能力，熱膨脹系數(shù)小、熱導率低、化學穩(wěn)定性高、抗氧化性能優(yōu)良。工業(yè)體系中對陶瓷材料的利用也不太成 熟，可靠性不高?；钊ぷ鲿r，頂部承受了很高的燃氣壓力，而且做往復運動的活塞組的慣性力將達到很高的數(shù)值。由于冷熱不均勻所產(chǎn)生的熱應力，會使活塞頂部出現(xiàn)疲勞熱烈現(xiàn)象，因此，活塞部件的設計是否合理，將直接關系到發(fā)動機的可靠性、壽命、排放、經(jīng)濟性等至關重要的參數(shù)。由于它的通用性和有效性，所以受到工程技術界的高度重視。同時，上述分析的研究的結果，用于活塞機械疲勞失效行為分析，可以為優(yōu)化設計提供精確的理論依據(jù)。在這種情況下，采用有限元法進行其工作狀態(tài)的仿真，將為活塞組的結構分析和設計提供有力的手段。 有限元離散化是假想把彈性連續(xù)體分割成數(shù)目有限的單元，并認為相鄰單元之間僅在節(jié)點處相連。 因 此，完整的有限元分析為：①決定分析項目，獲取材料性質(zhì)，分析結構；②建立有限模型，包括單元類型、材料性質(zhì)、生成有限元網(wǎng)格；③加載并求解；④輸出分析結果。 圖 32 11 在 ANSYS 中建立 3D 模型 建模過程 ① 首先畫出內(nèi)槽的三個實體棱形、圓柱體、球，然后通過布爾運算的交運算求出他們的共同體即可得到內(nèi)槽； ② 類似的用同樣方法畫出外面的大圓柱體； ③ 運用布爾運算的減運算第②步的減去第①步的； ④ 移動工作坐標，畫出兩個空心圓柱體，在運用布爾運算的減運算即可得到環(huán)槽； ⑤ 移動工作坐標，切除多余的材料； ⑥ 建立四個關鍵點，畫出梯形截面 ⑦ 通過截面拉伸處出實體，運用 布爾減運算切除底部的材料； ⑧ 移動工作坐標，畫出圓柱體，運用布爾減運算切除底部的材料； ⑨ 移動工作坐標，畫出圓柱體，運用布爾減運算切除材料，得到兩個圓柱孔； ⑩ 得到 3D 模型，如圖所示： 圖 33 圖 34 12 第 4 章 加載、求解、結果后處理（靜態(tài) ） 單元類型設置 菜單路徑 Main Menu→ Preprocessor→ Element type→ Add/Edit/Delete 命令，彈出Element Type 對話框。 材料屬性 通過分析，本次設計活塞材料型號為 5083H112 的鋁合金，其材料屬性為：彈性模量 71GMP，泊松比為 ，密度為 3/ mmKG 菜單路徑 Main Menu→ Preprocessor→ Meterial Props→ Material Models→ Structure→ Linear → Elastic → Isotropic EX= PRXY= 菜單路徑 Main Menu → Preprocessor →Meterial Props → Material Models → Density DENS= 劃分網(wǎng)格 菜單路徑 Main Menu→ Preprocessor→ Meshing→ Meshtool，彈出一個拾取框，勾選 圖 41 Smart Size，設定為 4，采用自由網(wǎng)格劃分方式，點擊“ Mesh”，單擊 Pick All 按鈕， 13 生成有限元分析模型如圖 41。拾取頂面，單擊 OK 按鈕。 求 解 菜單路徑 Main Menu→ Solution→ Solve→ Current LS，彈出一個提示框。 由圖 45 可以看出，總的節(jié)點位移最大值為 ；節(jié)點變形結果中最大的解為 ，發(fā)生在活塞的最頂部。單擊 Add..按鈕，彈出 Library of Element Type 對話框。劃分精度為 4，此模型劃分為 19153 個單元，共 30074 個節(jié)點。游覽后執(zhí)行 FileClose 命令，單擊 OK 按鈕開始求解運算。 由圖 52 所示結果可以看出，前三階為0，這是因為 自由模態(tài)分析的前三階為剛體模態(tài)。 菜單路徑 Main Menu→ General Postproc→ Plot Reasults→ Contour P。 圖 55 第 6 階振型 圖 56 第 7 階振型 由圖 55 可以看出，總的節(jié)點位移最大值為 ；節(jié)點變形結果中最小的解 19 為 ；節(jié)點變形結果中最大的解為 。 由圖 59 可以看出，總的節(jié)點位移最大值為 ；節(jié)點變形結果中最小的解為 ；節(jié)點變形結果中最大的解為 。在做課程設計的過程中 ,大家都有很高的積極性 ,同學分工協(xié)作和同學們相互探討，相互學習，共同摸索。實習，不僅僅是為了完成教學計劃，更重要的是，它給我們踏入社會奠定了基礎，讓我們對以后的工作有一定的了解，使我們在未來能走的更高更遠。我想這對我以后的學習和工作都將會有很 大的幫助盡管實習很短暫，但是我們都有所收獲，再次感謝周老師細心的指導，為了明天我會更加努力的奮斗！ 21 參考資料 【 1】仵亞紅 纖維增強陶瓷基復合材料的強化、韌化機制 北京石油化工學院學報 2021 年 3 月 【 2】孫康寧 尹衍升 李愛民 金屬間化合物 陶瓷基復合材料 [M] 北京：機械工業(yè)出版社 2021 年 5 月 【 3】張志忠、張麗芳、翁國華等 工程力學課程設計講義 上海理工大學力學教研室 2021 年 7 月 【 4】鄧凡平主編 有限元分析自學手冊 人民郵電出版社 2021 年 1月 【 5】龍 馭球，有限元法概論人民教育出版社， 1997 年 7 月 【 6】宋天霞 , 有限元法理論及應用基礎教程， 2021 年 7 月 【 7】張志忠、張麗芳、翁國華等編寫 工程力學課程設計講義 上海理工大學力學教研室 2021 年 7 月 【 8】杜平安 于亞婷 有限元法原理建模及應用 國防工業(yè)出版社 2021 年 8 月 【 9】商躍進，王紅 有限元原理與 ANSYS 實踐 清華大學出版社 2021 年 7 月 【 10】謝龍漢 有限元法概論人民教育出版社 1997 年 7 月 。 我們了解了有限元分析的基本原理和方法； 熟悉了 ANSYS 軟件的圖形用戶界面和菜單；能熟練創(chuàng)建二維和三維有限元分析模型；會使用指定的單元對有限元分析模型進行網(wǎng)格劃分，也能對一些簡單的有限元分析模型選擇合適的單元進行網(wǎng)格劃分