【正文】 ...................................................................................... 21 1 設(shè)計(jì)任務(wù)書 2021～ 2021 學(xué)年第一學(xué)期 《機(jī)械 有限元分析 》課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 設(shè)計(jì)名稱 機(jī)械設(shè)計(jì)及理論方向課程設(shè)計(jì) 班級(jí) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 2021（專升本 ） 地點(diǎn) 403 一、課程設(shè)計(jì)目的 課程目的和任務(wù)旨在使學(xué)生了解有限元分析的基本方法，通過使用計(jì)算機(jī)計(jì)算工程力學(xué)中的若干問題，進(jìn)一步加深工程力學(xué)課程中的基本概念和基本理論，培養(yǎng)學(xué)生解決一些簡單的工程實(shí)際問題的能力，為學(xué)生在今后的機(jī)械課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)中對(duì)機(jī)械構(gòu)件進(jìn)行力學(xué)分析打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。 二、課程設(shè)計(jì)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(jié)果后處理 ； 5．分析結(jié)果評(píng)價(jià) 。 題目分析 工作特點(diǎn) 在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，活 塞直接與瞬時(shí)溫度 2200 攝氏度的高溫氣體壓力，汽油機(jī)達(dá)4MPa~5MPa，柴油機(jī)高達(dá) 8MPa~9MPa，甚至更高；這就使得活塞陳勝?zèng)_擊，并承受側(cè)壓力的作用。 結(jié)構(gòu)特點(diǎn) （ 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(shí)現(xiàn)氣缸的密封。還有些 活塞在第一道環(huán)槽的上方設(shè)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(huì)降低其強(qiáng)度和剛度，一般只適用于負(fù)荷較小的發(fā)動(dòng)機(jī)。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(shí)軸向竄動(dòng)。 活塞設(shè)計(jì)的 性能要求 （ 1）熱強(qiáng)度高。 （ 3）膨脹系數(shù)小。高的耐磨性是鋁基復(fù)合材料（ SiC、 Al203 增強(qiáng)）的特點(diǎn)之一。具有優(yōu)于金屬的高溫強(qiáng)度和高溫抗蠕變能力，熱膨脹系數(shù)小、熱導(dǎo)率低、化學(xué)穩(wěn)定性高、抗氧化性能優(yōu)良。工業(yè)體系中對(duì)陶瓷材料的利用也不太成 熟，可靠性不高。活塞工作時(shí)，頂部承受了很高的燃?xì)鈮毫?，而且做往?fù)運(yùn)動(dòng)的活塞組的慣性力將達(dá)到很高的數(shù)值。由于冷熱不均勻所產(chǎn)生的熱應(yīng)力，會(huì)使活塞頂部出現(xiàn)疲勞熱烈現(xiàn)象，因此，活塞部件的設(shè)計(jì)是否合理，將直接關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性、壽命、排放、經(jīng)濟(jì)性等至關(guān)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(shù)界的高度重視。同時(shí)，上述分析的研究的結(jié)果，用于活塞機(jī)械疲勞失效行為分析，可以為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供精確的理論依據(jù)。在這種情況下，采用有限元法進(jìn)行其工作狀態(tài)的仿真，將為活塞組的結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)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(rèn)為相鄰單元之間僅在節(jié)點(diǎn)處相連。 因 此，完整的有限元分析為：①?zèng)Q定分析項(xiàng)目，獲取材料性質(zhì)，分析結(jié)構(gòu)；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(jié)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(gè)實(shí)體棱形、圓柱體、球，然后通過布爾運(yùn)算的交運(yùn)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(yùn)用布爾運(yùn)算的減運(yùn)算第②步的減去第①步的； ④ 移動(dòng)工作坐標(biāo)，畫出兩個(gè)空心圓柱體，在運(yùn)用布爾運(yùn)算的減運(yùn)算即可得到環(huán)槽； ⑤ 移動(dòng)工作坐標(biāo)，切除多余的材料； ⑥ 建立四個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，畫出梯形截面 ⑦ 通過截面拉伸處出實(shí)體，運(yùn)用 布爾減運(yùn)算切除底部的材料； ⑧ 移動(dòng)工作坐標(biāo)，畫出圓柱體，運(yùn)用布爾減運(yùn)算切除底部的材料； ⑨ 移動(dòng)工作坐標(biāo)，畫出圓柱體，運(yùn)用布爾減運(yùn)算切除材料，得到兩個(gè)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(jié)果后處理（靜態(tài) ） 單元類型設(shè)置 菜單路徑 Main Menu→ Preprocessor→ Element type→ Add/Edit/Delete 命令，彈出Element Type 對(duì)話框。 材料屬性 通過分析，本次設(shè)計(jì)活塞材料型號(hào)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(gè)拾取框，勾選 圖 41 Smart Size，設(shè)定為 4，采用自由網(wǎng)格劃分方式，點(diǎn)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(gè)提示框。 由圖 45 可以看出，總的節(jié)點(diǎn)位移最大值為 ；節(jié)點(diǎn)變形結(jié)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(duì)話框。劃分精度為 4，此模型劃分為 19153 個(gè)單元，共 30074 個(gè)節(jié)點(diǎn)。游覽后執(zhí)行 FileClose 命令，單擊 OK 按鈕開始求解運(yùn)算。 由圖 52 所示結(jié)果可以看出，前三階為0，這是因?yàn)?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(diǎn)位移最大值為 ；節(jié)點(diǎn)變形結(jié)果中最小的解 19 為 ；節(jié)點(diǎn)變形結(jié)果中最大的解為 。 由圖 59 可以看出，總的節(jié)點(diǎn)位移最大值為 ；節(jié)點(diǎn)變形結(jié)果中最小的解為 ；節(jié)點(diǎn)變形結(jié)果中最大的解為 。在做課程設(shè)計(jì)的過程中 ,大家都有很高的積極性 ,同學(xué)分工協(xié)作和同學(xué)們相互探討，相互學(xué)習(xí)，共同摸索。實(shí)習(xí)，不僅僅是為了完成教學(xué)計(jì)劃，更重要的是，它給我們踏入社會(huì)奠定了基礎(chǔ)，讓我們對(duì)以后的工作有一定的了解，使我們?cè)谖磥砟茏叩母吒h(yuǎn)。我想這對(duì)我以后的學(xué)習(xí)和工作都將會(huì)有很 大的幫助盡管實(shí)習(xí)很短暫，但是我們都有所收獲，再次感謝周老師細(xì)心的指導(dǎo)，為了明天我會(huì)更加努力的奮斗！ 21 參考資料 【 1】仵亞紅 纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的強(qiáng)化、韌化機(jī)制 北京石油化工學(xué)院學(xué)報(bào) 2021 年 3 月 【 2】孫康寧 尹衍升 李愛民 金屬間化合物 陶瓷基復(fù)合材料 [M] 北京：機(jī)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(xué)課程設(shè)計(jì)講義 上海理工大學(xué)力學(xué)教研室 2021 年 7 月 【 4】鄧凡平主編 有限元分析自學(xué)手冊(cè) 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(yīng)用基礎(chǔ)教程， 2021 年 7 月 【 7】張志忠、張麗芳、翁國華等編寫 工程力學(xué)課程設(shè)計(jì)講義 上海理工大學(xué)力學(xué)教研室 2021 年 7 月 【 8】杜平安 于亞婷 有限元法原理建模及應(yīng)用 國防工業(yè)出版社 2021 年 8 月 【 9】商躍進(jìn)，王紅 有限元原理與 ANSYS 實(shí)踐 清華大學(xué)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(huì)使用指定的單元對(duì)有限元分析模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，也能對(duì)一些簡單的有限元分析模型選擇合適的單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分