【文章內(nèi)容簡介】 單向散熱時，只出現(xiàn)外形體積減小，鑄件頂面降低；熱流向下及側(cè)面散出時，除外形縮小外，頂部形成集中縮孔。若出現(xiàn)其他凝固方式，則缺陷形式會隨之變化， 變?yōu)槎嘞蛏釙r形成內(nèi)部縮孔及外形體積縮小 。 原始狀態(tài)鑄件性能與擠壓鑄造性能對比課題研究之前，做了一次廠家原材料原始狀態(tài)鑄件（而非擠壓鑄造）的性能測試。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容大概如下：實(shí)驗(yàn)名稱：ADC12原材料拉伸試驗(yàn) 材質(zhì)：ADC12 為測試鑄件的力學(xué)性能，試樣從——吉星機(jī)械工程有限公司鋁業(yè)生產(chǎn)的鑄液中取樣，沿橫向依次取樣并編號。具體試樣及編號見圖31。圖31試樣模型 圖32器材實(shí)物圖圖34斷裂試樣圖33 器材實(shí)物圖將取得的試樣毛坯由車床按加工圖紙加工成標(biāo)準(zhǔn)試件，測量出標(biāo)距和直徑（取上中下三次平均值）。用萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，為了檢測ADC12鋁合金的力學(xué)性能，應(yīng)使試件受拉伸直至斷裂，在拉伸過程和拉伸結(jié)束后可得到材料力學(xué)性能指標(biāo)。測量了l1，按下式計(jì)算延伸率，即：。圓形試樣在縮頸最小處兩個相互垂直方向上測量其直徑，用二者的算術(shù)平均值作為斷口直徑d1，來計(jì)算A1。斷面收縮率按下式計(jì)算：。試件的強(qiáng)度載荷、延伸率和斷面收縮率結(jié)果如下表31：表31 試驗(yàn)數(shù)據(jù)d0（mm）l0(mm)d1（mm）l1(mm)（%）（%）FS(kN)件1%%件2%%件3%%d0，l0 分別為實(shí)驗(yàn)前的截面直徑和標(biāo)距長度，d1，l1 分別為試驗(yàn)后的截面直徑和標(biāo)距長度。是延伸率，是斷面收縮率。 FS為強(qiáng)度載荷值。強(qiáng)度值（這是原始材料鑄件的強(qiáng)度值），當(dāng)用擠壓鑄造工藝后的強(qiáng)度值。由此可見擠壓鑄造工藝對ADC12鋁合金的力學(xué)性能的提高起到了顯著地作用。而吉星公司正是采用了這種擠壓鑄造的工藝進(jìn)行加工汽車的零部件。 本章小結(jié)本章簡單介紹了ADC12鋁合金的組織、性能和形成性，對壓鑄過程中的力學(xué)特點(diǎn)進(jìn)行了簡要分析。同時本章還對ADCl2．1 R與ZLl 12Y金相組織和力學(xué)性能比較，并且分析了ADCl2．1R合金的機(jī)械加工性能，得到了影響金屬變質(zhì)和凈化的一些因素，為力學(xué)理論分析奠定了初步基礎(chǔ)。另外，通過分析影響金屬變形的因素，明確了大的研究方向是邊緣位置的應(yīng)力和應(yīng)變。并且通過和原始材料鑄件的比較得出了通過擠壓鑄造工藝加工的零部件力學(xué)性能更好。為下一步的顯示動力學(xué)有限元分析提供了相關(guān)依據(jù)。第4章 有限元法與ANSYS 有限元分析方法概述有限元法是一種離散化的數(shù)值解法,是用于求解各類實(shí)際工程問題的方法。應(yīng)力分析中穩(wěn)態(tài)的、瞬態(tài)的、線性的、非線性的問題及熱力學(xué)、流體力學(xué)、電磁學(xué)以及高速沖擊動力學(xué)問題都可以通過有限元法得到解決。有限元法最初被稱為矩陣近似方法，應(yīng)用于航空器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算，并由于其方便性、實(shí)用性和有效性而引起從事力學(xué)研究的科學(xué)家的濃厚興趣。經(jīng)過短短數(shù)十年的努力，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和普及，有限元方法迅速從結(jié)構(gòu)工程強(qiáng)度分析計(jì)算擴(kuò)展到幾乎所有的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，成為一種豐富多彩、應(yīng)用廣泛并且實(shí)用高效的數(shù)值分析方法。20 世紀(jì) 60 年代初首次提出結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算有限元概念的克拉夫（Clough）教授形象地將其描繪為：“有限元法=Rayleigh Ritz 法＋分片函數(shù)”，即有限元法是 Rayleigh Ritz 法的一種局部化情況。不同于求解（往往是困難的）滿足整個定義域邊界條件的允許函數(shù)的 RayleighRitz 法，有限元法將函數(shù)定義在簡單幾何形狀（如二維問題中的三角形或任意四邊形）的單元域上（分片函數(shù)），且不考慮整個定義域的復(fù)雜邊界條件，這是有限元法優(yōu)于其他近似方法的原因之一。 有限元分析的基本思想有限元分析（FEA，F(xiàn)inite Element Analysis）的基本思想是用較為簡單的問題代替比較復(fù)雜的問題后再求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互聯(lián)子域組成，對每一單元假定一個合適的（較簡單的）近似解，然后推導(dǎo)求解這個域的滿足條件（如結(jié)構(gòu)的平衡條件），從而得到問題的解。這個解不是準(zhǔn)確解，而是近似解，因?yàn)閷?shí)際問題被較簡單的問題所替代。由于大多數(shù)實(shí)際問題難以得到準(zhǔn)確解，而有限元法不僅計(jì)算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜情況，因而有限元分析成為行之有效的工程分析手段。有限元法的基本思想可歸結(jié)為兩個方面，一是離散，二是分片插值。離散就是將一個連續(xù)的求解域人為地劃分為一定數(shù)量的單元，單元又稱網(wǎng)格，單元之的連接點(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn)，單元間的相互作用只能通過節(jié)點(diǎn)傳遞，通過離散，一個連續(xù)體便分割為由有限數(shù)量單元組成的組合體。離散的目的就是將原來具有無限自由度的連續(xù)變量微分方程和邊界轉(zhuǎn)換條件轉(zhuǎn)換為只包含有限個節(jié)點(diǎn)變量的代數(shù)方程組，以利于用計(jì)算機(jī)求解。 有限元法的離散思想借鑒于差分法，但做了適當(dāng)改進(jìn)。首先，差分法是對計(jì)算對象的微分方程和邊界條件進(jìn)行離散，而有限元法是對計(jì)算對象的物理模型本身進(jìn)行離散，即使該物理模型的微分方程尚不能列出，但離散過程依然能夠進(jìn)行。其次，有限元法的單元形狀并不限于規(guī)則網(wǎng)格，各個單元的形狀和大小也并不要求一樣，因此在處理具有復(fù)雜幾何形狀和邊界條件以及在處理具有像應(yīng)力集中這樣的局部特性時，有限元法的適應(yīng)性更強(qiáng)，離散精度更高。 變分法是在整個求解域用一個統(tǒng)一的試探函數(shù)逼近真實(shí)函數(shù)，當(dāng)真實(shí)函數(shù)性態(tài)在求解域內(nèi)趨于一致時，這種處理是合理的。但如果真實(shí)函數(shù)的性態(tài)很復(fù)雜，再用統(tǒng)一的試探函數(shù)就很難得到較高的逼近精度，或者說要得到較高的精度就需要階次很高的試探函數(shù)。同時由于不能在求解域的不同部位對試探函數(shù)提出不同的精度要求，往往由于局部精度的要求問題的求解很困難。所以這類方法一般用于求解函數(shù)交規(guī)則和邊界條件較簡單的問題。 分片插值的思想是有限元法與里茲法的一個重要區(qū)別，它是針對每一個單元選擇試探函數(shù)（也稱插值函數(shù)），積分計(jì)算也是在單元內(nèi)完成。由于單元形狀簡單，所以容易滿足邊界條件，且用低階多項(xiàng)式就可獲得整個區(qū)域的適當(dāng)精度。對于整個求解域而言，只要試探函數(shù)滿足一定條件，當(dāng)單元尺寸縮小時，有限元就能收斂于實(shí)際的精確解。 從以上分析可知，有限元法是差分法的一種發(fā)展，又可以看成是里茲法的一種新形式。它兼顧了兩者的優(yōu)點(diǎn)，同時克服了各自的不足，因而具有更大的優(yōu)越性和實(shí)用性。 ANSYS的主要功能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，目前，有限元法從它最初應(yīng)用的固體力學(xué)領(lǐng)域，已經(jīng)推廣到溫度場、流體場、電磁場、聲場等其他連續(xù)介質(zhì)領(lǐng)域。在固體力學(xué)領(lǐng)域，有限元法不僅可以用于線性靜力分析，也可以用于動態(tài)分析，還可以用于非線性、熱應(yīng)力、接觸、蠕變、斷裂、加工模擬、碰撞模擬等特殊問題的研究。軟件主要包括三個部分：前處理模塊，分析計(jì)算模塊和后處理模塊。前處理模塊前處理模塊提供了一個強(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。ANSYS的前處理模塊主要有兩部分內(nèi)容：實(shí)體建模和網(wǎng)格劃分。分析計(jì)算模塊分析計(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）、流體動力學(xué)分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，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200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。 ANSYS提供的分析類型 ANSYS軟件提供的分析類型如下：結(jié)構(gòu)靜力分析用來求解外載荷引起的位移、應(yīng)力和力。靜力分析很適合求解慣性和阻尼對結(jié)構(gòu)的影響并不顯著的問題。ANSYS程序中的靜力分析不僅可以進(jìn)行線性分析，而且也可以進(jìn)行非線性分析，如塑性、蠕變、膨脹、大變形、大應(yīng)變及接觸分析。結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析用來求解隨時間變化的載荷對結(jié)構(gòu)或部件的影響。與靜力分析不同，動力分析要考慮隨時間變化的力載荷以及它對阻尼和慣性的影響。ANSYS可進(jìn)行的結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析類型包括：瞬態(tài)動力學(xué)分析、模態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析及隨機(jī)振動響應(yīng)分析。結(jié)構(gòu)非線性分析結(jié)構(gòu)非線性導(dǎo)致結(jié)構(gòu)或部件的響應(yīng)隨外載荷不成比例變化。ANSYS程序可求解靜態(tài)和瞬態(tài)非線性問題，包括材料非線性、幾何非線性和單元非線性三種。動力學(xué)分析結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析研究結(jié)構(gòu)在動載荷作用的響應(yīng)（如位移、應(yīng)力、加速度等得時間歷程），以確定結(jié)構(gòu)的承載能力的動力特性等。ANSYS程序可以分析大型三維柔體運(yùn)動。當(dāng)運(yùn)動的積累影響起主要作用時，可使用這些功能分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)在空間中的運(yùn)動特性，并確定結(jié)構(gòu)中由此產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變和變形。熱分析程序可處理熱傳遞的三種基本類型：傳導(dǎo)、對流和輻射。熱傳遞的三種類型均可進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)、線性和非線性分析。熱分析還具有可以模擬材料固化和熔解過程的相變分析能力以及模擬熱與結(jié)構(gòu)應(yīng)力之間的熱－結(jié)構(gòu)耦合分析能力。電磁場分析主要用于電磁場問題的分析，如電感、電容、磁通量密度、渦流、電場分布、磁力線分布、力、運(yùn)動效應(yīng)、電路和能量損失等。還可用于螺線管、調(diào)節(jié)器、發(fā)電機(jī)、變換器、磁體、加速器、電解槽及無損檢測裝置等的設(shè)計(jì)和分析領(lǐng)域。流體動力學(xué)分析ANSYS流體單元能進(jìn)行流體動力學(xué)分析，分析類型可以為瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)。分析結(jié)果可以是每個節(jié)點(diǎn)的壓力和通過每個單元的流率。并且可以利用后處理功能產(chǎn)生壓力、流率和溫度分布的圖形顯示。另外，還可以使用三維表面效應(yīng)單元和熱－流管單元模擬結(jié)構(gòu)的流體繞流并包括對流換熱效應(yīng)。聲場分析ANSYS把聲學(xué)歸為流體，程序的聲學(xué)功能用來研究在含有流體的介質(zhì)中聲波的傳播，或分析浸在流體中的固體結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性。這些功能可用來確定音響話筒的頻率響應(yīng)，研究音樂大廳的聲場強(qiáng)度分布 ，或預(yù)測水對振動船體的阻尼效應(yīng)。壓電分析壓電效應(yīng)分析是一種結(jié)構(gòu)－電場耦合分析，給壓電材料加電壓會產(chǎn)生位移，反之使壓電材料振動則產(chǎn)生電壓，一個典型的壓電分析的應(yīng)用是壓力換能器。ANSYS壓電分析用于分析二維或三維結(jié)構(gòu)對AC（交流）、DC（直流）或任意隨時間變化的電流或機(jī)械載荷的響應(yīng)。這種分析類型可用于換熱器、振蕩器、諧振器、麥克風(fēng)等部件及其它電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)動態(tài)性能分析?？蛇M(jìn)行四種類型的分析：靜態(tài)分析、模態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析、瞬態(tài)響應(yīng)分析。下圖為本文研究的零件實(shí)物圖：圖41 差速器支架實(shí)物圖 圖42發(fā)動機(jī)懸置隔墊實(shí)物圖 本章總結(jié)相對于其他應(yīng)用型軟件而言，ANSYS作為大型權(quán)威性的有限元分析軟件，對提高解決問題的能力是一個全面的鍛煉過程，是一門相當(dāng)難學(xué)的軟件，因而，要學(xué)好ANSYS，對學(xué)習(xí)者就提出了很高的要求，一方面，需要學(xué)習(xí)者有比較扎實(shí)的力學(xué)理論基礎(chǔ)，對ANSYS分析結(jié)果能有個比較準(zhǔn)確的預(yù)測和判斷，可以說，理論水平的高低在很大程度上決定了ANSYS使用水平；另一方面，需要學(xué)習(xí)者不斷摸索出軟件的使用經(jīng)驗(yàn)不斷總結(jié)以提高解決問題的效率。作為工程力學(xué)專業(yè)的學(xué)生，雖然力學(xué)理論知識學(xué)了很多，但對許多基本概念的理解許多人基本上是只停留于一個符號的認(rèn)識上，理論認(rèn)識不夠，更沒有太多的感性認(rèn)識。所以在這種情況下，復(fù)習(xí)一下《材料力學(xué)》，《彈性力學(xué)》和《塑性力學(xué)》是非常有必要的，加深對基本概念的理解，實(shí)際上，適當(dāng)?shù)膹?fù)習(xí)并不要花很多時間，效果卻很明顯，不僅能勾起遙遠(yuǎn)的回憶，加深理解，又能使遇到的問題得到順利的解決。第5章 豐田422aRAV4差速器支架及發(fā)動機(jī)懸置隔墊有限元分析 零件模型用proe繪圖軟件打開零件模型如下圖所示： 汽車差速器支架之一 汽車差速器支架之一 汽車差速器支架之一 汽車發(fā)動機(jī)懸置隔墊 網(wǎng)格劃分將打開的零件模型導(dǎo)入到ansys workbench中，進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分。如下圖所示： 汽車差速器支架之一網(wǎng)格劃分 汽車差速器支架之一網(wǎng)格劃分 汽車差速器支架之一網(wǎng)格劃分  發(fā)動機(jī)懸置隔墊網(wǎng)格劃分 各零件在不同工況的受力情況及其分析 汽車差速器支架ANSYS Equivalent Stress 分析圖 汽車差速器支架ANSYS Maximum Shear Stress 分析圖 汽車差速器支架ANSYS Maximum Principle Stress 分析圖圖53如圖53所示， 此差速器支架主要起到防止差速器前后產(chǎn)生位移的作用，固定最右邊的孔，給左四個孔1000N的力。分別出equivalent stress，maximum shear，maximum principal stress的受力分析圖。表53數(shù)據(jù)列表equivalent stressmaximum shearstressmaximum principalMixMin85122由以上數(shù)據(jù)知應(yīng)把氣孔分散在左端中間處最好，可實(shí)現(xiàn)壽命最長。 汽車差速器支架ANSYS Maximum Shear Stress 分析圖 汽車差速器支架ANSYS Equivalent Stress 分析圖 汽車差速器支架ANSYS Maximum Principle Stress 分析圖圖 54如圖54所示， 此差速器支架主要起到防止差速器前后產(chǎn)生位移的作用，固定最右邊的孔，給左兩個孔2000N的力，給中間兩孔1000N。分別出equ