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正文內(nèi)容

本科機(jī)械制造及其自動(dòng)化畢業(yè)設(shè)計(jì)(編輯修改稿)

2024-07-26 13:55 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡介】 目等應(yīng)視問題的性質(zhì)、描述變形形態(tài)的需要和計(jì)算精度而定。有限元法的計(jì)算模型實(shí)際上是一個(gè)僅在節(jié)點(diǎn)處連接,僅靠節(jié)點(diǎn)傳力的有限個(gè)單元的集合體。選擇位移模式在完成結(jié)構(gòu)的離散化之后,就可以對(duì)單元進(jìn)行特性分析。在有限元法中,選擇節(jié)點(diǎn)位移作為基本未知量時(shí)稱為位移法。選擇節(jié)點(diǎn)力作為基本未知量時(shí)稱為力法。取一部分節(jié)點(diǎn)力和一部分節(jié)點(diǎn)位移作為基本未知量時(shí)稱為混合法。位移法易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算自動(dòng)化,所以在有限單元法中位移法應(yīng)用范圍最廣。為了能用節(jié)點(diǎn)位移表示單元體內(nèi)的位移、應(yīng)變和應(yīng)力,在分析連續(xù)體問題時(shí),必須對(duì)單元中位移的分布做出一定的假設(shè),也就是假定位移是坐標(biāo)的某種簡單函數(shù),這種函數(shù)稱為位移模式或插值函數(shù)。選擇適當(dāng)?shù)奈灰坪瘮?shù)是有限單元法分析中的關(guān)鍵。通常選擇多項(xiàng)式作為位移模式。其原因是因?yàn)槎囗?xiàng)式的數(shù)學(xué)運(yùn)算(微分和積分)比較方便,并且由于所有光滑函數(shù)的局部,都可以用多項(xiàng)式逼近,至于多項(xiàng)式的項(xiàng)數(shù)和階次的選擇,則要考慮單元的自由度和解的收斂性要求,一般來說,多項(xiàng)式的項(xiàng)數(shù)應(yīng)等于單元的自由度數(shù),它的階次應(yīng)包括常數(shù)項(xiàng)和線性項(xiàng)等。單元的自由度是指單元節(jié)點(diǎn)獨(dú)立位移的個(gè)數(shù)。根據(jù)選定的位移模式,就可以導(dǎo)出用節(jié)點(diǎn)位移表示單元內(nèi)任意一點(diǎn)位移的關(guān)系式,其矩陣形式是:{u}= [N]{δ}' (41)(41)式中{u}——單元內(nèi)任意一點(diǎn)的位移列陣{δ}'——單元的節(jié)點(diǎn)位移列陣[N]——形函數(shù)矩陣,它的元素是位置坐標(biāo)的函數(shù)分析單元的力學(xué)性質(zhì)位移模式選定以后,根據(jù)單元的材料性質(zhì)、形狀、尺寸、節(jié)點(diǎn)數(shù)目、位置及其含義等,進(jìn)行單元的力學(xué)特性分析,包括如下三步:(1)利用幾何方程,由位移表達(dá)式(41)導(dǎo)出節(jié)點(diǎn)位移表示單元應(yīng)變的關(guān)系式:{ε}= [B]{δ}' (42)(42)式中{ε}——單元內(nèi)任意一點(diǎn)的應(yīng)變列陣[B]——單元應(yīng)變矩陣(2)利用本構(gòu)方程,由應(yīng)變的表達(dá)式(42)導(dǎo)出節(jié)點(diǎn)位移表示單元應(yīng)力的關(guān)系式:{σ}= [D]{ε}= [D][B]{δ}' (43)(43)式中{σ}——單元內(nèi)任意一點(diǎn)的應(yīng)力列陣[D]——與單元材料有關(guān)的彈性矩陣(3)利用變分原理,建立作用于單元上的節(jié)點(diǎn)力與節(jié)點(diǎn)位移之間的關(guān)系式,即單元的平衡方程為:{ f }'= [K] '{δ}' (44)(44)式中[K] '——單元?jiǎng)偠染仃?,[K] =∫∫∫[B][D][B] dxdydz式(44)的積分應(yīng)普及整個(gè)單元的體積。單元組集,建立整個(gè)結(jié)構(gòu)的平衡方程單元組集包括兩方面的內(nèi)容:一是各個(gè)單元的剛度矩陣,集合成整個(gè)物體的整體剛度矩陣。二是將作用于各單元的等效節(jié)點(diǎn)力集合成總的載荷列陣。最常用的集合剛度矩陣的方法是直接剛度法。一般來說,集合所依據(jù)的理由是要求所有相臨的單元在公共結(jié)點(diǎn)處的位移相等。于是得到以整體剛度矩陣[K]、載荷列陣{f}以及整個(gè)物體的結(jié)點(diǎn)位移列陣{δ}表示的整個(gè)結(jié)構(gòu)的平衡方程:[K ]{δ}={f} (45)這個(gè)方程還應(yīng)考慮幾何邊界條件作適當(dāng)?shù)男薷闹?,才能夠解出所有的未知結(jié)點(diǎn)位移。求解未知節(jié)點(diǎn)位移由集合起來的平衡方程組(45)解出未知位移。這里,可以根據(jù)方程組的具體特點(diǎn)選擇合適的計(jì)算方法。計(jì)算單元應(yīng)力最后就可利用公式(43)和已求得的節(jié)點(diǎn)位移計(jì)算各單元的應(yīng)力,并加以整理得出想要的結(jié)果[20][21]。有限元法的分析步驟從使用有限元程序的角度來講,有限元分析可分為三個(gè)步驟,即有限元分析的前處理、有限元分析的計(jì)算和有限元分析的后處理。(1) 前處理是對(duì)計(jì)算對(duì)象網(wǎng)格劃分、形成計(jì)算模型的過程。包括單元類型的選擇,結(jié)構(gòu)的材料特征參數(shù)的確定,實(shí)體建模,節(jié)點(diǎn)和單元網(wǎng)格的確定,邊界條件或約束條件及載荷的移置等。許多商用有限元軟件不僅提供了與主流CAD系統(tǒng)的接口,自己本身也又很好的實(shí)體建模性能有限元軟件都提供了一種以上的網(wǎng)格劃分方法,以供使用者根據(jù)計(jì)算要求進(jìn)行選擇。其任務(wù)包括:1) 建立分析結(jié)構(gòu)的幾何模型。對(duì)于幾何形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu),可以直接讀取CAD軟件的相關(guān)格式,或者以IGES等文件格式作為中介,從CAD系統(tǒng)中獲取結(jié)構(gòu)的幾何模型,輸入有限元分析軟件。2) 根據(jù)分析對(duì)象和目的,確定有限元網(wǎng)格劃分方案(單元類型的選擇、但愿密度和數(shù)量)和裝配方案(連接關(guān)系類型和位置),建立有限元分析的計(jì)算模型。3)確定施加邊界條件(結(jié)構(gòu)所受的載荷和約束)。(2) 計(jì)算是在形成總剛度方程和約束處理后求解大型聯(lián)立方程組、最終得到節(jié)點(diǎn)位移的過程??梢岳贸绦蛱峁┑母鞣N求解方法進(jìn)行選擇求解。由于商用軟件己經(jīng)針對(duì)多種模型進(jìn)行過驗(yàn)證運(yùn)算,因此只需要按照提示輸入各種條件,包括收斂的方法(在軟件中,這常被稱為求解器)等,計(jì)算機(jī)就可以進(jìn)行計(jì)算,得到計(jì)算結(jié)果。(3) 后處理是對(duì)計(jì)算結(jié)果(應(yīng)力、應(yīng)變或振型等)進(jìn)行必要的處理,并按一定有限單元法具有如下優(yōu)點(diǎn):1)分析對(duì)象的幾何形狀適應(yīng)性強(qiáng);2)適用范圍廣;3)較好的穩(wěn)定性和收斂性。便于計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。有限單元法采用矩陣式和單元組裝方法,每一個(gè)步驟都便于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)軟件模塊化,有利于計(jì)算機(jī)軟件的處理。 有限元分析分析機(jī)械部件 揉捻機(jī)支撐件有限元法分析1. 安裝 Solidworks simulation插件后,打開所要分析的零件圖,新建一個(gè)算例,該揉捻機(jī)結(jié)構(gòu)部件的有限元分析只做其靜態(tài)分析,并單擊確定按鈕,:2. 編輯該零件的應(yīng)用材料 選擇灰鑄鐵,并單擊應(yīng)用按鈕,然后關(guān)閉該窗口,:3. 添加夾具 固定幾何體,然后單擊確定按鈕,:4. 加載外部載荷 由于揉捻機(jī)各個(gè)零件都已經(jīng)編輯了應(yīng)用材料,所以整個(gè)機(jī)器的總重量是已知的。在此,估測一個(gè)足夠大的值,取施加載荷為1200N的力作分析,然后單擊確定按鈕,:5. 劃分網(wǎng)格 網(wǎng)格控制允許獨(dú)立于整體單元尺寸而只在所選的位置控制局部單元尺寸。與整體網(wǎng)格細(xì)化相比較,它是更有效的數(shù)值技術(shù)。在需要的位置進(jìn)行小單元?jiǎng)澐?,那些無應(yīng)力集中的地方用較大的網(wǎng)格劃分。,因此,可以應(yīng)用網(wǎng)格控制細(xì)化分析。在這里我們做個(gè)比較,:綜述:網(wǎng)格控制可以應(yīng)用到點(diǎn)、面或裝配體的整個(gè)零部件。從以上兩圖通過分析我們可以觀察出來,在應(yīng)力集中的地方,選擇了應(yīng)用網(wǎng)格控制的位置比其他地方網(wǎng)格要細(xì)化很多,控制的網(wǎng)格沿邊界局部細(xì)化,而沒選擇的網(wǎng)格和其他一樣。6. 運(yùn)行算例 在應(yīng)力集中的地方發(fā)生的位移變形比較大,因?yàn)榇肆慵氰T造而成,在應(yīng)力集中的地方?jīng)]有倒角,應(yīng)力較大,所以要改進(jìn)的是將此處倒角,減少應(yīng)力集中。因此,可以清晰的看到該零部件受到1200N力時(shí)的應(yīng)力、位移、應(yīng)變結(jié)果示意圖,、: 揉盤有限元法分析1. 選擇模型 我們知道揉盤中的載荷來源是茶葉的重量,而茶葉只有揉桶里面有,所以揉盤內(nèi)只有揉盤所處的位置受力,其它部分不受力,我們用分割線將模型分割出揉桶的位置以便接下來分析。:2. 編輯材料 在茶葉揉捻過程中,由于茶葉汁液的流出,可能會(huì)使得鑄鐵生銹。因此,應(yīng)在鑄鐵構(gòu)架中鋪設(shè)不銹鋼鋼板,也保證了該機(jī)器所揉捻的茶葉品質(zhì)保持較好。3. 揉盤進(jìn)行夾具固定 在固定揉盤時(shí),是將三個(gè)軸承座處固定,:4. 外部載荷 考慮揉桶所裝茶葉的重量,及其加壓蓋所加壓力,這里給予較大的估測值500N進(jìn)行分析,:5. 劃分網(wǎng)格 揉盤在工作部位和固定端存在應(yīng)力集中,可采用應(yīng)用網(wǎng)格控制和不選擇應(yīng)用網(wǎng)格控制進(jìn)行比較分析,:6. 運(yùn)行算例 在運(yùn)行算例后,可以得到應(yīng)力、位移和應(yīng)變的分析結(jié)果,并通過分析診斷,其顯示未超出材料的需用最大值,故該零部件符合設(shè)計(jì)要求,、: 加壓蓋有限元法分析1. 選擇加壓蓋分析模型、編輯應(yīng)用材料并將模型進(jìn)行固定,:2. 外部載荷 考慮揉捻機(jī)在工作過程中受到茶葉的方作用力足夠大的情況,最大為200N時(shí),:3. 劃分網(wǎng)格 加壓蓋在工作部位存在應(yīng)力集中不明顯,這里只采用不選擇應(yīng)用網(wǎng)格控制來觀察加壓蓋受力情況,:4. 運(yùn)行算例 在運(yùn)行算例后,可以得到應(yīng)力、位移和應(yīng)變的分析結(jié)果,并通過分析診斷,其顯示未超出材料的需用最大值,故該零部件符合設(shè)計(jì)要求,、:第五章 自動(dòng)化盤式揉捻機(jī)主要機(jī)械部件結(jié)構(gòu)分析校核根據(jù)揉桶轉(zhuǎn)速為50r/min,傳動(dòng)方案為電動(dòng)機(jī)提供得的動(dòng)力經(jīng)帶傳動(dòng)、直齒圓柱齒輪傳動(dòng)和一級(jí)圓錐齒輪傳動(dòng)將水平軸的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成豎直軸的轉(zhuǎn)動(dòng)并經(jīng)主動(dòng)曲臂帶動(dòng)柔婷旋轉(zhuǎn),最大值為6,斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比為35,最大為10,直齒圓錐齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)范圍為23最大值為6,所選擇的主動(dòng)力電動(dòng)機(jī)的滿載轉(zhuǎn)速為1440r/min,總傳動(dòng)比為i=。可取各級(jí)傳動(dòng)比分配為帶傳動(dòng)i帶=3,i斜齒=,i錐齒=。三角帶傳動(dòng)中,軸間距A可以較大。由于是摩擦傳遞,帶與輪槽間會(huì)有打滑,亦可因而緩和沖擊及隔離震動(dòng),使傳動(dòng)平穩(wěn)。帶傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡單,但尺寸,機(jī)床中多用于電機(jī)輸出軸的定比傳動(dòng)。1. 選擇三角帶的型號(hào)根據(jù)電機(jī)功率P(kw)和小帶輪nd(r/min)查機(jī)床主軸變速箱設(shè)計(jì)指導(dǎo),選擇帶的型號(hào)。計(jì)算功率式中:—計(jì)算功率,kW;—所需傳遞的額定功率; —工作情況系數(shù)。茶葉揉捻機(jī)的起動(dòng)載荷輕,工作載荷穩(wěn)定,查機(jī)械設(shè)計(jì)[1]中表87。小帶輪的轉(zhuǎn)速為電動(dòng)機(jī)的滿載轉(zhuǎn)速,故取小帶輪轉(zhuǎn)速n1=1440r/min, 機(jī)械設(shè)計(jì)[1]中圖811即可選取普通V帶帶型,帶的型號(hào)是:A型,參數(shù)如下:2. 確定帶輪的計(jì)算直徑dd21).小帶輪計(jì)算直徑d1皮帶輪的直徑越小,帶的彎曲應(yīng)力就越大。為提高帶的使用壽命,小帶輪直徑d1不宜過小,要求許用最小帶輪直徑dmin,即d1≥dmin。各型號(hào)帶對(duì)應(yīng)的最小帶輪直徑dmin可查機(jī)械設(shè)計(jì)[1]表86 V帶的最小基準(zhǔn)直徑,可知dmin=50mm取d1=90m。m2).大帶輪計(jì)算直徑d2 式中: n1—小帶輪轉(zhuǎn)速r/min; n2—大帶輪轉(zhuǎn)速r/min; ε—帶的滑動(dòng)系數(shù),。算后應(yīng)將數(shù)字圓整為整數(shù),其結(jié)果取為280mm 。
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