【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 第 13 頁(yè) 整機(jī)裝配 整機(jī)裝配內(nèi)部結(jié)構(gòu)： 圖 34 工作臺(tái)內(nèi)部旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 圖 35 插齒機(jī)構(gòu) 圖 36 工作臺(tái)讓刀機(jī)構(gòu) 圖 37 刀頭 XX 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 14 頁(yè) 第四章 數(shù)控插齒機(jī)的有限元分析 有限元法概述 有限元法是隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展而興起有一種現(xiàn)代計(jì)算方法，它以計(jì)算機(jī)作為主要的分析手段，通過(guò)離散化將研究的對(duì)象轉(zhuǎn)換成與原結(jié)構(gòu)近似的數(shù)學(xué)模型，再通過(guò)一系列的規(guī)范化的處理來(lái)求解應(yīng)力、應(yīng)變、位移等等參數(shù)的數(shù)值計(jì)算方法 [10]。 有限元法的基本思想是把問(wèn)題的求解域劃分為 一系列的單元，一單元之間靠節(jié)點(diǎn)連接，單元內(nèi)部點(diǎn)的待求量由單元節(jié)點(diǎn)量通過(guò)選定的函數(shù)通過(guò)插值求得。因?yàn)閱卧螤钶^為簡(jiǎn)單，由平衡關(guān)系或者能量關(guān)系都能比較容易建立起節(jié)點(diǎn)之間的方程式，然后將各單元方程“組集”在一起而形成總體代數(shù)方程組，帶入邊界條件后對(duì)該方程組進(jìn)行求解。有限元分析是利用數(shù)學(xué)近似的方法對(duì)真實(shí)的物理系統(tǒng) (幾何和載荷工況 )進(jìn)行模擬，再以簡(jiǎn)單而相互作用的單元用有限數(shù)量的未知量去逼近無(wú)限未知量的真實(shí)系統(tǒng)。一般認(rèn)為，有限元法是在 20世紀(jì)50年代中期作為結(jié)構(gòu)分析的矩陣法的推廣而應(yīng)用到固體力學(xué)領(lǐng)域中的。結(jié)構(gòu)分析的矩陣 法是分析含有大量構(gòu)件的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的分析方法，其構(gòu)件是簡(jiǎn)單的拉壓桿件或各種受彎曲或扭轉(zhuǎn)的梁，它們?cè)谟邢迋€(gè)節(jié)點(diǎn)上的位移和內(nèi)力的關(guān)系可列成方程組以位移或內(nèi)力為未知數(shù)，而根據(jù)未知數(shù)的不同用位移法、力法或混合法進(jìn)行求解。利用結(jié)構(gòu)力學(xué)知識(shí)對(duì)離散的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)寫(xiě)出方程，采用矩陣符號(hào)推導(dǎo)與計(jì)算矩陣就是一個(gè)數(shù)學(xué)的計(jì)算過(guò)程。而對(duì)于大型的代數(shù)方程的求解則可由計(jì)算機(jī)去完成。有了計(jì)算機(jī)這種強(qiáng)有力的計(jì)算工具，有限元法應(yīng)用才由彈性力學(xué)的平面問(wèn)題擴(kuò)展到空間問(wèn)題、板殼問(wèn)題，由靜力問(wèn)題擴(kuò)展到穩(wěn)定性問(wèn)題、動(dòng)力問(wèn)題和波動(dòng)性問(wèn)題。利用有限元方法進(jìn)行分析， 其過(guò)程一般需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)的離散化、單元特性分析、單元組集、求解未知節(jié)點(diǎn)位移、計(jì)算單元內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)變等步驟。 結(jié)構(gòu)離散化 離散化是把一個(gè)連續(xù)體分割成若干個(gè)通過(guò)節(jié)點(diǎn)（ Node)連接的單元(Element)，這樣一個(gè)無(wú)限自由度 (DOF， DegreeofFreedom)的結(jié)構(gòu)就變成了一個(gè)具有有限自由度的近似結(jié)構(gòu)。該過(guò)程還包括對(duì)單元和節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編碼以及局部坐標(biāo)系和整體坐標(biāo)系的確定。 XX 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 15 頁(yè) 單元節(jié)點(diǎn)的設(shè)置、性質(zhì)、數(shù)目等應(yīng)視問(wèn)題的性質(zhì)及描述變形形態(tài)的需要和計(jì)算精度而定。 單元特性分析 單元節(jié)點(diǎn)分 析包括選擇位移函數(shù)、分析單元力學(xué)性質(zhì)并計(jì)算等效節(jié)點(diǎn)力等內(nèi)容。 單元組集 利用結(jié)構(gòu)力的平衡條件和邊界條件把各個(gè)單元按原來(lái)的結(jié)構(gòu)重新連接起來(lái)形成整體的有限元方程。對(duì)于總體剛度方程的確定有三種方法 :直接利用總體剛度系數(shù)的定義、集成法、利用節(jié)點(diǎn)間剛度系數(shù)直接寫(xiě)出總體剛度矩陣。 求解未知節(jié)點(diǎn)位移 引入支承條件，解有限元方程就可求出未知節(jié)點(diǎn)位移。 計(jì)算單元內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)變 根據(jù)求解的節(jié)點(diǎn)位移，采用選定的位移函數(shù)，計(jì)算單元內(nèi)非節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力和應(yīng)變。 綜上所述，有限元法的基本思想“一分 一合”。分是為了進(jìn)行單元?jiǎng)澐?，合則是為了對(duì)整體進(jìn)行綜合分析。 ANSYS 軟件簡(jiǎn)介 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(kāi)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 [12]。 CAE的技術(shù)種類(lèi)有很多，其中包括有限元法 (FEM,即 Finite Element Method),邊界元法 (BEM,即 Boundary Element Method)，有限差法 (FDM,即Finite Difference Element Method)等。每一種方法各有其應(yīng)用的領(lǐng)域，而其中有限元法應(yīng)用的領(lǐng)域越來(lái)越廣，現(xiàn)已應(yīng)用于結(jié)構(gòu)力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)、流體力學(xué)、電路學(xué)、電磁學(xué)等。 ANSYS有限元軟件包是一個(gè)多用途的有限元法計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)程序，可以用來(lái)求解結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場(chǎng)及碰撞等問(wèn)題。因此它可應(yīng)用于以下工業(yè)領(lǐng)域： 航空航天、汽車(chē)工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、橋梁、建筑、電子產(chǎn)品、 重型機(jī)械、微機(jī)電XX 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 16 頁(yè) 系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)器械等。 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(hù)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(xiàn)性分析、非線(xiàn)性分析和高度非線(xiàn)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(xiàn)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(lái)，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線(xiàn)形式顯示或輸出。 軟件提供了 100種以上的單元類(lèi)型，用來(lái)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。 ANSYS軟件提供的分析類(lèi)型如下： 用來(lái)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(duì)結(jié)構(gòu)的影響并不顯著的問(wèn)題。 ANSYS程序中的靜力分析不僅可以進(jìn)行線(xiàn)性分析，而且也可以進(jìn)行非線(xiàn)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(dòng)力學(xué)分析用來(lái)求解隨時(shí)間變化的載荷對(duì)結(jié)構(gòu)或部件的影響。與靜力分析不同，動(dòng)力分析要考慮隨時(shí)間變化的力載荷以及它對(duì)阻尼和慣性的影響。ANSYS可進(jìn)行的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析類(lèi)型包括：瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析、模態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析及隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析。 結(jié)構(gòu)非線(xiàn)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(xiàn)性問(wèn)題，包括材料非線(xiàn)性、幾何非線(xiàn)性和單元非線(xiàn)性三種。 ANSYS程序可以分析 大型三維柔體運(yùn)動(dòng)。當(dāng)運(yùn)動(dòng)的積累影響起主要作用時(shí)，可使用這些功能分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)在空間中的運(yùn)動(dòng)特性，并確定結(jié)構(gòu)中由此產(chǎn)生的XX 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 17 頁(yè) 應(yīng)力、應(yīng)變和變形。 程序可處理熱傳遞的三種基本類(lèi)型：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。熱傳遞的三種類(lèi)型均可進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)、線(xiàn)性和非線(xiàn)性分析。熱分析還具有可以模擬材料固化和熔解過(guò)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。 主要用于電磁場(chǎng)問(wèn)題的分析，如電感、電容、磁通量密度、渦流、電場(chǎng)分布、磁力線(xiàn)分布、力、運(yùn)動(dòng)效應(yīng)、電路和能量損失等。還可用于螺線(xiàn)管 、調(diào)節(jié)器、發(fā)電機(jī)、變換器、磁體、加速器、電解槽及無(wú)損檢測(cè)裝置等的設(shè)計(jì)和分析領(lǐng)域。 ANSYS流體單元能進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)分析，分析類(lèi)型可以為瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)。分析結(jié)果可以是每個(gè)節(jié)點(diǎn)的壓力和通過(guò)每個(gè)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(duì)流換熱效應(yīng)。 程序的聲學(xué)功能用來(lái)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(dòng)態(tài)特性。這些功能可用來(lái)確定音響話(huà)筒的頻 率響應(yīng)，研究音樂(lè)大廳的聲場(chǎng)強(qiáng)度分布，或預(yù)測(cè)水對(duì)振動(dòng)船體的阻尼效應(yīng)。 用于分析二維或三維結(jié)構(gòu)對(duì) AC（交流）、 DC（直流）或任意隨時(shí)間變化的電流或機(jī)械載荷的響應(yīng)。這種分析類(lèi)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(dòng)態(tài)性能分析?？蛇M(jìn)行四種類(lèi)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。 目前最新版本是 ANSYS 。 與 接口 目的：用 PRO/E進(jìn)行 3D實(shí)體建模，然后用 ANSYS進(jìn)行有限元分析。 優(yōu)點(diǎn)：可 快速生成復(fù)雜的 3D實(shí)體零件模型（包括裝配模型 ASM）；一次性導(dǎo)入XX 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 18 頁(yè) ANSYS 后基本不用進(jìn)行修修補(bǔ)補(bǔ)，兼容性較好，可認(rèn)為是無(wú)縫連 [13]。一次導(dǎo)入成功率： % 操作步驟： 首先安裝 PRO/E WildFire ，并進(jìn)行正常使用； 按照 ANSYS的安裝說(shuō)明安裝 ANSYS（最好是 ANSYS ，本文使用的是 ），記錄下你的主機(jī) ID and MAC Address,修改 （證書(shū)文件），然后代替此文件中第一行原來(lái)的 ID and MAC Address，保存退 出，用 KEYGEN 生成 （證書(shū)）。然后進(jìn)行安裝（在第二步安裝 License 過(guò)程中，對(duì)于安裝提示①是否是 1 或 3 SERVER，選擇“是”；②是否有 License文件時(shí)，選“是”；③選剛才生成的 ，注意要設(shè)置環(huán)境變量，然后重新啟動(dòng)。同時(shí)在運(yùn)行 License Server 要將生成的 License Guide第三步提示的目錄里（如果一開(kāi)始就知道是應(yīng)該拷貝到哪個(gè)目錄，就在第③步前將此文件拷貝過(guò)去）。 安裝完成以后不要立即運(yùn)行 ANSYS，首先運(yùn)行 License Server管理器，完成 License注冊(cè)。 運(yùn)行 ADMIN，配置 ANSYS 和 PRO/E ，按照提示操作即可。 如果第 4 步成功的話(huà)，運(yùn)行 PRO/E 后就可在其菜單欄里面看見(jiàn)多了一個(gè) ，注意此時(shí)還沒(méi)有最后成功。 最好將 PRO/E 和 ANSYS 的工作目錄設(shè)成同一個(gè)，同時(shí)將此目錄設(shè)成PRO/E 啟動(dòng)目錄，并在此目錄中配置一個(gè) ，對(duì)其中幾項(xiàng)做調(diào)整： 表 41 配置選項(xiàng) Option Value FEM_ANSYS_annotation yes FEM_default_solver ANSYS FEM_which_ansys_solver FRONTAL FEM_ANSYS_grouping yes Pro_ANSYS_path 的安裝路徑 保存此 XX 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 19 頁(yè) 開(kāi)始正常使用，先用 PRO/E 中建模，然后調(diào)用 ANSYS 菜單下的 ANSYS GEOM 將模型傳入到 ANSYS 中進(jìn)行分析。 在 ANSYS中分析的注意事項(xiàng)： ① 在 PRO/E中用公制 (mmns)或英制單位建好模型后，在“ 編輯 — 設(shè)置 — 單位”中，新建單位制，全部采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)單位制，然后點(diǎn)擊“設(shè)置”，用“轉(zhuǎn)換尺寸”將原單位制下的模型轉(zhuǎn)換為新的即國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)單位制 (mnsK)下的尺寸，再啟動(dòng) ANSYS Geom。導(dǎo)入模型后，首先運(yùn)行“ /units,si”，把系統(tǒng)單位制切換到國(guó)際單位制（公制） ,彈性模量的單位是 Pa，泊松比無(wú)單位。這一步在 PROE和 ANSYS中全部都使用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)單位制，即長(zhǎng)度： m ；力： N ；時(shí)間： s ；溫度： K ；壓強(qiáng) /壓力： Pa；面積： m2 ；質(zhì)量： kg ,確保了分析結(jié)果不失真，且易于讀懂結(jié)果數(shù)據(jù)。 分析過(guò)程單位的研究 眾所周知， ANSY