【正文】 特性方面的性能，從而縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，減少產(chǎn)品開發(fā)成本。 (2)有限元分析模型建立及載荷計(jì)算 將建立的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體實(shí)體模型轉(zhuǎn)換為有限元分析模型，并進(jìn)行有效合理的網(wǎng)格劃分。 (3)機(jī)體靜態(tài)分析 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體施加載荷及約束后進(jìn)行分析，通過分析機(jī)體在極限工作狀況 下的剛度和強(qiáng)度問題，得出機(jī)體在極限工作狀況下的應(yīng)力分布情況，以使得發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體能有效保證發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和可靠性。 機(jī)體作為柴油機(jī)所有部位中的重要組成部分同時(shí)也是柴油機(jī)的骨架，在一定程度上使所有的運(yùn)動(dòng)部件得以保持穩(wěn)定的相對(duì)位置以保證機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。由于各部分力的作用使得機(jī)體的應(yīng)力狀態(tài)變得十分復(fù)雜，于是采用有限元對(duì)柴油機(jī)強(qiáng)度進(jìn)行細(xì)致的分析變得很有必要。所以機(jī)體在制造過程中絕對(duì)不能出現(xiàn)一絲一毫的差錯(cuò)，否則將影響整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的整體運(yùn)轉(zhuǎn)。 第二章： 175F機(jī)體建模及載荷計(jì)算 5 第二章： 175F 機(jī)體建模及載荷計(jì)算 Pro/E 簡(jiǎn)介 Pro/Engineer 是美國 PTC 公司的產(chǎn)品，于 1988 年問世。 Pro/E 是全方位的 3D產(chǎn)品開發(fā)軟件包，和相關(guān)軟件 Pro/DESINGER（造型設(shè)計(jì)）、 Pro/MECHANICA（功能仿真），集合了零件設(shè)計(jì)、產(chǎn)品裝配、模具開發(fā)、加工制造、鈑金件設(shè)計(jì)、鑄造件設(shè)計(jì)、工業(yè)設(shè)計(jì)、逆向工程、自動(dòng)測(cè)量、機(jī)構(gòu)分析、有限元分析、產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫管理等功能，從而使用戶縮短了產(chǎn)品開發(fā)的時(shí)間并簡(jiǎn)化了開發(fā)的流程；國際上有 27000 多企業(yè)采用了PRO/ENGINEER 軟件系統(tǒng)，作為企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)軟件進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)。另外，它采用 模塊化 方式，用戶可以根據(jù)自身的需要進(jìn)行選擇，而不必安裝所有模塊。它不但可以應(yīng)用于工作站，而且也可以應(yīng)用到單機(jī)上。 相對(duì)于產(chǎn)品而言，我們可以把它看成 幾何模型 ，而無論多么復(fù)雜的幾何模型，都可以分解成有限數(shù)量的構(gòu)成特征，而每一種構(gòu)成特征，都可以用有限的參數(shù)完全約束，這就是參數(shù)化的基本概念。這一功能特性給工程設(shè)計(jì)者提供了在設(shè)計(jì)上從未有過的簡(jiǎn)易和靈活。 6 創(chuàng)建文件 打開 creo，創(chuàng)建新文件，單擊“文件” “新建”，在對(duì)話框中，輸入’ xiangti”進(jìn)行命名，取消“使用缺省模板”，如下圖單擊“確定”彈出“新文件選項(xiàng)”對(duì)話框，在 “模板”中選擇 “mmnspartsolid”，單擊“確定”，進(jìn)入“零件”模塊。單擊控制板上的“放置”按鈕，單擊“定義”按鈕 ② 彈出“草繪”對(duì)話框。接受其余的默認(rèn)設(shè)置，單擊“草繪”，進(jìn)入草繪模式。 第二章： 175F機(jī)體建模及載荷計(jì)算 9 圖（ ） ④ 在拉伸工具面板中，選擇“ ”按鈕，輸入深度為 61，單擊確認(rèn)“ ”按鈕，生成齒輪箱。單擊控制板上的“放置”按鈕 ，單擊“定義”按鈕 ② 彈出“草繪”對(duì)話框。接受其余的默認(rèn)設(shè)置，單擊“草繪”，進(jìn)入草繪模式。 10 圖（ ） ④ 在拉伸工具面板中，選擇“ ”按鈕，輸入深度為 30，單擊確認(rèn)“ ”按鈕，生成凸臺(tái)。單擊控制板上的“放置”按鈕，單擊“定義”按鈕； ② 彈出“草繪”對(duì)話框。 ③ 繪制剖面，如下圖所示 ，繪制完后點(diǎn)擊” ”退出草繪模式。單擊控制板上的“放置”按鈕，單擊“定義”按鈕； ② 彈出“草繪”對(duì)話框。 ③ 繪制如下圖所示的剖面，繪制完后點(diǎn)擊” ”退出草繪模式。單擊控制板上的“放置”按鈕，單擊“定義”按鈕； ② 彈出“草繪”對(duì)話框。 ③ 繪制如下圖所示的剖面，繪制完后點(diǎn)擊” ”退出草繪模式。 圖（ ） 16 ② 通過 孔、鏡像、陣列等工具做出如下效果圖 圖（ ） 其他部分的繪制如下圖，通過拉伸、拔摸、鏡象、陣列、殼工具、孔、圓角可得其他部分的繪制如下圖， 圖（ ） 第二章： 175F機(jī)體建模及載荷計(jì)算 17 圖（ ） 圖（ ） 18 第三章： 輕型 175F 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析相關(guān)理論 有限元法介紹 對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的工程問題我們常用各種主要量相聯(lián)系的代數(shù)方程、微分方程或積分方程來描述。 有限差分法，在一個(gè)差分方程的有限差分近似式中，以差商來代替方程式中的導(dǎo)數(shù)，該差商包含了在域中各個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上解得的值。有限差分法在概念上雖然簡(jiǎn)單，但它具有一些缺點(diǎn)。 變分法 ,在微分方程的變分解中，將微分方程換成一個(gè)等效的變分式，然后假定其近似解為已知的近似函數(shù) j? 的組合 ( jjc?? ),參數(shù) jc 按實(shí)力方式確定。 有限元法 (FiniteElementMethod， FEM),也稱為有限單元法或有限元素法，基本思想是將求解區(qū)域離散為一組有限個(gè)且按一定方式相互連接在一起的單元的組合體。 有限元法由于提供了推導(dǎo)近似函數(shù)的系統(tǒng)步驟，因此它克服了變分法的困難。第二，對(duì)每一個(gè)有限元運(yùn)用基本的概念推 導(dǎo)近似因數(shù)。按插值理論的概念推導(dǎo)近似函數(shù)，因此稱它為插值函數(shù)。其中，近似函數(shù)是代數(shù)多項(xiàng)式，而待定參數(shù)代表邊界上和單元內(nèi)部有限個(gè)額定點(diǎn) (稱為節(jié)點(diǎn) )處的解答值。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了開發(fā)對(duì)象的自動(dòng)離散及有限元分析結(jié)果的可視化顯示的熱潮，使有限元分析的“瓶頸”得以逐步解決。從簡(jiǎn)單對(duì)象的一維單 一網(wǎng)格到復(fù)雜對(duì)象的多維多種網(wǎng)格單元 。從單純的離散到自適應(yīng)離散 。這些重大發(fā)展使有限元分析擺脫了僅為性能校核工具的原始階段。 有限元靜力學(xué)分析基本理論 線彈性有限元靜力學(xué)分析的過程 l）根據(jù)虛功原理，可建立單元節(jié)點(diǎn)力與單元節(jié)點(diǎn)位移的函數(shù)關(guān)系，即 e e e{F} =[K] {δ} （ ） 其中 : e{F} 為單元節(jié)點(diǎn)力列陣 , e{k} 單元?jiǎng)偠染仃?, e{}? 為單元節(jié)點(diǎn)位移列陣； 2)按靜力等效原則把每個(gè)單元所受的載荷向節(jié)點(diǎn)移置，并求和，從而得結(jié)構(gòu)的等效節(jié)點(diǎn)載荷列陣 p{F} ； 3)根據(jù)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的相關(guān)單元組集結(jié)構(gòu)的總剛度矩陣 [k] ，并建立整個(gè)結(jié)構(gòu)的平衡方程： {F}=[k]{ }? （ ） 該平衡方程是一個(gè)線性方程組，其方程的個(gè)數(shù)等于結(jié)構(gòu)的自由度數(shù)，即結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)數(shù)乘以節(jié)點(diǎn)的自由度數(shù)。 在整個(gè)過程中，其難點(diǎn)在于線性方程組的求解，這是因?yàn)閷?duì)于一個(gè)比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)而言，其離散的單元及節(jié)點(diǎn)數(shù)目往往是上十萬，甚至上百萬，因此對(duì)計(jì)算機(jī)的硬件有比較高要求，另外，要保證有限元解的正確性，與合理建立有限元模型和正確處理邊界條件以及約束信息都緊密相關(guān)。在這些單元中，最常用的是結(jié)點(diǎn)為鉸接形式的四結(jié)點(diǎn)四面體單元，六結(jié)點(diǎn)三棱柱單元和二十結(jié)點(diǎn)等參數(shù)單元。對(duì)于等參數(shù)單元，它是自然坐標(biāo) ξ,η,ζ 的函數(shù) 。求解 iN 的公式，即 11( , , ) ( , , ) / ( , , )mmi k k i i ikkN x y z F x y z F x y z??? ? () 這里的 kF (x ,y ,z)( k = 1 ,2 ,L ,m )為不通過結(jié)點(diǎn) i 而通過所有其它結(jié)點(diǎn)的一組（ m 個(gè)）代數(shù)曲面。另外由公式（ 27）構(gòu)造的形函數(shù)還需檢驗(yàn)它是否滿足： d d d di i i i i i ii = 1 i = 1 i = 1 i = 1N = 1 , N x = x , N y = y , N z = z? ? ? ?（對(duì)等參數(shù)單元，11 ( , , )dii N x x x y z? ??是自然滿足的就無須檢驗(yàn)），和位移協(xié)調(diào)條件。由 {}eR 形成 {}R 的理論公式，仍然是 { } ([ ] ) { }e T eR c R? ? （ ） 但實(shí)際上還是按自由度序號(hào)“對(duì)號(hào)入座” 和“同序號(hào)相加”的方法由 {}eR 形成 {}R [4]。應(yīng) 力分量 xx? 、yy? 、 zz? 、 xy? 、 yz? 、 zx? ；應(yīng)變分量 xx? 、 yy? 、 zz? 、xy? 、 yz? 、 zx? .其示意圖如圖 ()所示： 圖 () 三維問題中的應(yīng)力分量 三維問題的應(yīng)變與位移關(guān)系的方程用矩陣表示為 : 22 ? ?xxyyzzxyyzzxuxvywzuvyxvwzywuxx?????????????????????? ?????????????? ?? ? ? ???? ? ? ???? ? ? ????? ? ? ?? ? ? ????????? ?????????????????? () 彈性體的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系要視彈性體的材 料而定。 依公式 ()求解應(yīng)力 : ? ? ? ? Tx x y y z z x y y x z x? ? ? ? ? ? ?? () 可得 ? ? ? ?? ?D??? () 式中 []D 稱為彈性矩陣，且為 : 第三章：輕型 175F發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析相關(guān)理論 23 ? ?1 0 0 0( 1 ) ( 1 )1 0 0 0( 1 ) ( 1 )1 0 0 0( 1 ) ( 1 )( 1 )12( 1 ) ( 1 2 )0 0 0 0 02 ( 1 2 )120 0 0 0 02 ( 1 )120 0 0 0 02 ( 1 )ED????????????????????????????????????? ??????? ???? ???? ??? (1 )(1 )(1 2 )E ?? ???? ?? () ??D 有多種形式，在此用拉梅系數(shù)和剪切彈性 模量 2(1 )EG ?? ? () 可表示為： ? ?2 0 0 02 0 0 02 0 0 00 0 0 0 00 0 0 0 00 0 0 0 0GGGDGGG? ? ?? ? ?? ? ????????? ?????? () 剛度矩陣 [k] 對(duì)于自由度總數(shù)為 n 的空間結(jié)構(gòu)的整體剛度矩陣 [K]是 n*n 的方陣，它是由單元?jiǎng)偠染仃?[K]集合而成的，若單元具有 d個(gè)結(jié)點(diǎn)，則 [K]用子矩陣表示的形式為 ? ? 11 1331dddd ddkkkkk???????? () 其中： ? ?33 ( , 1 , 2 , , )x x x y x zrs rs rsy x y y y zrs rs rs rszx zy zzrs rs rsk k kk k k k r s dk k k????????? () 24 如同平面問題一樣， [k]也是單元結(jié)點(diǎn)力列陣 31{}edF ? 和結(jié)點(diǎn)位移列陣 31{}ed? ? 之間的轉(zhuǎn)換矩陣，它也是應(yīng)用虛功原理導(dǎo)出的，其形式為： ? ? ? ? ? ?3 1 3 133eeddddFk ????? () 其中 ? ? ? ?? ?33[] Tddk B D B dV? ? ??? () 其子矩陣 ? ? ? ? ? ? ? ?3 3 3 6 6 6 6 4 ( , 1 , 2 , , )Trsk B D B d V r s d? ? ? ?????? () 由 [k]形成的 [K]的理論公式，仍然是