【正文】 其數(shù)據(jù)文件的容量僅為GUI數(shù)據(jù)文件的千分之一，無論是在網(wǎng)上或平常的交流都很方便。而用GUI方式生成的數(shù)據(jù)文件則不能直接交流。而APDL文件則不存在這個限制，僅有個別命令會有影響。第四章：輕型175F發(fā)動機機體有限元分析第四章： 輕型175F發(fā)動機機體有限元分析 引言發(fā)動機機體是發(fā)動機的主要結(jié)構(gòu)和性能件，故機體的可靠性直接影響發(fā)動機整體的性能。機體在工作過程中的受力十分之復雜，除了燃燒過程中產(chǎn)生的燃氣壓力之外，還要受到來自曲柄連桿機構(gòu)的往復運動和旋轉(zhuǎn)運動慣性力，還有缸體與缸蓋之間的連接和密封性這些邊界條件對發(fā)動機的性能影響也很大。本章對175F機體進行靜強度分析，得出其在極限工況下的變形和應(yīng)力分布情況。從最初的大量采用板單元或板、梁、簡單實體元的組合方式，發(fā)展到目前廣泛采用的三維實體六面體、四面體單元。分析的對象從單缸、三缸、四缸擴展到12缸。在國外，20世紀80年代就開始對內(nèi)燃機機體進行全面、詳細的強度及動力學分析。要想提高分析的精度，就需要精確的模型，這樣問題的規(guī)模就非常大，對計算條件的要求非常高，而且建模和計算所耗費的時間很長。目前在網(wǎng)格的密度與計算精度之間沒有可供參考的量化關(guān)系，只能通過試驗驗證和局部模型修改的方法來進行處理。另外一個問題是邊界約束條件的處理。因此，如果分析的目的不僅僅局限于對機體結(jié)構(gòu)特性的一般的、總體的了解，而是要求有比較準確的分析結(jié)果，則必須考慮機體實際安裝條件，對邊界條件做出合理的處理，然后進行約束強度、模態(tài)分析。 機體實體模型的建立利用ANSYS軟件建立有限元模型，有兩種建模方法:一是利用實體造型功能，首先創(chuàng)建實體模型，然后再在實體模型的基礎(chǔ)上，進行網(wǎng)格劃分操作，完成有限元模型。直接生成有限元網(wǎng)格的方法，對一些簡單實體而言，比較容易實現(xiàn)，而對于機體這樣的復雜結(jié)構(gòu)，要想利用該方法，必須進行大量的簡化才能夠進行。而且，直接生成有限元網(wǎng)格，網(wǎng)格的密度是一定的，因此在建模之前，對用多少單元能夠描述實際結(jié)構(gòu)必須心中有數(shù)，網(wǎng)格密度的修改比較麻煩:而在實體模型的基礎(chǔ)上劃分網(wǎng)格，可很方便地控制網(wǎng)格的密度，適合于復雜結(jié)構(gòu)的建?！，F(xiàn)代CAD并行工程要求分析模型能充分利用設(shè)計主模型，并與設(shè)計主模型相關(guān)一致。顯然，這樣極大地提高了分析結(jié)果的可信度，同時也大大提高了有限元網(wǎng)格模型的生成速度和分析效率，節(jié)約了大量的時間和人力。目前，通過許多大型CAD軟件(如IDEASMasterSerieSTM， Pro/EngineerTM等)，人們可以比較方便地建立發(fā)動機中許多復雜零部件的實體模型，并導入到有限元的前處理模塊中去。175F機體為單缸發(fā)動機機體，是一個經(jīng)鑄造、機加后得到的結(jié)構(gòu)，其形狀較為復雜，在鑄造的箱體上分布有各種加強筋、凸臺、軸承孔、冷卻水套、油道孔和各種縱橫隔板。簡化時，應(yīng)根據(jù)分析需要，考慮一些起主導作用的因素來建立機體的簡化模型。雖然該機體的實體模型的有限元模型是為機體靜強度分析、應(yīng)力分析和變形分析，理論上應(yīng)考慮機體局部結(jié)構(gòu)特征以分析了解機體局部的特性與應(yīng)力狀況，但綜合考慮機體結(jié)構(gòu)的特點和計算機的計算能力，可以對安裝機體附件用的凸臺、小的螺栓孔、油道、油孔等對整體特性影響較小的局部結(jié)構(gòu)予以忽略，如果不省略細小的孔洞，這些細小的結(jié)構(gòu)在劃分網(wǎng)格時單元邊長較小，為了與之協(xié)調(diào)，其相鄰區(qū)域單元邊長也較小，勢必導致單元總數(shù)成倍增加，計算時間呈幾何級數(shù)增長。如忽略缸體上的一些鑄造圓角。3)螺栓孔的處理。4)對每個部分又根據(jù)其形狀特點進行少量簡化，以方便劃分有限元網(wǎng)格。圖()所示為建立的機體的三維實體模型。在整個求解過程中，它通常具有最大的工作量。主要表現(xiàn)在兩個方面，一是幾何元素過多，要生成其有限元網(wǎng)格需要高性能高配置的硬件，對于沒有經(jīng)過簡化的實體模型，現(xiàn)有的硬件無法實現(xiàn)。建立了簡化的實體模型后，將模型導入ANSYS軟件進行有限元網(wǎng)格劃分。這主要是由于結(jié)構(gòu)非常復雜，三維實體造型的一些細節(jié)存在問題或者過細，導致失敗，這就需要修改實體模型或者在ANSYS中進行拓撲修補，這些模型修改工作非常繁瑣費時，是建立有限元模型中工作量最大的地方。進行有限元劃分時，首先必須確定單元類型。有限元中，三維實體元有兩類:六面體單元和四面體單元。而用四面體單元來劃分三維結(jié)構(gòu)，單元劃分比較靈活，可以適應(yīng)復雜的幾何形狀。網(wǎng)格的數(shù)量多少直接影響計算的精度和計算規(guī)模的大小。一般在靜力分析時，如果僅僅計算結(jié)構(gòu)的變形，網(wǎng)格數(shù)量可少一些。在計算結(jié)構(gòu)固有動力特性時，如果僅僅計算少數(shù)低階模態(tài)，可采用較的網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分的疏密均勻度也隨分析問題的不同而有所不同。而計算固有特性時則應(yīng)趨于采用較均勻的網(wǎng)格形式。本文計算機體的變形、應(yīng)力分析時，由于機體模型結(jié)構(gòu)比較復雜，若采用不同的網(wǎng)格劃分方式，在變形、應(yīng)力集中的突變部位采用較密的網(wǎng)格，其他部分采用較大網(wǎng)格進行劃分時的難度和工作量都會有很大。 Pro/E文件導入ANSYSPro/E文件導入ANSYS①將prt文件另存為“igs”格式②點擊FileImportIGS,選擇保存的“igs”文件③依次選擇PlotctrlStyleSolit Model FacetsFine④依次選擇PlotVolumes圖（） 分析前處理1）創(chuàng)建“jitia”的工作名：從主菜單中選擇Main Menu：File＞Change Jobname…。圖 （)2）更改標題為“鋼板彈簧”從主菜單中選擇Main Menu：File＞change title打開“change title”對話框，在文本框中鍵入“jitib”， 然后單擊“OK”按鈕，如圖所示。單擊“Add…”按鈕，將打開“Library of Element Types（單元類型庫）”，如圖所示。圖 （)4）設(shè)置實常數(shù)：實常數(shù)在劃分網(wǎng)格之前要定義好，這里的Solid92十節(jié)點無需定義實常數(shù)。圖 （)依次單擊Structural＞Linear＞Elastic＞Isotropic，展開材料屬性的樹形結(jié)構(gòu)。圖 （)，“OK”按鈕，關(guān)閉對話框，并返回到定義材料模型屬性窗口，在此窗口的左邊一欄出現(xiàn)剛剛定義的的材料屬性。查看節(jié)點數(shù)與單元數(shù)：得到總數(shù)為76790個單元格，135621個結(jié)點。圖 （) 模型邊界條件與載荷的確定 約束處理從數(shù)學的角度來講，問題的邊界條件屬于解的唯一性條件，對它的模擬合理與否直接影響解的合理性。邊界條件的施加方式與有限元網(wǎng)格模型的生成方式直接相關(guān)，對基于幾何模型建立的有限元模型，邊界條件可以施加在幾何模型的邊、表面、點。如果在幾何位置點(頂點、邊或面上的位置點)上施加的邊界條件，則必須在施加后對模型進行自由式網(wǎng)格劃分后才能生效。這樣可以使繁雜的邊界條件施加變得直觀方便[15]。實際上精確的邊界條件的確定是非常困難的。為了盡可能真實的反映機體在發(fā)動機工作過程中的受力情況，在分析中仔細考慮了各種約束的影響。 載荷的確定機體載荷是機體靜強度分析計算的關(guān)鍵因素，它直接影響計算的準確性和可靠性。根據(jù)第3章提供的計算方法和計算公式，可以順利算出氣缸壁所受的工作壓力活轉(zhuǎn)角360176。在進氣行程上止點時受到最大慣性力作用，其值Ｐz=，此力通過連桿蓋軸瓦作用在軸連桿軸頸下部的圓柱面上。 加載和計算結(jié)果分析 加載具體步驟是：選擇Main MenuSolutionDefine LoadsApplyStructural，選擇Displacement定義約束區(qū)，選擇Force/Monent定義加載載荷。找出機體上受最大拉力和最大壓力的部位,這是兩種最危險的工況。從機體曲軸有限元應(yīng)力分析結(jié)果中可以看出,無論是受壓力見圖 ()還是受拉力見圖 (),在氣缸缸臂頂端周圍及缸蓋螺栓孔周圍都有較大集中應(yīng)力,圖中應(yīng)力單位為Mpa最危險部位是缸套頂端。因此在設(shè)計過程中應(yīng)重點考慮缸套頂端。 靜強度安全系數(shù)校核靜強度安全系數(shù)計算公式為，式中是材料強度極限，175F機體材料經(jīng)正火和調(diào)質(zhì)處理，強度極限本文取400MPa，是危險部位最大應(yīng)力，按最大應(yīng)力數(shù)進行校核。 疲勞安全系數(shù)校核疲勞安全系數(shù)計算公式為：式中，σa為應(yīng)力幅，σm為平均應(yīng)力，ψσ材料應(yīng)力循環(huán)不對稱的敏感系數(shù),ψσ=；kσ為有效應(yīng)力集中系數(shù)，kσ=；εσ為尺寸系數(shù)，εσ=；σ1為對稱疲勞極限，σ1=211Mpa；β為表面質(zhì)量系數(shù)，β=；nσ為疲勞強度許用安全系數(shù)[17]。代入公式可得，,所以柴油機的機體滿足疲勞強度要求。ANSYS能在機體還沒有完全制造出來的時候，可以先對機體進行細致化的分析從而找到機體部分當中存在的薄弱環(huán)節(jié)從而進一步的改良，節(jié)省了成本的投入。在設(shè)計過程中就要求我們要相當嚴謹，一絲一毫的差錯就可能導致有限元分析的錯誤，從而功虧一簣。而用ANSYS對實體模型進行分析，網(wǎng)格的劃分就是重點，不同的形狀可以選取不同的劃分單元，不同的劃分單元影響著計算的精度，所以網(wǎng)格劃分值得仔細琢磨。通過這次畢業(yè)設(shè)計使我明白了很多東西，深刻的了解到了自己知識的不足：對學習所得的東西往往停留在理論的程度上而沒有提升到實踐的高度上去。這次畢業(yè)設(shè)計，我學到了很多也領(lǐng)悟了很多。在這次設(shè)計中Pro/E與ANSYS在對接時出現(xiàn)了一點錯誤，其根本的原因就是自己平時沒有注意Pro/E畫圖的細節(jié)，在細微的地方還存在著一定的問題從而導致分析的圖形出現(xiàn)錯誤，這為以后的學習敲響了警鐘：凡是都要做到細致，一絲不茍。在這次畢業(yè)設(shè)計的過程中，自己感覺收獲了很多的東西。同時在自己的設(shè)計過程中還存在了很多的不足之處，孫老師都不厭其煩的指出了我的錯誤使得我可以及時糾正，不至于偏離課題的方向。最后就是感謝我們小組同學，在準備畢業(yè)設(shè)計的這段時間里我們可謂是同舟共濟，大家仿佛就像是兄弟姐妹一樣。能跟你們一起渡過這美好的大學時光，感覺自己非常的幸運。大學生活的結(jié)束是我人生中的又一個起點，在大學里收獲的東西會成為我最寶貴的財富，從而為我以后的工作與學習打下良好的