【正文】 ? ? ? ?? ? ? ?? ?Teek c k c? ? () 而實(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 []rsk 直接形成 [K]. 以上所討論的只是空間三維實(shí)體有限元中要用到各種量的一般計(jì)算式，對(duì)于具體的空間單元，一旦構(gòu)造好它的位移模式后，便可導(dǎo)出其實(shí)用的公式。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，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型 。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。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 [6]。它的DDA 模塊實(shí)現(xiàn)了它與多個(gè) CAD 軟件產(chǎn)品的有效連接。命令一經(jīng)執(zhí)行，該命令就會(huì)在 LOG文件中列出，打開輸出窗口可以看到 LOG 文件的內(nèi)容。 LOG 文件的內(nèi)容可以略作修改存到一個(gè)批處理文件中，在以后進(jìn)行同樣工作時(shí)，由 ANSYS 自動(dòng)讀入并執(zhí)行，這是 ANSYS 軟件的第三種命令輸入方式。 ANSYS 軟件提供了兩種工作模式，即人機(jī)交互方式 (GUI 方式 )和命令流輸入方式(BATCH 方式 )。但對(duì)于一個(gè)復(fù)雜的有限元模型，使用 GUI 方式的缺點(diǎn)就會(huì)顯露出來，由于一個(gè)分析的完成往往需要進(jìn)行多次的反復(fù)，特別是當(dāng)要對(duì)模型進(jìn)行修改后再進(jìn)行分析時(shí)，在 GUI 方式中就會(huì)出現(xiàn)大量的重復(fù)工 作有時(shí)會(huì)占據(jù)大量計(jì)算時(shí)間。另外使用前者往往會(huì)生成大量的文件，對(duì)于一個(gè)較大的分析模型，其生成的數(shù)據(jù)文件也許是幾兆字節(jié)，有時(shí)會(huì)是十幾兆字節(jié)，甚至達(dá)到幾百兆字節(jié)，這么大的數(shù)據(jù)文件在交流時(shí)，是非常不方便的。 2）便于保存和攜帶，一個(gè) APDL 的 ASCI 工文件一般只有幾十千字節(jié)，最多也只有幾百千字節(jié)，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(gè)限制，僅有個(gè)別命令會(huì)有影響。 26 第四章： 輕型 175F 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體有限元分析 引言 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體是發(fā)動(dòng)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)和性能件，故機(jī)體的可靠性直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)整體的性能。機(jī)體在工作過程中的受力十分之復(fù)雜，除了燃燒過程中產(chǎn)生的燃?xì)鈮毫χ猓€要受到來自曲柄連桿機(jī)構(gòu)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)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(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能影響也很大。本章對(duì) 175F 機(jī)體進(jìn)行靜強(qiáng)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(shí)體元的組合方式，發(fā)展到目前廣泛采用的三維實(shí)體六面體、四面體單元 。分析的對(duì)象從單缸、三缸、四缸擴(kuò)展到 12 缸。在國外， 20 世紀(jì)80 年代就開始對(duì)內(nèi)燃機(jī)機(jī)體進(jìn)行全面、詳細(xì)的強(qiáng)度及動(dòng)力學(xué)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(duì)計(jì)算條件的要求非常高，而且建模和計(jì)算所耗費(fèi) 的時(shí)間很長。目前在網(wǎng)格的密度與計(jì)算精度之間沒有可供參考的量化關(guān)系，只能通過試驗(yàn)驗(yàn)證和局部模型修改的方法來進(jìn)行處理。 另外一個(gè)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(duì)機(jī)體結(jié)構(gòu)特性的一般的、總體的了解，而是要求有比較準(zhǔn)確的分析結(jié)果，則必須考慮機(jī)體實(shí)際安裝條件，對(duì)邊界條件做出合理的處理，然后進(jìn)行約束強(qiáng)度、模態(tài)分析 。 第四章：輕型 175F發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體有限元分析 27 機(jī)體實(shí)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(shí)體造型功能，首先創(chuàng)建實(shí)體模型，然后再在實(shí)體模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)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(duì)一些簡單實(shí)體而言，比較容易實(shí)現(xiàn)，而對(duì)于機(jī)體這樣的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，要想利用該方法，必須進(jìn)行大量的簡化才能夠進(jìn)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(duì)用多 少單元能夠描述實(shí)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(shí)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(fù)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(jì)主模型，并與設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)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(dòng)機(jī)中許多復(fù)雜零部件的實(shí)體模型，并導(dǎo)入到有限元的前處理模塊中去。 175F 機(jī)體為單缸發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體，是一個(gè)經(jīng)鑄造、機(jī)加后得到的結(jié)構(gòu)，其形狀較為復(fù)雜，在鑄造的箱體上分布有各種加強(qiáng)筋、凸臺(tái)、軸承孔、冷卻水套、油道孔和各種縱橫隔板。簡化時(shí)，應(yīng)根據(jù)分析需要，考慮一些起主導(dǎo)作用的因素來建立機(jī)體的簡化模型。雖然該機(jī)體的實(shí)體模型的有限元模型是為機(jī)體靜強(qiáng)度分析、應(yīng)力分析和變形分析，理論上應(yīng)考慮機(jī)體局部結(jié)構(gòu)特征以分析了解機(jī)體局部的特性與應(yīng)力狀況，但綜合考慮機(jī)體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，可以對(duì)安裝機(jī)體附件用的凸臺(tái)、小的螺栓孔、油道、油孔等對(duì)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(xì)小的孔洞，這些細(xì)小的結(jié)構(gòu)在劃分網(wǎng)格時(shí)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(dǎo)致單元總數(shù)成倍增加，計(jì)算時(shí)間呈幾何級(jí)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(duì)每個(gè)部分又根據(jù)其形狀特點(diǎn)進(jìn)行少量簡化，以方便劃分有限元網(wǎng)格。圖 ()所示為建立的機(jī)體的三維實(shí)體模型。在整個(gè)求解過程中，它通常具有最大的工作量。主要表現(xiàn)在兩個(gè)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(duì)于沒有經(jīng)過簡化的實(shí)體模型，現(xiàn)有的硬件無法實(shí)現(xiàn)。 建立了簡化的實(shí)體模型后，將模型導(dǎo)入 ANSYS 軟件進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分。這主要是由于結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，三維實(shí)體造型的一些細(xì)節(jié)存在問題或者過細(xì)，導(dǎo)致失敗，這就需要修改實(shí)體模型或者在 ANSYS 中進(jìn)行拓?fù)湫扪a(bǔ)，這些模型修改工作非常繁瑣費(fèi)時(shí)，是建立有限元模 型中工作量最大的地方。進(jìn)行有限元?jiǎng)澐謺r(shí)，首先必須確定單元類型。有限元中，三維實(shí)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?jiǎng)澐直容^靈活，可以適應(yīng)復(fù)雜的 幾何形狀。 網(wǎng)格的數(shù)量多少直接影響計(jì)算的精度和計(jì)算規(guī)模的大小。一般在靜力分析時(shí)，如果僅僅計(jì)算結(jié)構(gòu)的變形，網(wǎng)格數(shù)量可少一些 。在計(jì)算結(jié)構(gòu)固有動(dòng)力特性時(shí)，如果僅僅計(jì)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(jì)算固有特性時(shí)則應(yīng)趨于采用較均勻的網(wǎng)格形式。 本文計(jì)算機(jī)體的變形、應(yīng)力分析時(shí)，由于機(jī)體模型結(jié)構(gòu)比較復(fù)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(jìn)行劃分時(shí)的難度和工作量都會(huì)有很大。 Pro/E 文件導(dǎo)入 ANSYS Pro/E 文件導(dǎo)入 ANSYS ① 將 prt 文件另存為“ igs”格式 ② 點(diǎn)擊 FileImportIGS,選擇保存的“ igs”文件 ③ 依次選擇 PlotctrlStyleSolit Model FacetsFine ④ 依次選擇 PlotVolumes 30 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(biāo)題為“鋼板彈簧” 從主菜單中選擇 Main Menu： File＞ change title 打開“ change title”對(duì)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(shí)常數(shù)： 實(shí)常數(shù)在劃分網(wǎng)格之前要定義好，這里的 Solid92 十節(jié)點(diǎn)無需定義實(shí)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 （ ) 在對(duì)畫框 的 EX 文本框中輸入彈性模量 ，在 PRXY 文本框中輸入泊松比 單擊“ OK”按鈕，關(guān)閉對(duì)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(diǎn)數(shù)與單元數(shù)：得到總數(shù)為 76790 個(gè)單元格， 135621 個(gè)結(jié)點(diǎn)。 圖 （ ) 模型邊界條件與載荷的確定 約束處理 從數(shù)學(xué)的角度來講，問題的邊界條件屬于解的唯一性條件，對(duì)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(duì)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(diǎn)。如果在幾何位置點(diǎn) (頂點(diǎn)、邊或面上的位置點(diǎn) )上施加的邊界條件，則必須在施加后對(duì)模型進(jìn)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(shí)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(shí)的反映機(jī)體在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中的受力情況，在分析中仔細(xì)考慮了各種約束的影響。 載荷的確定 機(jī)體載荷是機(jī)體靜強(qiáng)度分析計(jì)算的關(guān)鍵因素，它直接影響計(jì)算的準(zhǔn)確性和可靠性。 根據(jù)第 3章提供的計(jì)算方法和計(jì)算公式，可以順利算出氣缸壁所受的工作壓力 gp 活轉(zhuǎn)角 360176。在進(jìn)氣行程上止點(diǎn)時(shí)受到最大慣性力作用，其值 Ｐ z=， 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(jì)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(jī)體上受最大拉力和最大壓力的部位 ,這是兩種最危險(xiǎn)的工況。 從機(jī)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(xiǎn)部位是缸套頂端。因此在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)重點(diǎn)考慮缸套頂端。 靜強(qiáng)度安全系數(shù)校核 靜強(qiáng)度安全系數(shù)計(jì)算公式為maxbn ??? ，式中 b? 是材料強(qiáng)度極限， 175F 機(jī)體材料經(jīng)正火和調(diào)質(zhì)處理，強(qiáng)度極限本文取 400MPa， max? 是危險(xiǎn)部位最大應(yīng)力，按最大應(yīng)力數(shù)進(jìn)行校核。 疲勞安全系數(shù)校核 疲勞安全系數(shù)計(jì)算公式為： 1mn k?? ???????????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(duì)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(duì)稱疲勞極限， σ1=211Mpa； β為表面質(zhì)量系數(shù)， β=；nσ 為疲勞強(qiáng)度許用安全系數(shù) [17]。 )(21 m inm a x ??? ??? a )(21 m inm a x ??? ??? m 代入公式可得 ??n ，鑄鐵疲勞強(qiáng)度許用安全系數(shù)為 ,所以柴油機(jī)的機(jī)體滿足疲勞強(qiáng)度要求。 ANSYS 能在機(jī)體還沒有完全制造出來的時(shí)候，可以先對(duì)機(jī)體進(jìn)行細(xì)致化的分析從而找到機(jī)體部分當(dāng)中存在的薄弱環(huán)節(jié)從而進(jìn)一 步的改良，節(jié)省了成本的投入。在設(shè)計(jì)過程中就要求我們要相當(dāng)嚴(yán)謹(jǐn)，一絲一毫的差錯(cuò)就可能導(dǎo)致有限元分析的錯(cuò)誤，從而功虧一簣。而用 ANSYS 對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行分析，網(wǎng)格的劃分就是重點(diǎn)，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(jì)算的精度，所以網(wǎng)格劃分值得仔細(xì)琢磨。 通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)使我明白了很多東西，深刻的了解到了自己知識(shí)的不足：對(duì)學(xué)習(xí)所得的東西往往停留在理論的程度上而沒有提升到實(shí)踐的高度上去。這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我學(xué)到了很多也領(lǐng)悟了很多。在這次設(shè)計(jì)中 Pro/E 與 ANSYS 在對(duì)接時(shí)出現(xiàn)了一點(diǎn)錯(cuò)誤，其根本的原因就是自己平時(shí)沒有注意 Pro/E 畫圖的細(xì)節(jié)，在細(xì)微的地方還存在著一定的問題從而導(dǎo)致分析的圖形出現(xiàn)錯(cuò)誤，這為以后的學(xué)習(xí)敲響了警鐘：凡是都要做到細(xì)致，一絲不茍。在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中，自己感覺收獲了很多的東 西。同時(shí)在自己的設(shè)計(jì)過程中還存在了很多的不足之處，老師都不厭其煩的指出了我的錯(cuò)誤使得我可以及時(shí)糾正，不至于偏離課題的方向。 最后就是感謝我們小組同學(xué)，在準(zhǔn)備畢業(yè)設(shè)計(jì)的這段時(shí)間里我們可謂是同舟共濟(jì)，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(xué)時(shí) 光，感覺自己非常的幸運(yùn)。大學(xué)生活的結(jié)束是我人生中的又一個(gè)起點(diǎn)，在大學(xué)里收獲的東西會(huì)成為我最寶貴的財(cái)富，從而為我以后的工作與學(xué)習(xí)打下良好的