2022.高速动力夹盘静态和动态特性的有限元分析.doc

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1、毕业设计论文题目： 高速动力夹盘静态和动态 特性的有限元分析 单位： 专业： 姓名： 2008年 月 日摘 要为促进薄壁套筒类零件精磨外圆的加工精度，需要保证所设计的精磨外圆夹具的合理结构及尺寸。本文主要介绍对已完成基本结构设计的气缸缸套精磨外圆夹具的有限元分析。ANSYS是一个基于有限元法的工程分析软件，功能强大，操作方便，可以处理工程中的许多问题，特别是因复杂性造成分析困难的工程上常见的接触问题。这次主要以有限元相关理论为基础，应用ANSYS软件非线性分析等工具对气缸缸套精磨外圆夹具装卡工件时的应力与变形、切削过程受力时的应力与变形以及夹具固有模态进行了有限元分析，得到了相应的曲线和数据。

2、根据分析结果评价了该夹具设计的合理性及实用性，并针对该夹具合理的结构进一步改善提出了意见。关键字：有限元；ANSYS；缸套；非线性；接触ABSTRACTFor improving process accuracy of the parts like the thin wall tube,it is indispensablility to be promise design of the reasonable structure size of the fine whetting tongs.This text mainly introduces a way of Finite Element

3、 to analysis the fine whetting outside circle of urn about the tongs. Ansys is a software which is basic Finite Element themoray.It is so powerful and practicing easily that to slove kinds of problem of projection,especially the common problem of projecting contaction which is uneasily solved becaus

4、e of its diffuses Mainly with Finite Element nonlinear theories and so on related.applicating the ANSYS software anlysis the deform and stress of tongs setted or sliced and its moldal and then getting the dates and lines. After estimating rationality and usilisity of the design of tongs,I put forwar

5、d improving an opinion to a reasonable structure. Key words: Finite Element;ANSYS;piston ring;nonlinear;contact目 录摘 要IABSTRACTII1 绪论 11.1 项目背景 11.1.2 缸套的精加工技术现状及精度要求21.1.3 精磨缸套夹具的结构特点21.2 精磨缸套时夹具可能出现的问题41.3 研究任务及其方法42 有限元理论及有限元分析软件ANSYS52.1 有限元理论的介绍 52.1.1 有限元法介绍 52.1.2 线性有限元法与非线性有限元法 72.1.3 接触问题 82

6、.1.4 有限元的动力响应102.2 有限元软件ANSYS 102.2.1 ANSYS软件总体介绍 102.2.2 ANSYS软件中非线形分析接触问题143 精磨缸套的夹具的ANSYS分析 273.1 精磨缸套的夹具装卡时的有限元分析.273.1.1 建模273.1.2 网格划分 303.1.3 创建接触对 303.1.4 边界条件和其它求解选项的设置 373.1.5 有限元分析的数据处理及结果383.2 加工时的有限元分析 393.2.1 磨削力的主要特征403.2.2 磨削力的计算403.2.3 有限元分析过程 40 3.3 夹具体的模态分析42 3.4 夹具体的改进方案44结论51参考文

7、献521 绪论1.1 项目背景1.1.1 缸套的精加工技术现状及精度要求在当今世界，绝大部分汽车的发动机使用的是往复式活塞发动机。然而，由于活塞和汽缸之间存在不可避免的摩擦，因此在高速的、往复的运动中，汽缸壁不断受到摩擦而磨损。当活塞和汽缸壁的间隙或汽缸的尺寸不在其公差范围之间，汽车发动机的功率、稳定性、寿命、可靠性将受到很大的影响。由于汽缸的制造和维修的成本较高，多次维修汽缸是不太现实的。为了节省磨损的维修开支，简化维修过程，在活塞和汽缸壁之间加一个缸套，而且节能效果好，无污染。基于如此功效，缸套日益被人类接受，并极力推广。当缸套磨损后，只需要更换缸套就可以了。缸套形状如图1.1所示，材料2

8、0号钢，硬度HV160230，内表面镀硬硌，厚度为0.05。.精磨外壁后厚差为0.04。壁厚小于5mm，一般为12mm。图1.1 缸套薄壁缸套生产技术涉及机械学、电子学、声学、光学、电镀工艺学等多个学科，因而可把薄壁缸套生产技术视为交叉学科。我国从20世纪80年代末期开始研究薄壁缸套生产技术。1988年，研制成功卧式超声珩磨装置。1989年，超声珩磨装置通过部级鉴定。1992年，研制成功了立式超声珩磨装置，由于采用了中心有圆柱孔的夹芯式压电换能器和变幅杆，使得珩磨油石再机床不停机的条件下可以径向胀开，从而使得立式超声珩磨装置具备了在工业化批量生产中应用的条件。其后，利用立式超声珩磨装置在立式超

9、声珩磨机上对钢质薄壁缸套基体和镀铬层进行了工业化珩磨试验。1995年以来，对钢质薄壁缸套进行了模态分析，研究开发薄壁缸套新型加工方法和多种夹具以及检测技术。1997年，开始研究超声推挤技术。从1998年以来，研究薄壁缸套内壁微坑加工方法，开始微坑加工设备，大大提高加工精度。并且20世纪80年代初，我国开始研制开发生产钢质薄壁镀铬气缸套。后来，相继又有几家工厂研制开发生产钢质薄壁镀铬气缸套。但是，到目前为止，除少数工厂外，其他工厂生产的钢质薄壁镀铬气缸套还不能与英国、日本的产品相媲美，关键是这些国内工厂在镀铬，珩磨，检测，梨皮状表面储油结构的形成等重大工艺上还没有突破和掌握。薄壁缸套加工质量要求

10、高，刚度极低，生产技术难度大。如何高效率地加工的高精度的缸套，如何保证外圆和内孔的精度，即圆度和粗糙度，尺寸精度，圆柱度，同轴度等。引起国内外众多研究人员和工厂技术人员的重视1。1.1.2 精磨缸套夹具的结构特点由于薄壁缸套内外圆的同轴度、圆柱度和壁厚差要求很高，而且缸套较薄，在加工缸套的过程中，很容易产生变形。这就要求良好的加工工艺作为精度的保证，所以至关重要的精磨外圆工序，也一定要保证薄壁缸套的这些要求。为了解决这一问题，在加工过程中必须使用高精度，高性能的缸套夹具体机构，而小锥度心轴定位夹具体机构经济实用，是精磨缸套夹具设备的首选。小锥度心轴是以工件孔与心轴接触产生的弹性变形，使工件定心

11、胀紧的，传递的转矩较小，是一种定心精度较高的定位方式，特别对于长度方向较短的套筒类，即可获得精确定位，又由于无须夹紧装置而使壁厚较薄的工件，避免了径向方向的夹紧和切削变形，但对于尺寸较长的套筒，一则心轴过长，成本高，加工难度也大；二则由于心轴大小端的间隙，会降低工件的加工难度；三则由于工件大，难以保证足够的传递扭矩。总之，小锥度心轴定位夹具适用于加工长度方向较短的套筒类。小锥度心轴定位夹具由胀簧和芯轴组成。如图1.2所示1、胀簧结构设计胀簧材料为65Mn,65Mn属于合金弹簧钢，它的特点是具有高的抗拉强度，高的刚度，高的疲劳强度，足够的塑性和韧性以及表面质量。胀簧精磨前需进行人工时效处理，热处

12、理的硬度为HRC47-50,沿着胀簧的表面开一圈螺旋口，胀簧的小孔内表面沿90方向开三个直槽，这使胀簧胀开时的应力能够平均一些。在内表面受力的作用，使胀簧能够胀到所需的尺寸105mm，把工件夹紧。胀簧的结构如图1.3所示23。2、心轴的设计心轴材料为T10,属于优质碳素工具钢,需调质处理,硬度为HRC28-32,淬火硬度为HRC58-62.心轴与胀簧接触属于钢与钢接触，其摩檫系数为f=0.15,则摩檫角=arctan0.15=832，初步确定锥度为=4。心轴的结构如图1.4所示23。图1.2 夹具图1.3 胀簧图1.4 芯轴1.2 精磨缸套时夹具可能出现的问题要想加工出一个符合精度的薄壁件，它

13、的夹具体势必要有更高的精度。然而在加工的过程中胀簧要受到芯轴带给它的胀力，在加工时又要受到磨削力的作用，夹具势必会发生变形，很自然这种变形会映射到薄壁缸套件上，使废品率急剧上升：还有一个问题就是夹具由于体内的应力不均和存在着应力集中，又加上夹具反复装卡，那么夹具体在这样的交变应力下，会产生疲劳破坏。可见夹具体力学性能已成为广泛关注的问题，如果知道其受力特点，并采取相应的措施，在有效的时间内，使夹具即使在加工薄壁缸套的过程中仍然符合精度要求。防范问题于未然中。解决问题关键是了解受力特点。1.3 研究任务及其方法基于上述问题的分析，本次课题的主要任务就是了解夹具的力学特性，并且给出其可行性的方案。

14、这里包括芯轴与胀簧在接触撑胀时的应力应变，在加工时的不同位置点受切削力时的应力应变，并且初步分析运动时的它的振动特性，最后，对夹具设计提出建议。如果按照通常的材料力学的方法，是不可能在任何位置得到它的应力应变具体值，特别是这么复杂的几何模型。只有通过限元分析的方法才能解决。即便如此，计算量仍然很大，在本文介绍了一种以有限元为理论基础的软件ANSYS，做分析和解题的工具，使问题得到解决。 2 有限元理论及有限元分析软件ANSYS2.1 有限元理论介绍2.1.1 有限元法介绍有限元分析(FEA,Finite Element Analysis)的基木概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解

15、域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的)近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件)，从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替了。由于大多数实际问题难以得到准确解，用有限元法不仅能提高计算精度，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析和数学问题的手段。可用有限元方法解决的有关工程和数学领域内的典型问题包括结构分析、热传导、流体流动、质量传输和电磁电位等。有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。有限元的雏形早在几个世纪前就己经形成，但作为种方法而被提出，则是最近几十年的事，例如用多

16、边形(有限个直线单元)逼近圆来求得圆的周长。有限元法最初被称为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。经过短短数十年的努力，随养计算机技术的快速发展和普及，有限儿方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到儿乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。有限元方法与其他求解边值问题近似方法的根本区别在于它的近似性仅限于相对小的子域中。20世纪60年代初首次提出结构力学计算有限元概念的克拉夫(Clough)教授形象地将其描绘为:有限元法=雷利-里茨(Rayleigh-Ritz)法+分片函数，即有限元法是R

17、ayleigh-Ritz法的种局部化情况。不同于求解(往往是困难的)满足整个定义域边界条件的允许函数Rayleigh-Ritz法，有限元法将函数定义在简单几何形状(如二维问题中的三角形或任意四边形)的单元域上(分片函数)，且不考虑整个定义域的复杂边界条件，这是有限元法优于其他近似方法的原因之一。 1、有限元数值计算方法的特性涉及复杂几何形状、荷载和材料特性的问题通常不能得到解析形式的数学解答，我们需要依靠数值方法，如有限元方法得出可以接受的解答。有限元方法求解一个问题是要求解联立代数方程组，而不是解微分方程，这些数值解给出连续体中多个离散点的未知量的近似值。其特性归结如下：(1)对于复杂几何构

18、形的适应性。有限元单元在空间上可以是一维、二维、三维，每一种单元可以有不同的形状，因此工程实际中的非常复杂的结构都可能离散为有限元模型。(2)对于各种物理问题的可应用性。有限元能够解决的问题包括线性、非线性、静力、动力等，几乎涵盖了所有的物理问题。(3)建立于严格理论基础上的可靠性。建立有限元方程的变分原理或加权余量法是微分方程和边界条件的等效积分形式，随着单元尺寸的缩小或单元自由度数目的增加及插值函数阶次的提高，有限元的近似解最后收敛于原数学模型的精确解。(4)适合计算机实现的高效性。有限元分析的各个步骤可以表达成规范化的矩阵形式，特别适合计算机编程和运行。2 有限元数值计算方法的一般步骤对

19、于不同物理性质和数学模型的问题，有限元求解法的基本步骤是相同的，只是具体公式推导和运算求解不同。有限元求解问题的基本步骤通常为:第一步:问题及求解域定义根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域.第二步：离散和选择单元类型。将物体划分为具有相关节点的等价系统，选择最适当的单元类型来最接近地模拟实际的物理性能。离散即求解域离散化，就是将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限个单元组成的离散域，习惯上称为有限儿网格划分。显然单元越小(网格越细)则离散域的近似程度越好，计一算结果也越精确，但计算量将增大，因此求解域的离散化是有限元法的核心技术之一。第三步 : 确定状态变量及控制方法，

20、一个具体的物理问题通常可以用一组包含问题状态变量边界条件的微分方程式表示，为适合有限元求解，通常将微分方程化为等价的泛函形式。第四步:单元推导，对单元构造一个适合的近似解，即推导有限单元的格式，其中包括选择合理的单元坐标系，建立单元函数，以某种方法给出单元各状态变量的离散关系，从而形成单元矩阵结构力学中称刚度阵或柔度阵。为保证问题求解的收敛性，单元推导有许多原则要遵循。对工程应用而言，重要的是应注意每一种单元的解题性能与约束。例如单元形状应以规则为好，即单元的边长不要相差太大，内角避免出现钝角，避免出现畸形，因为畸形时不仅精度低，而且有缺秩的危险，将导致无法求解。第五步 : 总装求解，将单元总

21、装形成离散域的总矩阵方程(联合方程组)，反映对近似求解域的离散域的要求，即单元函数的连续性要满足一定的连续条件。总装是在相邻单元节点进行，状态变量及其导数(可能的话)连续性建立在节点处。第六步 : 联立方程组求解和结果解释，有限元法最终导致联立方程组。联立方程组的求解可用直接法、选代法和随机法。求解结果是单元节点处状态变量的近似值。对于计算结果的质量，将通过与设计准则提供的允许值比较来评价并确定是否需要里复计算。简言之，有限元分析可分成三个阶段，前处理、处理和后处理。前处理是建立有限元模型，完成单元网格划分;后处理则是采集处理分析结果，使用户能简便提取信息,了解计算结果 。2.1.2 线性有限

22、元法与非线性有限元法1、线性有限元法 从数学的角度考虑，对于偏微分方程边值问题或初值问题，如果域内的控制的方程是线性方程，边界条件也是给定的线性条件，就是线性问题。线性问题的适定性提法可保证问题的结的存在、唯一而且稳定。线性问题具有一系列重要特性，例如其解具有比例特性，求解中可用叠加原理等等。他最后归结为一个线性代数方程组求解。只要力学建模过程合理，其解不仅唯一，而且具有很高的可靠性。2、非线性有限元法非线性有限元法虽然以各类非线性问题作为研究对象，但它脱胎于线性有限元，而且在非线性方程求解时，是将其逐段线性化加以求解。工业的进步使工程结构越来越复杂，材料品种越来越多，工程结构的工作环境越来越

23、恶劣，对工程结构的效率要求越来越高，因而对结构分析提出了更高的要求。在很多重要的实际问题中，线弹性力学中的基本方程己不能满足需要，应变和位移的关系可能是非线性的，应力和应变的关系也可能是非线性的，变形前和变形后的平衡方程也会发生变化，这就需要考虑非线性因素。非线性问题可分为材料非线性、几何非线性及边界非线性问题。材料非线性是指材料的结构关系是非线性的。可分为两类，一类是不依赖于时间的弹塑性问题，当载荷作用以后，材料变形立即发生，并且不再随时间变化。另一类是依赖于时间的粘(弹、塑性)性问题，比较复杂。弹塑性材料的基本特性是当载荷卸去以后存在不可恢复的永久变形，因而在涉及卸载的情况下，应力应变之间

24、不再存在着唯一的对应关系。几何非线性是指物体在大变形和大应变情况下，位移与应变的关系不能用线性关系以及小应变假设进行正确的描述，必须考虑变形对平衡的影响或采用大应变理论，这时平衡方程和几何关系都是非线性的。边界非线性是指由于边界条件的性质随物体的运动发生变化所引起的非线性响应，最典型的例子就是接触问题，也是本文讨论的重点。将在下一节中介绍。2.1.3 接触问题1、接触问题介绍接触和碰撞是生产和生活中普遍存在的力学问题。例如汽车车轮和路面的接触，火车车轮和铁轨的接触，发动机活塞和气缸的接触，轴和轴承的接触，以及齿轮传动过程中齿面的相互接触等，可以说是无处不在。接触过程中两个物体在接触界面上的互相

25、作用是复杂的力学现象，同时也是它们损伤直至失效和破坏的重要原因。现代生产和科技的发展提出一系列有关接触和碰撞的重要课题，例如金属构件的冲压成型，汽车的碰撞，飞行物对结构的冲击等。前者关系到汽车、飞机、火箭等重要产业的产品质量;后者还关系到生命财产的安全。压铸机合模机构在工作中普遍存在接触现象，因此本章将重点介绍接触问题口有限元法及计算技术的发展为分析接触和碰撞问题(以后一般情况下简称接触)提供了有力的工具，对接触的全过程进行计算机数值模拟，现在不仅可能实现，而且正逐步成为CAE(CAD/CAM)的一个重要组成部分。接触过程在力学上常常同时涉及三种非线性，即大变形引起材料非线性和几何非线性以外，

26、还有接触界面的非线性，这是接触界面所特有的。接触界面非线性来源于两个方面:（1）接触界面的区域大小和相互位置以及接触状态不仅事先都是未知的，而且是随时间变化的，需要在求解过程中确定。（2）接触条件的非线性 包括:接触物体不可相互侵入;接触力的法向力分量只能是压力;切向接触的摩擦条件.这些条件区别于一般约束条件，其特点是单边性的不等式约束，具有强烈的非线性。接触界面的事先未知性和接触条件的不等式约束决定了接触分析过程中需要经常插入接触界面的搜寻步骤。接触条件的强烈非线性需要研究比其它非线性问题更有效的求解方案和方法。2、接触问题求解的一般过程接触过程通常是依赖于时间，并伴随材料非线性和几何非线性

27、的演化过程。特别是接触界面的区域和形状以及接触界面上运动学和动力学的状态也是事前未知的，这些特点决定了接触问题通常采用增量方法求解。接触面条件(不可贯入条件，法向接触力位压力条件和切向摩擦力的条件)都是不等式约束，也称之为单边约束。拉格朗日乘子法或罚函数法将约束条件引入泛函的广义变分原理，以及引入单元交界面上约束条件的修正变分原理适用于接触问题，接触问题需要采用“试探一校核”的迭代方法进行求解。每一增量步的“试探-校核”过程可一般性地表述如下：(1) 根据前一步的结果;和本步给定的载荷条件，通过接触条件的检查和搜寻，假设此步的第1次迭代求解时的接触面的区域和状态(这里指物体A和B在接触面上有无

28、相对滑动。无相对滑动的接触称为“粘结”，有相对滑动的接触状态称为“滑动”)。(2) 根据上述关于接触面区域和状态所作的假设，对于接触的每一点，将运动学或动力学上的不等式约束改为等式约束作为定解条件引入方程并进行方程的求解。(3) 利用接触面上和上述等式约束所对应的动力学或运动学的不等式约束条件作为校核条件对求解的结果进行检查。如果物体表面(包括原假设中尚未进入接触的部分)的每一点都不违反校核条件，则完成本步的求解并转入下一增量步的计算;否则回到步骤(1)再进行搜寻和迭代求解，直至每一点的解都满足校核条件，然后再转入下一增量步的求解45。2.1.4 有限元的动力学问题结构在动载荷作用下，结构内部

29、质点会产生相应的运动。这些运动可以用位移、应力、速度、加速度、频率等物理量加以描述，这些物理量统称为结构动力响应。从数学角度考察，结构动力学是求解偏微分方程初值问题（除无限域问题），其与静力学问题区别是增加了与加速度有关的惯性力项。它基本有两种解法：一种是波动分析。指在动载荷下，内部质点以波动形式传播。有透射、折射、反射等物理现象。一般应用于大范围场效应问题，如地震波、海浪等，另一种是振动分析。波传播较快，如果考察对象较小，应该用振动分析。由于波动分析数学计算困难及其固有特性，目前应用有限元理论也很困难。因此通常动力分析的方法多是针对结构振动分析方法。结构在某些条件下虽然受到动载荷作用，但并不

30、显著，按其大小似乎可以忽略不计，但由于作用力的频率与结构的某一固有频率相吻合或接近，结构往往也会引起显著的振幅，在其内部产生很大的应力，导致结构破坏或产生不如徐的变形，因此，必须进行固有频率分析，以用于控制外加动载荷频率或改变固有频率，避免破坏6。2.2 有限元软件ANSYS2.2.1 ANSYS软件总体介绍因为本文所采用的有限元工具为ANSYS，故下面着重对该分析工具进行详细介绍。ANSYS公司由JobnSwanson博士创立于1970年，ANSYS有限元程序是该公司主要产品，它是第一个通过IS09001质量认证的分析设计类软件。由于ANSYS软件具有建模简单、快速、方便的特点，因而成为大型

31、通用有限元程序的代表。ANSYS软件是集结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件，可广泛地应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等一般工业及科学研究。ANSYS软件的主要功能包括建立模型、结构分析、非线性分析、电磁分析、计算流体力学分析、接触分析、压电分析、结构优化等。1、ANSYS主要技术特点（l）ANSYS是目前唯一能够实现多物理场耦合分析的有限元分析软件。ANSYS能够实现结构、温度场、流场、电磁场之间的耦合分析。对于很多工程问题，这些物理场是相互影响、相互作用的，例如温差会引

32、起热应力、电磁感应会产生热等。ANSYS提供直接和间接两种耦合方式，直接综合使用带有多场自由度的耦合单元;间接耦合是指各物理场拥有自己的“物理环境”，一个“物理环境”中的分析结果可以作为其它“物理环境”的载荷或约束，耦合可以是双向的。（2）ANSYS是唯一实现前后处理、分析求解及多物理场统一数据库的分析软件ANSYS将模型信息(单元、节点、材料等)、边界信息(载荷、约束等)以及后处理信息(求解结果等)集成在一个数据库中;在使用ANSYS进行耦合场分析时，各物理环境也共用一个数据库，这样极大的方便了用户的使用。（3）强大的结构非线性分析功能.ANSYS在结构分析中的非线性功能包括几何非线性、材料

33、非线性、状态非线性及单元非线性。其中几何非线性包括大变形、大应变、应力刚化与旋转软化等。ANSYS提供了100余种包括橡胶、泡沫、岩石、土壤等特殊材料的非线性材料模式，提供20余种接触类型，包括刚体对柔体、柔体对柔体接触、自接触、固联失效接触等。ANSYS提供了100多种单元类型，包括死活单元、集中质量单元、断裂单元、钢筋混凝土单元、非线性阻尼弹簧单元等，可专门模拟各种特殊问题。（4）开放的ANSYSANSYS提供了四种方式的二次开发工具:l APDL是嵌入在ANSYS内部的参数化设计语言，不仅能直接调用ANSYS命令和数学函数，还拥有循环、判断等高级语言功能；l UIDL是ANSYS界面开发

34、工具，利用它可以修改菜单增加对话框等;l 外部命令，使用C+语言可为ANSYS编写外部命令，例如与CAD软件接口等;l UPF则将用户开发的FORTRAN或C程序与ANSYS连结到一起79。2、ANSYS的功能简介ANSYS是融多物理场于一体的大型通用FEA软件，以下分十个方面ANSYS的功能作简要介绍。在前处理器中，ANSYS提供了一个强大的实体几何建模及网格划分工具，用户可以方便地构造三维几何模型及有限元模型。(1)几何建模ANSYS具体提供了三种创建模型的方法:直接建模方法、实体建模方法和输入在其它计算机辅助设计系统中创建的模型。1)直接建模的方法就是在ANSYS的前处理程序中直接定义每

35、个节点的位置以及单元的大小、形状和连通性来创建有限元模型。节点用来定义单元在空间的位置，单元定义了模型的连接性。直接建模的方法适用于线模型和较简单的有规则几何结构。可以自己控制每个单元和节点的编号。但是直接建模的方法往往需要处理大量的数据，也不能进行自适应网格划分，改进网格划分十分困难。对大而复杂的结构，应采用实体建模的方法。2)ANSYS提供了两种方法进行实体建模，即自底向上的建模方法和自上向下的建模方法。自底向上的建模方法是先创建关键点，然后依次创建相关的线、面和体等图元。自上而下的建模方法是可以直接创建最高级的图元，如球、棱柱等三维实体，通常称之为几何体素。当定义了一个体素时，程序会自动

36、定义相关的面、线和关键点。可以利用这些高级图元直接构造几何造型。在ANSYS建模过程中，自上而下的建模方式和自底向上的建模方式可以自由组合使用，使模型的创建更加方便。实体建模的优点是:对于庞大或复杂的模型，特别是对三维实体模型更合适;相对而言需处理的数据少一些；容许对节点和单元不能进行的几何操作(如拖拉和旋转);支持使用面和体的体素及布尔运算以顺利建立模型;便于施加载荷之后能进行所要求的局部网格细化;便于几何上的改进;便于改变单元类型，不受分析模型的限制。无论是使用自底向上还是自上而下的方法构造实体模型，均由关键点、线、面和体组成。这些图元的层次关系是:体以面为边界，面以线为边界，线以关键点为

37、端点。无论使用自上而下还是自底向上方法建模，均能使用布尔运算来组合数据集，形成一个实体模型。ANSYS程序提供了完整的布尔运算，诸如相加、相减、相交、分割、粘结和重叠。在创建复杂实体模型时，对线、面、体的布尔运算操作能减少相当可观的建模工作量。ANSYS程序还提供了拖拉、延伸、旋转、移动、拷贝、蒙皮等的功能，可以大大减少建模时间。辅助工具如选择和组元、拾取与利用工作平面，为建模提供了极大的方便。3)可以在其它CAD系统中建立模型并把它输入到ANSYS中进行分析。如Pro-E等有较强的建模功能，特别是在建立复杂结构时非常方便，它有如下优点:一是可利用己有CAD模型，避免重复工作;二是可利用熟悉的

38、工具去建模。但是，从CAD系统中输入的模型，如果不适于网格划分则需要大量的修补工作。（2）网格划分.ANSYS提供多种网格划分方法，可以实现对网格密度及形态的精确控制。拉伸网格划分、可以由二维单元直接拖拉成三维单元;智能自由网格划分可对复杂模型直接划分，而且对单元的密度进行智能控制例如在应力集中处的网格自动加密等);映射网格划分可以生成整齐的四边形或六面体网格，而且单元尺寸及形状可以得到最精确的控制;自适应网格划分是指用户指定求解的精度，指导软件自动生成有限元网格，执行分析、估计网格的离散误差，返回来重新自动定义网格大小进行分析和误差判定，直到达到要求。ANSYS还提供一些特殊的网格划分工具，

39、以满足特殊要求。例如模拟流体动边界层或电磁集肤效应的薄层网格划分，连接六面体与四面体的金字塔单元，以及网格的局部细化等功能。ANSYS提供的参数化设计分析语言，可以将几何模型及有限元模型参数化，进行产品的系列设计与分析。在有限元分析计算部分，现在商品化的有限元程序一般都具有静力分析，动力分析，线性分析，非线性分析，朔性分析，以及对断裂力学，热应力与蠕变，结构稳定性，振动，疲劳，热传导，流体力学，电磁场，耦合场等的分析及优化设计等功能。在后处理部分，为了提供用户解释有限元分析结果的能力，出现了很多图形提取和绘制结果的方法，如：位移后的形状;等值线;矢量显示图;动画图;结果的临界显示;设计的规范的

40、自动校核;结果报告的自动生成. 由于有限元分析进行的是大规模的科学计算，在计算过程中会产生巨大数量的数字信息。利用科学计算可视化技术显示模型的正确性和计算结果的物理量在各个阶段的分布和状态。3、ANSYS结构分析类型（1）结构静力分析用于分析惯性和阻尼对结构影响不显著的线性或准静态问题，其中特征值求解功能可以进行线性屈曲分析。主要用来解决外载荷引起的位移、应力和力。（2）非线性结构分析是指结构或部件的响应随外载荷不成比例变化，包括几何非线性(大变形、大应变、应力刚化、旋转软化及非线性屈曲等)、材料非线性模拟了100多种非线性材料模式，包括橡胶、泡沫、岩石、土壤等特殊材料)、状态非线性(刚对柔、

41、柔对柔接触问题等)、单元非线性(ANSYS提供100多种单元类型，以满足不同非线性问题的需要)。（3）结构动力学分析ANSYS程序可以分析大型三维柔体运动。当运动积累影响起主要作用时，可以使用这些功能分析复杂结构在空间中的运动特性，并且确定结构中由此产生的应力、应变、变形。结构动力学分析包括模态分析(包括模态循环对称、预应力模态等)、谐波响应分析、瞬态动力学分析、谱分析、随机振动分析等。其他分析有热分析、电磁场分析、流体力学分析、声场分析。2.2.2 ANSYS软件中非线形分析接触问题 接触问题分为两种基本类型:刚体柔体的接触和柔体柔体的接触。在刚体柔体的接触问题中，接触面的一个或多个被当作刚

42、体。一般情况下，一种软材料和一种硬材料接触使，问题可以被假定为刚体一柔体的接触，许多金属成形问题归为此类接触。另一类，柔体柔体的接触问题是一种更普遍的类型，在这种情况下，两个接触体都是变形体。接触问题存在两个较大的难点:其一，在求解问题之前接触区域、表面之间是接触或者分开是未知的、突然变化的，它随载荷、材料、边界条件和其他因素而定;其二，大多数的接触问题需要计算摩擦，有几种摩擦和模型可供挑选，它们都是非线性的，摩擦使问题的收敛性变得困难。1、ANSYS的接触能力ANSYS支持三种接触方式:点点，点面，面面，每种接触方式使用的接触单元适用于某类问题。为了给接触问题建模，首先必须认识到模型中的哪些

43、部分可能会相互接触，如果相互作用的其中之一是一点，模型的对应组元是一个结点。如果相互作用的其中之一是一个面，模型的对应组元是单元，例如梁单元，壳单元或实体单元，有限元模型通过指定的接触单元来识别可能的接触对，接触单元是覆盖在分析模型接触面之上的一层单元，至于ANSYS使用的接触单元和使用它们的过程，下面分类详述。2、ANSYS接触单元（1）点点接触单元点一点接触单元主要用于模拟点点的接触行为，为了使用点一点的接触单元，你需要预先知道接触位置，这类接触问题只能适用于接触面之间有较小相对滑动的情况(即使在几何非线性情况下)如果两个面上的结点一一对应，相对滑动又以忽略不计，两个面挠度(转动)保持小量

44、，那么可以用点点的接触单元来求解面一面的接触问题，过盈装配问题是一个用点点的接触单元来模拟面与面的接触问题的典型例子。（2）点面接触单元点面接触单元主要用于给点面的接触行为建模，例如两根梁的相互接触。如果通过一组结点来定义接触面，生成多个单元，那么可以通过点一面的接触单元来模拟面一面的接触问题，面即可以是刚性体也可以是柔性体，这类接触问题的一个典型例子是插头到插座里。使用这类接触单元，不需要预先知道确切的接触位置，接触面之间也不需要保持一致的网格，并且允许有大的变形和大的相对滑动。（3）面一面的接触单元ANSYS支持刚体柔体的面面的接触单元，刚性面被当作“目标”面，分别用Targe169和Ta

45、rge170来模拟2D和3D的“目标”面，柔性体的表面被当作“接触”面，用Contal71,Contal72,Contal73,Conta174来模拟。一个目标单元和一个接触单元叫做一个“接触对”。程序通过一个共享的实常数来识别“接触对”，为了建立一个“接触对”，需要给目标单元和接触单元指定相同的实常数。与点一面接触单元相比，面面接触单元有好几项优点：l 支持低阶和高阶单元。l 支持有大滑动和摩擦的大变形，协调刚度矩阵的计算，单元提法不对称刚度阵的选项。l 提供工程要求的的更好的接触结果，例如法向压力和摩擦应力。l 没有目标面形状的限制，目标面的不连续可能是由于自然的或网格离散所引起的。l 与点一面接触单元比，需要较多的接触单元，因而造成需要较小的磁盘空间和CPU时间。l 允许多种建模控制，例如:绑定接触、渐变初始渗透、目标面自动移动到补始接触、平移接触面以及支持死活单元。鉴于以上几点，本文就采用了面一面接触单元来计算接触问题。使用这些单元，通常用简单的几何形状例如圆、抛物线、球、圆锥、圆柱模拟直线(面)和曲线(面)。更复杂的刚体形状可使用特殊的前处理技巧来建模。3、ANSYS面面接触分析方法在涉及到两个边界的接触问题中，很自然把一个边界作为“目标”