有限元分析论文范文

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本文针对XH6650高速卧式加工中心进行了整机的CAD／CAE建模和模态分析，根据分析结果确定该加工中心的立柱对整机的动态特性影响最大。因此，选择加工中心的立柱为对象，基于ICM(independent—continuousmapping)拓扑优化方法，对其结构进行拓扑优化，以通过提高立柱的动态性能来达到提高整机动态性能的目的。

针对立柱结构，文中以结构的固有频率为目标函数，体积为约束的优化模型，在模型的建立过程中，也考虑到了安装在立柱上的主轴箱对其动态特性的影响，把主轴箱用相同的质量块来模拟代替，这样得到的立柱的优化结果，将使整个机床的动态性能得到更好的改善。

1XH6650高速卧式加工中心的CAD/CAE模型与模态分析

该加工中心主要结构件由机床床身、立柱、主轴箱、工作台等组成，如图1所示。整机主要采用8节点单元Solid185对各零、部件进行网格划分，导轨结合面采用测试获得的动刚度和阻尼进行界面连接，螺栓结合面采用梁单元相连接，根据实际边界条件，对该模型中的床身底部进行约束处理。

最终得到整机有限元模型共有21．2万Solid185单元，如图2所示。

为确定加工中心主要结构件对机床动态特性的影响，对整机进行了模态分析，图3～图6是整机前4阶振型和对应的固有频率。

由模态分析结果可以看出，第1阶模态主要是立柱的左右向摆动，整机的振动模态频率为86．45Hz。立柱和主轴箱等部件作为一个刚体在底座与工作台组成的基础件上部作横向摆动，主振系统是立柱和主轴箱。因此，该振动频率取决于立柱和主轴箱的y向刚度与质量。

第2阶模态主要是立柱和主轴箱等部件作为一个刚体在底座与工作台组成的基础件上作前后摆动，同时伴有相对扭动，主振系统还是立柱和主轴箱。整机的频率为114．43Hz，因此该振动模态频率取决于立柱和主轴箱向刚度和相应的质量。

第3阶模态主要是立柱的扭转振动，立柱和主轴箱等部件作为一个刚体在底座与工作台组成的基础件上作扭转振动。整机的固定振动频率为201．09Hz。

第4阶振型主要是立柱两侧的弯曲振动和扭曲变形。主振系统为立柱。固有频率为325．67Hz。

2ICM拓扑优化模型的建立

结构优化的目的是让所设计的结构在满足工作要求的前提下，使其整体受力均匀性能优良，用材经济轻巧合理。而拓扑优化方法是满足这一要求的比较理想的结构优化方法之一。该方法是由1904年产生的Michell理论为基础发展起来的，在20世纪70年代有许多学者做了大量的研究工作。随着有限元法和计算机技术的发展，逐渐被应用到实际工程中，根据优化对象可分为连续体结构的优化和骨架类结构的优化。其主要思想是确定被优化结构的品质在空间的合理分布。

对连续体结构进行拓扑优化，采用基结构思想，须将给定的初始设计区域离散成适当、足够多的子区域，形成由若干子域(单元)组成的基结构，在i单元子域内，将拓扑变量ti取值为0到1的一个常数，表示从有到无的过渡状态，这样就将离散的模型映射成连续的模型。

体积约束，基频为目标函数的拓扑优化问题可由式(1)描述：式中：Vr代表第r号体积约束对应的体积；代表第r号约束的体积上限；R代表体积约束的个数；N为单元的总数；g(ti)是引入的过滤函数，过滤函数一般为幂函数，本文取g(ti)=t3i。

由式(1)得到的t值反映了单元的有无，等效为单元的密度，可给定门槛值来确定单元的保留与否。

门槛值的选取值一般根据经验来确定，设计过程中可调整门槛值，以便得到不同的优化结果。

3考虑非设计集合的立柱的拓扑优化

对整个机床而言，立柱结构对其动态特性影响很大。如果设计不合理，往往成为机床的薄弱环节。在对立柱进行优化时，还要注意与立柱相连的主轴箱的影响，拓扑优化是要确定出质量在空间的分布，因此要把主轴箱加入模型，使其作为非设计集合，图7所示为立柱的数字化拓扑优化有限元模型，立柱的底部为全约束以模拟实际工况。

4优化结果

根据式(1)和立柱的数字化模型，以立柱的前三阶固有频率的算术平均值最大为目标函数，进行拓扑优化，最终的拓扑结构如图8所示，据此可以得到立柱肋板结构如图9所示。

考虑筋板结构制造和加工工艺要求，把拓扑优化的结果简化成筋板结构，最终形成的立柱结构CAD模型如图10所示。

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1有害生物的现状

号称松树“癌症”的松材线虫在广东、江苏、浙江、安徽、山东等地每天都有新的疫点发生，其蔓延之势已覆盖了我国5亿多亩森林。

危害100多种植物的美国白蛾在辽宁、山东、河北、天津等地并未“扑灭”，而且新疫点频频出现，现对北京已成包围之势，正在敲响北京的大门。

国槐的蛀干害虫锈色粒肩天牛，八十年代至九十年代初一直以河南、山东南部为根据地，局部为害国槐、栾树，九十年代中期向东、西、北三个方向出击，成为蛀干害虫的优势种，如今已成为北京市树“国槐”新的重要蛀虫。

从未过长江的北方蛀虫臭椿沟眶象，在本世纪初，跟随寄主千头椿大举入侵上海市，形成严重危害。

日本松干蚧是一种毁灭性害虫，遍及华东各省，如今又向东北扩散，吉林省1994年首次发现受其侵害，至2002年发生面积已达27万亩，成灾面积13.5万亩，4万亩松林在虫口下濒死或枯死。

杉树、柏树的重要蛀干害虫双条杉天牛向北已蔓延到沈阳，大有向东北扩散之势。

光肩星天牛的危害面积已达50万公顷。

青杨虎天牛在黑龙江哈尔滨周边地区再度暴发成灾。

蔗扁蛾是我国新发现的一种鳞翅目钻蛀性害虫，危害香蕉、甘蔗等经济作物，防治难度较大，如今已遍及华东、华中、华北、西南、东北等各地城市园林，危害植物达22科之多，除巴西木、发财树、绿萝、一品红、棕竹、鹅掌柴外，全国各地尤其是城市园林许多木本、草本花卉被其侵害。杨树烂皮病1999年春在东北全部及华北、内蒙古部分地区流行，被害致死柳、杨等绿化树木近15万株。

松枯梢病在山西、陕西、辽宁大发生，大连沿海地区的大片黑松患病死亡。

银杏大蚕蛾仅在陕西就发生2万公顷，东亚飞蝗在西北、华北再度暴发成灾。

2003年春，长春市因冻害死亡杨、柳树2万余株，由冻害引发病害，严重染病的树木3万多株。

原产南美的水葫芦，学名凤眼莲，作为畜禽饲料、观赏和净化水质的植物被引入并推广种植，后逸为野生，以极快的无性繁殖，形成单一的优势群落。在云南已成“喧客夺主”的心腹之患，占据了滇池10平方公里的水域，破坏当地水生植物和水生动物，堵塞交通，给渔业和旅游业造成重大损失，严重地破坏了生物间生态平衡。

2问题分析

2.1绿化格局的调整改变了原有有害生物的结构

园林植物是城市建筑物、道路之间互相联系并使之成为一体的纽带。国外园林风格不断传入我国，植物配置和种植方式更加多变，如疏林草地、规则绿化等，打破了我国传统园林格局。园林植物种类、数量以及绿化面积大幅度增加，改变了城市中原有有害生物的种类、结构和危害。如今，蛀干害虫、“五小害虫”（蚜、螨、蚧、粉虱、蓟马）和生态性植干病害成为城市园林植物的主要病虫害。

2.2绿化植物的不合理配置为病虫害的发生提供了先决条件

害虫与寄主在长期进化过程中形成了协同进化关系，可以说植物一栽下去就决定了病虫害的发生程度，不合理的种植结构是病虫害严重发生的源头。2.3园林植物检疫环节薄弱，外来病虫猖獗

随着国际间植物交流的频繁，侵入型害虫不断传入我国，而我们当地天敌尚不能马上跟踪适应，这些自然控制因素的丧失使侵入型害虫比我国本地害虫具有更大的危害性。严重危害100余种花卉植物的毁灭性食叶害虫美洲斑潜蝇和前面提到的蔗扁蛾就是近年从国外传入的，并在短短两年时间就遍及我国22个省区。

2.4城市生态恶化为病虫害的发生开启了方便之门

城市环境是由人工建造起来的特殊生态系统，地上部分往往是空气污染严重、光照条件不佳、人为破坏频发；地下部分往往是土壤坚实、透气性差、土质低劣、缺肥少水、生长空间狭窄，这些直接导致了有害生物的大发生。当某种生态因子达到灾变程度，而养护管理又长期相当不力时，生态平衡将被打破，园林植物病虫害就暴发成灾，发展成为自然生物灾害。

2.5气候异常促使城市园林病虫害大发生

在城市恶劣的生态环境下，园林植物生长势极弱，这时气候方面的因素则变成决定性影响因子。

1999年柳树烂皮病大发生，国家林业局专家组确定为灾变性气候引起。

2003年春长春大量树木死亡也是由灾变性气候引起。

3对策：

3.1加强抗性植物品种的选育及应用

植物材料的选择应以植物区系分布规律为理论基础，以乡土树种为重点，以适应城市生态环境，如抗干旱，耗水少，耐瘠薄和土实，抗污染，抗冻害，抗病虫，耐粗放管理等7个方面为树种选择的首要标准。

3.4加强养护管理，减少有害生物的发生

;加强养护管理就是人为地调整适合目的植物生长，而不适合有害生物生长的环境条件，使目的植物能健康、茁壮地生长，有害生物很难侵入，也不能大量繁殖，对目的植物构成威胁。从根本上解决植物衰退病这一难题。

3.3从规划设计着手，控制有害生物的发生

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1.引言

随着城市化进程和产业升级的不断推进，在城市建设和企业技术改造中，经常要开展烟囱、水塔等废弃高耸建筑物的控制性拆除爆破工作。拆除爆破既要达到预定拆除目的，又必须有效控制爆破振动影响、飞石抛掷距离和破坏范围等，以保障周围环境安全[1]。目前，国内外已广泛应用爆破方法拆除高耸建筑物，定向爆破拆除烟囱的高度已达210米[2]。

本文基于弹塑性力学和有限元基本理论，针对一150m高耸钢筋混凝土结构烟囱定向爆破拆除工程，对该烟囱爆破拆除的力学条件、烟囱爆破倾覆时间、烟囱爆破倾覆时的支座内力以及烟囱爆破倾覆时的本构关系进行研究，并采用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA，通过分离式共节点建模，建立高耸钢筋混凝土烟囱有限元模型，对烟囱爆破拆除过程进行了有限元模拟。

2.爆破拆除方案

烟囱爆破拆除的原理是在烟囱倾倒一侧的烟囱支承筒壁底部炸开一个爆破缺口，破坏烟囱结构稳定性，导致整个结构失稳和重心外移，使烟囱在自重作用下形成倾覆力矩，进而使烟囱按预定方向倾倒。若烟囱爆破缺口长度过短，上部结构产生的倾覆力矩可能小于下部支撑结构可以承受的弯矩，爆破时结构不易发生破坏；若烟囱爆破缺口尺寸过长，下部支撑结构不能承受上部结构的自重，上部结构将直接压塌下部结构，影响烟囱倒塌方向，产生严重后果。因此烟囱爆破缺口尺寸对烟囱控制爆破拆除至关重要。

某电厂一个150m高度的钢筋混凝土结构烟囱，烟囱底部壁厚400mm，外径为5.83m、内径为5.43m；110m高度处烟囱璧厚为180mm，外径为3.68m、内径为3.5m；烟囱顶部壁厚200mm，外径为2.905m、内径为2.705m；烟囱体积为1299.87m3，质量为3.37966×106Kg，烟囱自重为33121KN。图1为该电厂150m高度的钢筋混凝土烟囱。

在爆破缺口中部长度7.5m范围内，采用137发瞬发导爆管雷管，总装药量8.22kg；第二段起爆雷管布置在爆破缺口余下的炮孔，采用140发导爆管毫秒延期雷管，总装药量8.4kg。此外，为保证烟囱顺利倒塌，在烟囱爆破缺口两端各开设了1个高1.46m、长4m的三角形作为定向窗。

3.烟囱爆破倾覆时间历程

烟囱爆破倾覆时间是烟囱爆破过程控制的一个重要因素，烟囱爆破倾覆时间可由烟囱倾覆过程的角加速度ε与烟囱倾覆过程的角速度求得，即：

在公式（1）中，dt为烟囱爆破倾覆时间。针对论文中150m高度的钢筋混凝土结构烟囱，其爆破倾覆时间为：

4.烟囱爆破拆除过程有限元模拟

4.1有限元模型

鉴于钢筋混凝土烟囱由钢筋和混凝土两种不同性能的材料组成，采用分离式共节点有限元建模，可事先分别计算混凝土和钢筋的单元刚度矩阵，然后统一集成到结构整体刚度矩阵中，可按实际配筋划分单元，并可在钢筋混凝土之间嵌入粘结单元。因此，论文针对该150m高度钢筋混凝土结构烟囱，基于ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件[11]，采用分离式有限元建模方法建立钢筋混凝土烟囱有限元模型。论文建立的烟囱有限元整体模型如图3所示。

建模过程时，为模拟烟囱倾覆过程，通过在特定时间定义爆破缺口处材料失效的方法来模拟爆破缺口的形成。筒体之间以及筒体与地面之间采用自动单面接触，钢筋与地面之间采用点面接触模拟烟囱倾覆触地。其中在ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件环境下可通过在K文件中加入使材料失效的命令流来模拟爆破形成缺口，并可修改K文件使烟囱筒体和缺口处的材料具有失效准则功能。

4.2数值模拟结果

图4为烟囱爆破倾覆历程数值模拟结果，图5为实际烟囱爆破倾覆历程图，图6和图7为有限元计算得到的烟囱顶部、质心及缺口等不同部位在爆破倾覆过程中的位移、运动速度随时间的变化曲线，图8为有限元计算得到的烟囱爆破倾覆历程不同时刻的烟囱等效应力场分布图。

由图4和图5可知，烟囱爆破倾覆历程数值模拟结果与实际烟囱爆破倾覆过程吻合较好。由图6和图7可知，计算得到的烟囱顶部、质心及缺口等不同部位在爆破倾覆过程中的位移、运动速度随时间的变化情况较符合实际。图7中烟囱顶部、质心及缺口部位在爆破倾覆过程中的运动速度随时间变化出现振动是因为爆破倾覆初期烟囱筒体出现晃动，图7中烟囱顶部、质心及缺口部位运动速度在5.8秒出现突变是因为烟囱爆破倾覆过程中爆破缺口发生闭合，图7中烟囱顶部、质心及缺口部位运动速度在5.8秒出现跃变是因为烟囱爆破倾覆触地造成的。

5.结论

（1）采用数值模拟方法对烟囱爆破拆除过程进行模拟分析，可较全面地研究烟囱倾覆历程、烟囱倾覆历程的应力、位移、烟囱倾覆时间和速度、烟囱爆破倾覆时的支座内力等，可开展烟囱模拟爆破拆除实验，以指导烟囱爆破拆除设计。

（2）采用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA可模拟烟囱控制爆破拆除过程，采用分离式共节点有限元建模方法建模，实际烟囱倾覆历程、倾覆方位、倾覆长度与有限元数值模拟结果吻合较好。

（3）论文提出的烟囱爆破倾覆历程的本构关系符合实际；论文采用的材料塑性随动硬化模型以及可Cowper-Symonds材料应变率模型可较好地反应烟囱爆破倾覆过程的钢筋及混凝土材料力学性能。

（4）数值模拟结果与理论计算结果存在一定差别的主要原因是理论计算所采用的模型没有考虑烟囱爆破过程形成的塑性铰对烟囱倾覆运动的影响作用。数值模拟结果与实际烟囱爆破倾覆过程存在一定差别的主要原因是数值模拟所用材料参数与实际烟囱爆破倾覆过程材料力学性能存在偏差。

参考文献

[1] 张成化、罗惠敏、谢斌等.城市改造建设中拆除爆破安全管理的几点做法[J].采矿技术，2001.11（5）：178-179.

[2] 王希之、谢兴博、谭雪刚等.210m高烟囱爆破拆除技术.工程爆破，2011.17（2）：53-55.

[3] 汪浩、郑炳旭.拆除爆破综合技术[J].工程爆破，2003.9（1）：27-31.

[4] 叶海旺、薛江波、房泽法.基于LS-DYNA的砖烟囱爆破拆除模拟研究[J].爆破，2008.25（2）：39-42.

[5] 言志信、叶振辉、刘培林、曹小红.钢筋混凝土高烟囱定向爆破拆除倒塌过程研究[J].振动与冲击，2011.30（9）：197-210.

[6] 王斌、赵伏军、林大能、谷建新.筒形薄壁建筑物爆破切口形状的的有限元分析[J].采矿技术，2005.9：95-97.123.

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DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.07.034

0 绪论

机床床身的变形严重影响机床加工精度，为此国内外学者针对床身引起的机床精度损失开展了相应的研究工作。李艳[1]以牛头式电火花加工机床为研究对象进行了仿真分析，Z轴施加配重，而且有利于减小机床的变形；李初晔[2]利用有限元对数控龙门铣床的承载变形进行了分析；吕亚楠[3]针对并联机床的静刚度进行了仿真分析；朱祥[4]利用有限元软件建立了大型落地式镗铣床TKS6916整机模型。田杨等[5]应用有限元-边界元耦合的方法建立了重型数控机床-基础系统的承载变形模型，并将光纤技术引入到承载变形检测中。

由于机床床身的复杂性，单纯的进行仿真分析必然浪费大量的计算资源，本文将床身考虑成超静定梁，建立了理论模型，通过仿真分析验证了理论模型的正确性，从而可应用该模型进行床身变形分析，为机床设计提供了简单、可行的计算方法。

1 理论模型

机床床身与混凝土基础通过地脚螺栓固接，因此可视机床床身为如图1所示的超静定梁，本文通过分段独立的积分法求得梁结构的挠度方程。

由材料力学知识可知梁的挠曲线近似微分方程有：

对于段：通过一次积分得到转角方程：

通过再一次积分得到挠曲线方程：

段：通过一次积分得到转角方程：

通过再一次积分得到挠曲线方程：

利用如下位移边界条件、力边界条件和连续条件解得积分常数、（）

，…，，

2 床身变形仿真分析

通过CAD软件与CAE软件的无缝对接，本文应用大型CAD软件UG建立机床三维模型，导入ANSYS中进行床身变形仿真计算，在施加约束过程中，论文选择直接对底部滑座施加载荷，免去机床横梁与立柱的有限元计算，通过多次尝试选择网格大小为0.2m的网格划分网格，将机床自重的一半施加到滑座上，从而完成床身的有限元分析，得到的有限元仿真云图如图2所示。

3 结论

论文将机床床身简化成超静定梁，应用工程力学知识推导了梁结构的变形方程，通过CAD与CAE软件无缝接口技术，对床身部分进行了有限元的仿真分析。通过仿真分析，验证了床身变形理论模型的正确性，为机床的设计提供了一种直观的计算方法，解决了依靠分析软件进行的复杂仿真问题。

参考文献：

[1]李艳，杨大勇，刘建勇.基于有限元分析的电火花加工机床变形研究[J].航天制造技术，2012（06）：38-41.

[2]李初晔，王海涛，冯，马岩.高速数控龙门铣床有限元分析高速数控龙门铣床有限元分析[J].制造技术与机床，2013（02）：75-79.

[3]窝情，王立平，关立文.一种冗余并联机床静刚度有限元分析与优化设计[J].机械设计与制造，2008（02）：1-3.

[4]朱祥，寸花英，李坤，刘意，闫伟.大型落地式镗铣床TKS6916整机有限元分析[J].机床与液压，2013（01）：124-127.

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引言

快速设计是为实现加快新产品开发周期，提高设计效率减少重复劳动的目的而诞生的。不同于传统的设计，它储存了设计的整个过程，能设计出一簇而非单一的，形状和功能具有相似性的产品模型[1]。汽车零部件有很多零件虽然尺寸不同，但形状相差不大，建模的特征及顺序很接近，适合使用快速设计。

快速设计技术以及快速设计系统的开发是一个研究热点，国内外很多高校和研究机构都做出了大量的研究。太原理工大学的王铁教授提出功能元的概念，并将之用于手枪等的快速设计[2]。大连理工大学的马铁强教授将CAD模型的重用技术应用于产品的快速设计上[3]。中国科学技术大学的蒋维将混合模板库与锻压机床的快速设计进行了结合，并集成了CAE模块[4]。国外快速设计的研究一直走在我们的前头。波音、空客、福特等大型制造企业都有自己的快速设计系统。

我国已经是汽车产销大国。据中国汽车工业协会统计，据中国汽车工业协会统计，2013年我国新车销售2198.41万辆，同比增长13.87%，居世界第一。为了降低制造成本，提高产品的市场竞争力，整车制造厂商往往以客户的身份将汽车零部件以订单的方式下发到具有不同加工能力的中小型企业（供应商）生产。随着技术的发展，汽车更新换代速度加快，零部件制造企业如何快速响应，来协同整车制造企业正成为一个日益严重的问题。在我国制造业比较发达的上海和苏南地区，中小企业往往因为不能及时设计造成无法按期供应产品而导致跑单。

1.系统的功能要求

汽车零部件快速设计与有限元分析系统主要服务于中心型汽车零部件制造企业的，基于特征和参数化技术的，可以解决企业人才短缺，无法同时具备解决快速设计及有限元分析两部分内容的问题。一般中心型汽车零部件制造企业生产的产品具有类别相同，尺寸不同的特点因此，系统的应实现以下几个方面的功能：

1.1快速造型设计，输出三维模型和CAD图纸，显著提高零件的设计速度；

1.2零件的详细CAD模型和简化CAE模型的对应和设计参数的共享；

1.3零件有限元分析边界条件参数化，可实现快速有限元分析。

2.系统设计

2.1通过对同系列零件特征的分析，将特征进行归类，建立基于特征的参数表达式，通过特征的叠加得到同系列零件系列化的参数化模型。将零件进行归类、存档，构成零件的参数化模型库；

2.2运用KBE（Knowledge-Based Engineering）技术和软件工程的方法，以零件的参数化模型库为支撑，以通行的CAD/CAM软件UG作为开发平台，以UG/Open API和Microsoft VC++ 6.0作为开发工具和编程语言，开发零件的快速设计系统，提高设计速度；

2.3基于APDL（ANSYS Parametric Design Language，ANSYS参数化设计语言）建立零件的参数化有限元模型，实现特征和边界条件的参数化，并形成可用于分析*.txt文件。当用户在快速设计系统中输入参数建立零件的详细CAD模型的同时，系统将自动修改*.txt文件，重新生成分析文件。通过调用有限元分析软件ANSYS读取该*.txt文件对零件进行有限元分析，并可对零件进行结构优化设计。

3.结论

汽车零部件快速设计与有限元集成系统切中中心型汽车零部件制造企业不具备快速设计的问题。然而此类企业生产的产品具有类别相同，尺寸不同的特点。因此，系统根据实际情况来开发，具有明显的优势：

3.1通过建立零件的参数化模型库实现零件的快速设计；

3.2在完成零件详细的CAD模型的同时，系统自动完成简化CAE模型的建立，并传递设计参数，且所有模型都实现参数化；

3.3本系统的建立将极大的减少零件设计和分析的重复性工作，极大的提高设计效率。

参考文献：

[1]王良文，王传鹏，郭志强等. 基于ANSYS二次开发的塔式起重机快速设计系统[J]. 机械设计，2014，31（5）：69-74.

[2]张浩浩. 基于功能元的快速设计平台研究[D]. 太原：太原理工大学硕士学位论文，2006.

[3]马铁强. 支持产品快速设计的CAD模型重用技术研究[D]. 大连：大连理工大学博士学位论文，2009.

[4]蒋 维. 基于CAD/CAE混合模板库的锻压机床快速设计、优化方法研究[D]. 合肥：中国科学技术大学博士学位论文，2008.

[5]刘巍巍，邵文达，刘晓冰. 面向机械产品创新与快速设计的知识建模方法研究[J]. 组合机床与自动化加工技术，2014，（5）：27-30.

[6]王 志，张进生，于丰业等. 基于模块化的机械产品快速设计[J]. 机械设计，2004，21（8）：1-3.

作者简介：

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关键词：轮胎压路机 后轮驱动装置 结构设计 Pro/E建模 有限元分析

The Structural Design about the Simple Supported Rear Drive of Tyre Road Roller

Abstrct: The paper expatiates on the structural design about the rear drive device of tyre road roller. The paper puts forward three structures during the design work, then analyzes the advantages and disadvantages of them in detail, finally chooses a simple supported type structure to use in the design. The paper does much calculation work to choose the right model of the components, such as hydraulic motor, reducer and bearing. The paper checks the strength of the shaft and the service life of the bearing by calculation and analysis. All the parts and components of the device are modeled in using Pro/E. The paper analyzes the interference among parts and components, executes the mechanical motion emulation, and works out an animation about the assembled and unassembled process of the device after the modeling work. The paper uses finite element analysis function in the Pro/E to do finite element analysis work on shaft and supported framework, then makes a structural improvement about the supported framework by using the result of finite element analysis work. The paper also works out drawings and process planning of some major parts and components.

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中图分类号：TU37文献标识码： A

钢筋混凝土结构是目前工业与民用建筑中最主要的结构形式。由于钢筋混凝土是由两种性质不同的材料——混凝土和钢筋组合而成的，它的性能明显地依赖于这两种材料的性能，特别是在非线性阶段，混凝土和钢筋本身的各种非线性性能，都不同程度地在这种组合材料中反映出来。

钢筋混凝土结构的有限元分析有与其他固体力学有限元分析有所不同，需要模拟混凝土的开裂和裂缝的发展过程，特别是在反复荷载作用下裂缝的开裂和闭合过程；需要在模型中适当反映钢筋与混凝土之间的粘结和滑移机理；需要模拟混凝土材料在达到峰值应力以后的性能，也应模拟钢筋屈服以后的性能；对于复杂的钢筋混凝土结构，材料非线性问题与几何非线性问题同时存在，使得计算分析的难度大大增加；分析结果强烈依赖混凝土材料和钢筋材料的本构关系以及钢筋和混凝土之间的粘结滑移的本构关系。

因此，对上述本构关系的深入研究和全面正确的描述是保证钢筋混凝土有限元分析结果正确可靠和能应用于工程实际的基本条件。

粘贴加固钢筋混凝土结构有限元分析与混凝土结构有限元分析一样，其模型的选择不仅与各种材料的本构关系和单元类型有关，还和混凝土结构有限元模型和边界约束条件紧密相关。

1 材料的本构关系

本构关系所基于的理论模型[2]主要有：弹性理论、非线性弹性理论、弹塑性理论、粘弹性理论、粘塑性理论、损伤力学理论、内时理论等。

1.1 钢筋的本构关系

在有限元分析中，常采用的钢筋本构关系是单向加载下，钢筋的应力－应变关系，表述如下：软钢的应力－应变曲线可分为三段：弹性段，屈服平台和强化段。如图1所示，弹性段是以E（钢筋弹性模量）为斜率；屈服平台是斜率为零的水平线。

1.2 混凝土的本构关系

混凝土的应力－应变(σ−ε)关系是钢筋混凝土构件强度计算、超静定结构内力分析、结构延性计算和钢筋混凝土有限元分析的重要基础。从试验可以得到混凝土受压时的关系曲线，考虑到钢筋混凝土结构的特点及计算分析的方便，在钢筋混凝土结构非线性有限元分析中应用得较多的是非线性弹性理论和弹塑性理论。其近似本构关系如图2所示。

图1 钢筋应力应变曲线图 图2 混凝土应力应变曲线

1.3 粘贴材料的本构关系

在实际工程中常用的粘贴材料为钢板和碳纤维，钢板的本构关系与钢筋相类似，常简化理想弹塑性和线性强化弹塑性本构关系，如图3所示；碳纤维为理想线弹性材料，其应力－应变关系取为线弹性模型，如图4所示。

图3 理想弹塑性本构关系 图4 线弹性本构关系

2 单元类型

用有限元方法分析粘贴加固钢筋混凝土结构，其单元选择与一般固体力学有限元是一致的，常用的单元类型有实体单元、板壳单元、杆件单元和联结单元。杆件和板壳单元主要用于整体结构中的单个构件模拟，所得的模拟结果受到一定限制，如杆单元只能承受轴力而不能受弯和受剪，因此常被用于模拟一些特定的材料（如钢筋）。混凝土，钢筋混凝土以及粘贴材料一般用实体单元来模拟。当考虑粘钢或钢筋与混凝土之间的相对滑移时，一般引入反映两者间界面性能的单元即联结单元。

3 钢筋混凝土有限元模型

钢筋混凝土结构由钢筋和混凝土两种材料组成，这类结构的离散化与一般均匀连续的一种或几种材料组成的结构有类似之处，但也有不同之点。在钢筋混凝土结构中，钢筋一般被包围于混凝土之中，且体积相对较小，因此，在建立钢筋混凝土的有限元模型时，必须考虑到这一特点。通常构成钢筋混凝土结构的有限元结构模型[3]主要有三种方式：整体式、分离式和组合式

4 仿真分析的几点问题

4.1 前处理

（1） 选取单元类型

钢板与混凝土间通过结构胶粘结，具有良好的粘结界面，我们可以近似不考虑两者之间的错动，建模时使钢板与混凝土之间共用节点，从而保证两者之间位移协调[4]。

（2） 设置实常数

本次模拟不同方案所需定义实常数的单元都各自不同，如整体式模型方案中，钢筋的作用弥散于单元中，故需对于这部分的混凝土定义实常数。

（3） 定义材料属性

混凝土是脆性材料，它的变形特性不同于金属材料，而与材料体内微裂缝的扩展有关。但从宏观上来看，仍然可以假定混凝土的应力－应变特性由第一阶段的弹性变形，以及第二、三阶段相应的非线性加工强化部分组成。在非线性阶段，总的应变分为弹性部分和塑性部分。由于混凝土材料体内微裂缝的扩展引起的“塑形应变”被定义为一个不可恢复的变形。

（4） 有限元建模

整体式模型中，有两个实体组成－混凝土和钢板。分离式模型中，根据混凝土内部钢筋的构造用工作平面将混凝土柱剖分成若干块，在剖分完的混凝土实体模型中按照试验实际情况选取适当的体线作为纵筋和箍筋。这样，模型就由素混凝土、钢筋和钢板三种实体组成。在计算中如果出现因支座处或集中力作用处的应力集中现象而使梁未达到极限承载力就先行破坏，则在有限元实体建模中各自加一块刚性或弹性垫块。

（5） 剖分网格

算例中可采用映射的方式对混凝土、钢板以及刚性垫板进行网格划分，从而得到规整的单元形状以提高分析的精确性以及计算的收敛。为了便于各种方案的计算结果比较，每种方案网格划分的尺寸都相同。

（6） 定义荷载

算例中荷载的施加是在集中荷载处的单元节点上施加节点荷载，或在上面施加刚性垫块后再在垫块上施加节点荷载。

4.2 求解

（1） 荷载步与子步数

钢筋混凝土梁因所施加的荷载比较单一，只设定一个荷载子步，至于子步数的设置只给出最小和最大子步数，通过激活自动时间分步来调整所需要的时间步长，从而获得精度和计算时间之间的良好平衡。

（2） 牛顿－拉普森平衡迭代

由于纯粹的增量近似不可避免地随着每一个载荷增量积累误差，导致结果最终失去平衡。有限元程序通过使用牛顿－拉普森平衡迭代克服了这种困难，它迫使在每一个载荷增量的末端的解达到平衡收敛（在某个容限范围内）。

（3） 确定收敛准则

程序将连续进行平衡迭代直到满足收敛准则或者直到达到允许的最大平衡迭代数。我们可以用缺省的收敛准则，也可以自己定义收敛准则。

4.3 后处理

可根据分析需要提取各级荷载作用下混凝土梁所有节点和单元的位移、应力、应变、变形以及裂缝开展等各方面的计算结果。

5 算例

梁模型设计成单跨简支梁来模拟建筑物中需加固的梁。跨度为4500mm，净跨为4200mm，矩形截面尺寸为150mm×350mm，混凝土标号为C30，架立筋为2Φ8，梁底受拉纵筋为2Φ14，梁两端箍筋配为Φ8@150，梁跨中箍筋配为Φ8@200，均为双肢箍。简支梁采用千斤顶利用分配梁在三分点处对称加载，使梁跨中处于纯弯矩状态。在正式加载前，先进行预加载，使构件变形和荷载的关系趋于稳定。加固材料选用HRB335钢，厚度为4mm，长度为3400 mm。粘结剂采用JGN型建筑结构胶。

图5 粘贴加固梁的竖向位移云图

图5为在承载力24000N的竖向荷载下，粘贴钢板加固梁的竖向挠度图，从图中可以看出，模型梁的中点挠度为1.435mm。

6 致谢

本工作得到湖北理工学院大学生科技创新专项研究项目的资助（项目编号：11cx18）。

参考文献：

[1] 吕西林，金国芳，吴晓涵．钢筋混凝土结构非线性有限元理论与应用．上海：同济大学出版社，2002．

篇8

 

1.1导入CAD生成的模型

通常情况下，对于非常复杂的不规则线、面或体，在ANSYS中建立其几何模型将非常复杂。这时可以采用在熟悉的专用的CAD系统中建立几何模型，然后通过ANSYS提供的接口导入到ANSYS中，这样可以实现CAD/CAE一体化技术，提高效率。然而，从CAD系统中导入的模型很可能需要另外的大量的几何模型的修补工作。

1.2导入在CAD系统创建的模型以实现CAD/CAE一体化

1.2.2 以IGES格式实现导入

在PRO/E完成的模型被另存为IGES的格式可以导入ANSYS7.0中，但这种方式经过大量的检验证明是很有局限性的，只有当模型简单包括很少的特征才可能不产生基本特征的丢失。对于稍稍复杂的模型来说就会丢失一些特征特征，这就使我们不得不进行大量的模型修补工作。

1.2.3从PRO/E中启动ANSYS实现CAD/CAE一体化

ANSYS还具有从PRO/E中导入*.prt或*.asm的功能，但是按照ANSYS帮助里的提示不能将模型导入。经过实践研究，CAD的各种文件格式导入到ANSYS中都存在着一些问题。本文最后解决了从PRO/E中启动ANSYS实现了CAD/CAE的一体化。并发现也能够从ANSYS中将模型以*.prt或*.asm的格式导入。而且通过这种途径导入的模型或启动ANSYS绝对没有任何模型元素的丢失。

下面介绍实现的过程；

（1）在同机的同一工作系统下安装有Pro/E和ANSYS两种软件；

保证上述两种软件的版本兼容，Pro/E的版本不得高于同期的ANSYS的版本；

（2）开始?程序?CAD/CAM?ANSYS Release7.0?Utilities?ANS_ADSIN Utility?Configurationoptions?OK? Configuration Connection for Pro/E?选择ANSYSProduct?选择Graphics device name(NT: Win32)?会出现SUCCESS提示：

给出Pro/Engineer installation path?（在我们的机器上PRO/E的工作路径是

C:PROGRAM FILESPROE2001）会出现如下提示：

至此，PRO/E和ANSYS接口程序已经设置成功。

——PRO/E的系统实用工具主要集中Utilities 菜单中，个别集中在View菜单中。利用 Utilities菜单中的选项View菜单的个别选项可以系统各项设置值，定制工作环境，例如定制用户界面，加载和编辑配置文件等。科技论文，CAD/CAE一体化。。这里利用管理辅助应用程序 Auxiliary Applications将ANSYS Geom加到PART菜单下；用Register找到ANSYS安装目录下的protk.dat文件，选中这个文件，再运行start即可。

——完成第一步的设置，应该可以将文件*.prt或*.asm的格式导入ANSYS中，但是导入时程序却没有响应；完成以上两步的设置，在PRO/E中创建完模型后点击ANSYS GERM应该可以直接进入ANSYS中。有一超时功能中理论上的“无限时间”设置使用不恰当的日期值，这一日期值相当于2004年1月10日，所以到了2004年1月10日，代码会自动判断当前时间已经超过无限时间。科技论文，CAD/CAE一体化。。据PTC介绍，这种超时功能的主要软件模块是

“Name Service Demon”(nmsd.exe),所以要对nmsd.exe进行更新。要用一个网上下载的nmsd.rar的补丁来覆盖以超时的这个模块。更新了nmsd.exe后实现了点ANSYS GERM后启动了ANSYS7.0会自动生成*.anf文件，以上所做的工作均可以在Windows2000下顺利的运行。进入了ANSYS中在输入窗口输入命令：

/inut,文件名（不带后缀），anf

后再执行plot volume即可。科技论文，CAD/CAE一体化。。科技论文，CAD/CAE一体化。。经过此设置文件以.prt的格式导入ANSYS中都不会有任何特征的丢失。

经过以上三步的设置就会发现PRO/E和ANSYS的无缝接口。

3.3 在PRO/E中建立模型并在ANSYS中分析

3.3.1在PRO/E中建模（一段单板簧）：

一、尺寸的选取

1）b,l由经验选取2

2）h的确定,要求43

3）H=5h

二、弹阻力的计算

1）弹阻力计算公式

2）弯矩公式

若令Q=0可得kl==l

=0 可得kl-2=l

则N=4

a)的确定

l=,l= b)弹阻力计算

最大负荷时弹阻力为 =0

最小负荷时的弹阻力为

3.3.2将PRO/E中建立的模型导入ANSYS中没有几何数据的丢失：

3.3.3在ANSYS中对导入的模型进入前处理器

（1）定义单元类型，选取菜单Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete弹出Element Type对话框，单击按钮Add弹出Library of Element Types对话框，选择相应的单元类型，单击OK按钮返回Element Types对话框，单击Close按钮。科技论文，CAD/CAE一体化。。

（2）定义材料属性：选取菜单Main Menu>Preprocessor>Materical Props>Materical Models 弹出Define Materical Models Behavior对话框，在右边的MatericalModels Available 框中连续双击选择Structural>Linear>Elastic>Isotropic,弹出Linear Isotropic Properties for…..对话框在EX和PRXY选择相应的值，单击按钮返回DefineMaterical Model Behavior 对话框，选择该对话框菜单Define MaterialModel Behavior>Materical>Exit.定义完单元类型和材料属性后，对于从PRO/E中导入的模型就可以进行网格划分了

（3）进行网格划分：单击MeshTool对话框中Mesh按钮弹出MeshAreas拾取对话框，单击pick all按钮执行网络划分操作。科技论文，CAD/CAE一体化。。

（4）退出前处理器MainMenu>Finish.

（5）并且对所做的划分执行存储，单击ANSYS Tooler窗口中的SAVE_DB按钮。

篇9

中图分类号：TV331文献标识码： A

0、 引言

纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer,简称FRP)以其轻质、高强、抗疲劳等优越的力学性能,广泛地应用于工程结构加固领域之中。在有些条件下传统建筑材料很难满足这种发展要求。FRP复合材料具有轻质，高强，耐腐蚀，抗疲劳，耐久性好，多功能，适用面广，可设计和易加工等多种优点。在重要的土木工程中，如超大跨，超高层，地下结构，海洋工程，高耐久性的应用，以及特殊环境工程，永久性工程，结构加固修复，都具着巨大的优越性。

1、单元有限元分析

1.1 单元有限元模型

在文献[1]中，提出了一种用单元分析FRP-混凝土界面破坏的方法。其基本思路是：用非常小的单元(0.25mm~0.5mm)来模拟混凝土和FRP 片材，在混凝土和FRP片材之间不再设置胶层，而是将二者直接联系在一起，通过混凝土单元的开裂破坏来模拟FRP的剥离。由于单元尺寸很小，因此混凝土材料的本构关系需要加以修正以考虑尺寸效应的影响。研究表明，采用有限元模型可以较好地预测FRP 和混凝土之间的面内剪切破坏。因此，使用该模型来分析FRP加固混凝土梁IC debonding 界面破坏。有限元模型中，虽然单个的混凝土单元依然基于弥散裂缝模型，但是因为单元尺寸非常小(0.5mm 以下)，因此仍然可以较好地模拟裂缝附近的变形以及滑移集中情况。

1.2 界面粘结滑移关系

对于远离受弯裂缝的FRP-混凝土界面该裂缝形状与面内剪切试验的裂缝形状很相似[1]，说明此处的粘结-滑移关系与面内剪切试验的差不多，故可直接采用由剪切试验得到的界面粘结-滑移关系。

1.3 双重剥离破坏准则

通过前面的分析可以知道，如果界面距离受弯裂缝较远，即与界面单元相连的混凝土单元没有开裂，其剥离破坏主要是由界面的整体单向相对滑动引起，滑移场比较均匀，采用普通界面单元的形函数可以较好地估计单元内部的滑移状态。

2、ANSYS有限元分析结果

基于ANSYS软件分别建立了文献[2]中的BL20-2、PPL30梁和文献[3]中的RLII-3梁的有限元计算模型，各个试件的材料参数详见文献[2-3]。为节省计算时间，根据对称性，对每个试件仅建立了1/4梁的有限元模型。

计算得到的荷载－跨中挠度曲线及与试验结果的对比见图1所示,将计算得到的梁的极限承载力与试验结果进行对比见表1所示。

（a）BL20-2梁 （b）PLL30梁 (c)RLII-3梁

图1 计算的荷载－跨中挠度曲线与试验结果的对比

表1计算极限荷载与试验结果的对比

计算的梁荷载－跨中挠度曲线与试验结果的对比可知，从加载直到屈服阶段，计算得到的荷载－挠度曲线与试验结果有很好的吻合；屈服后，BL20-2和PLL30梁的荷载－挠度曲线与试验结果吻合较好，但RLII-3梁的模拟结果与试验结果误差较大，模拟结果未能合理反映梁荷载－挠度曲线的下降段。

计算得到的三根梁的极限荷载均与试验结果有较好的吻合，即建立的有限元模型可以较好的模拟FRP加固混凝土梁的承载力。

Solid65单元使用弥散式裂缝模型，针对混凝土的开裂与压碎，ANSYS中提供了专门的图形显示命令PLCRACK。该命令用小圆圈表示混凝土的开裂部位，小八边形表示混凝土的压碎部位。如果裂缝张开后又闭合，通过小圆圈中间加X表示。此外，在每个积分点处可以有至多三个开裂面，第一、二、三方向裂缝分别用红、绿、蓝小圆圈表示。限于篇幅限制，仅将模拟得到的BL20-2梁在不同加载过程的破坏形态列出，如图2所示。

由于关闭了混凝土的压碎选项，混凝土的破坏仅以开裂体现，在破坏前期，最主要的破坏形态是梁跨中底部混凝土的开裂，且所有开裂形态基本为弯曲裂缝；在梁的中度开裂阶段，开裂高度增加，且在支座上部出现出现剪切斜裂缝；在梁的最终破坏阶段，梁的开裂进一步加剧，跨中裂缝布满整个梁高，支座处剪切斜裂缝向顶部扩展。

(a)初始开裂阶段

(b)中度破坏阶段

(c) 最终破坏阶段

图2 模拟得到的梁在不同加载阶段的破坏形态

3、结论与展望

本文在总结了国内外利用ANSYS软件对FRP加固混凝土结构进行有限元模拟分析取得的研究成果的基础上，建立了FRP加固混凝土梁的有限元计算模型，模拟得到了梁的荷载－挠度曲线，极限荷载以及梁在不同加载阶段的破坏形态；将模拟结果与试验结果进行的对比表明，所建立的有限元模型可以较为准确的模拟梁的承载能力以及破坏形态，验证了所建立的有限元模型的正确性。

随着经济高速发展和技术飞速进步，世界各国对土木工程的要求越来越高。FRP复合材料在土木工程中的应用技术与材料研究开发,在当今世界上已成为复合材料界与土木工程界共同研究开发的一个热点。该技术研究开发成功后将会极大地推动现代土木工程的技术进步。它还将为现代复合材料产业开辟出巨大的应用市场，因而具有非常广阔的发展应用前景。

作者简介：

作者简介：赵健（1979.1－），男，工学学士，工程师。

参 考 文 献：

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1.引言

薄壁件是一种轻量化结构，其主要组成为薄型壳板、框架、梁、壁板、加强筋等基本结构，薄壁结构具有造型和结构复杂美观、重量轻等优点，在航空航天、通信雷达等高精尖领域中应用十分广泛。但薄壁零件刚度较差，零件加工过程中极易发生变形，造成零件厚度不均匀，尺寸公差和形位公差增大，甚至造成废品，无法保证零件的加工要求。

影响薄壁零件加工精度的因素有很多，主要包括受力变形、振动变形、受热变形等因素，由于薄壁结构自身特点，很难用传统方法进行变形分析，因此采用有限元技术，分析并模拟薄壁件的受力情况、温升情况，并最终获得零件的变形模型。根据零件的变形模型，修正数控加工过程中刀具和零件的相对位置，从而达到提高零件质量的目的。ANSYS是有限元分析中常用的软件，该软件的应用对提高薄壁零件加工精度有重要意义[1]。

2.有限元原理和分析步骤

2.1有限元分析原理

有限元分析软件的原理是将一个整体结构按照一定规律分成若干个有限的独立离散单元，各离散的单元按照一定的原则设定有限的节点，通过在这些独立的计算单元中建立合适的基函数，分析和计算离散单元中场函数的分布规律，求解各个节点的值，并通过基函数的合理组合代替独立单元的真实值。各离散单元通过各个节点联系在一起，用离散单元基函数组成整个计算域上总体的基函数，整体结构在计算域内的解由各独立单元的综合结果近似而成[2]。

2.2基于有限元变形分析思想

基于有限元变形分析的主要思想是在有限元软件的平台上，利用机械加工中相关的切削力等理论公式及相应的边界条件，计算出加工过程的误差，然后在实际加工过程中将偏差值通过编程等方法予以补偿。分析过程如图1所示。有限元分析的应用，使得零件加工的实验成本大大降低，研究周期大大缩短。

3.薄壁件有限元模拟

3.1有限元模型建立

有限元模型的建立是有限元分析的基础，主要包括几何模型的建立和材料模型的建立。在几何模型建立过程中，主要通过所使用的有限元软件选取合适的工件和刀具，选用原则为工件和刀具要符合待模拟的加工过程。材料模拟过程首先要明确所要进行模拟的零件的材料，在软件环境中选择要模拟的材料的相关参数，主要包括材料的力学性能参数，例如弹性模量、塑性模量、热膨胀系数、屈服极限、泊松比等基本参数。

3.2有限元网格化分

在基本模型建立之后，要进行有限元网格划分。网格划分是进行有限元数值模拟分析的关键性环节，直接影响着后续数值计算分析结果的精确性。网格划分要考虑单元的许多设置，包括单元形状、类型、拓扑类型、网格生成器的选择、网格的密度、单元的编号及几何体素，其中单元类型的选用对于分析精度有着重要的影响，对于薄壁结构零件采用平面应力单元，自由空间曲面的薄壁结构采用膜壳单元。有限元网格划分有两种方法，简单的结构可以采用直接生成法，直接建立单元模型的网格，当对象比较复杂时，则在几何元素描述的物理基础上自动离散成有限单元，即通过几何自动生成法来完成[3]。

3.3添加约束和载荷

分析薄壁零件的受力，根据零件的受力特点和规律，将约束和载荷抽象化、理想化。通过对已建立的有限元模型添加合适的载荷和约束，实现对几何模型进行相关的力学分析。在添加载荷和约束中，薄壁件铣削加工的力学模型的选择和确定是模拟分析的关键。由于刀具、工件材料、加工特点等多种因素的影响，零件的受力是个复杂多变的情况。目前应用较多的力学模型是：OXLEY切削理论为基础的铣削力理论模型、KLINE平均力学模型和WON-SOOYUN的三维力模型。以上三种为空间静力学模型，随着研究的进一步深入，针对不同的加工特点，又有许多学者提出了更多的力学模型。在薄壁件铣削加工过程中，机床参数、刀具几何参数、切削参数都会影响切削力的大小，每种因素在切削力中所占的比例也不尽相同，在铣削过程中，常用的公式为：

当被加工零件为薄板结构时，荷载加载到零件上，每一个荷载都可以分解为两个分荷载，即横向荷载和纵向载荷，横向载荷垂直于零件中面，使薄板产生弯曲，因此该方向载荷引起的应力、形变和位移，应该按薄板弯曲问题进行计算。纵向荷载是沿薄板厚度均匀分布，符合平面应力基本特点，因此纵向载荷引起的应力、形变和位移可以按平面应力进行计算。薄壁表面铣削中，主要研究五个问题：（1）铣削力的主要作用方向等同于纵向载荷情况，因此取等厚薄板使之只受到平行于该面的外力作用，模型可以简化如图2所示，我们可以按照平面应力应变问题来分析。（2）根据弹性力学的有关理论，求出平面问题中形变分量与位移分量之间的关系式。（3）根据胡克定律导出变形分量与应力分量之间的关系式。（4）变形协调方程。（5）利用边界条件求解应力函数。

3.4后处理

利用有限元软件平台提供的后处理器，获得计算及分析结果，并将零件的变形值和应力分析结果，以云图和列表的形式输出。结果是否正确，应进行试验验证，即将计算值和实验值进行分析比较，误差若在允许范围之内，则整个模拟成功，否则需重新调整模拟过程，直到差值在允差范围之内。

4.薄壁件补偿加工

通过对薄壁件加工加工变形进行有限元建模，可以提前预测工件变形值。在进行数控程序编制中，据利用数控机床的补偿功能，将变形值数体现在数控加工程序中，即在数控编程时，让刀具在原有走刀轨迹的基础上连续偏摆，按变形量附加连续让刀量，保证了在连续加工中去除由于变形所带来的欠切削，使得一次走刀即可保证薄壁件壁厚精度，避免了二次加工带来的装夹误差、加工误差等，从而达到控制薄壁件加工变形、提高加工精度的目的。

5.结语

切削力模型和约束载荷模型是薄壁件有限元分析的基础，通过切屑力的分析和试验，建立准确的切削力模型，形成精确的变形模型，利用软件平台进行迭代分析，最终为数控加工提供有效编程依据，是提高薄壁零件加工质量的有效途径。

参考文献：

[1]姚荣庆.薄壁零件的加工方法[J].机床与液压，2007（8）.

[2]方刚，曾攀.切削加工数值模拟的研究进展.力学进展，2001，31（3）：394-404.

[3]黄志刚，柯映林，王立涛.金属切削加工有限元模拟的相关技术研究.中国机械工程，2003，14（10）：846-849.

[4]王立涛，柯映林，黄志刚.航空铝合金7050一T7451铣削力模型的实验研究.中国机械工程，2000（14）：1684-1688.

篇11

关键词：鼓式制动器；ANSYS workbench；制动鼓；有限元分析；摩擦接触

Key words： the rear drum brake；ANSYS workbench；drum brake；finite element analysis；frictional contact

中图分类号：U463.51 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）08-0091-03

0 引言

目前，大多数重型载货汽车采用的制动系统为鼓式制动器，其中制动鼓是制动系统中的重要部件之一[1]。目前，制动器的失效大多数是由于制动鼓的失效引起的，其主要失效形式有：非正常的磨损、掉底、龟裂、开裂、磨损过大[2]，对制动器中的制动鼓进行结构的受力接触和有限元分析，是提高制动系统制动性能和稳定性的重要举措。论文是以东风德纳TD485后单边驱动桥为研究对象，它是东风德纳车桥有限公司全新开发的重型驱动桥，其制动器总成为渐开线S凸轮式与气动式相结合的干摩擦I从蹄式鼓式制动器。利用ANSYS workbench有限元技术的接触分析对制动鼓较为深入的研究摩擦接触副压力分布和摩擦变形，为制动器往后的结构参数的改进与优化提供了可靠依据。

1 鼓式制动器的力学计算模型

1.1 制动器整体受力分析

为了能更为真实地模拟制动鼓的受力分析，本论文首先建立整体的鼓式制动器模型。论文是以东风德纳TD485后单驱动桥鼓式制动器为研究对象，该制动器的主要参数来源于东风德纳车桥有限公司提供的《东风德纳TD485单边驱动桥使用与维修手册》，其部分主要结构参数如表1所示。

2.2 有限元模型的网格划分

将在UG中装配好的三维有限元模型以TXT的格式导入到ANSYS workbench中，并对模型进行几何处理，为了能准确反映制动鼓的压力分布以及几何变形，采用solid226三维二十节点六面体耦合分析单元，采用切分的方法对其各部件进行网格的划分。其各部件的有限元网格模型，如图7所示。其中制动鼓的网格节点数为74456，单元数为14596；制动蹄的网格节点数为40555，单元数为8360；摩擦片的网格节点数为10976，单元数为2046。在网格划分前定义好制动器各个部件的材料属性、单元类型。

2.3 制动器接触对的建立

制动器在制动的过程中，凸轮推动制动蹄，使用铆钉固定在蹄上摩擦片压向制动鼓，使鼓与片产生挤压和摩擦。利用ANSYS workbench中的connections来定义制动器各部件的接触关系，用以模拟这个复杂的运动过程。在接触对的建立过程中，依据接触分析中目标面和接触面的选取原则[7]，定义接触各部件的目标面和接触面。制动鼓内表面与摩擦片外表面相接触，根据接触原则，定义鼓的内表面为目标面，片的外表面为接触面，设置接触类型为“摩擦”，摩擦系数选取0.38；同理可得，制动蹄与摩擦片的接触，蹄的外表面为目标面，片的内表面为接触面，设置接触类型为“绑定”。根据各部件选取的材料类型，定义制动器各部件接触类型为柔-柔接触类型。

篇12

前言

由于钢结构设计方法及理论的日趋成熟、结构优化设计与计算机辅助设计的迅猛发展，促进了钢结构的广泛应用，目前已成为一种主要的建筑结构类型应用于各个领域。钢结构的结构形式多种多样，主要有：桁架结构、框架结构、网壳结构及支架等。

ANSYS有限元软件是一个通用设计分析程序，可以用来分析超高超限、体系复杂结构的大型有限元软件，在机械、土木、电子及航空等不同领域得到了广泛的应用，在世界范围内已经成为土木建筑行业分析软件的主流。

1设计对象

本文设计对象是为福建某核电站进行配套的安检通道设计，该核电站东临东海，北临晴川湾。该安检通道结构尺寸为11m×4m×2.8m，选用单层框架结构，采用设计及仿真分析相结合的方法，进行整体的设计，从该结构的1：1模型入手，采用AUTOCAD软件进行结构设计，再采用大型有限元分析软件ANSYS进行结构的风荷载作用分析。

2结构设计

1） 主体结构主要为单向受弯，需要有很好的稳定性，故立柱采用H型钢，选择H型钢的好处还在于H型钢截面的惯性中心在结构内部，能够增强结构的稳定性。一般情况下，梁为单向受弯构件，也通常采用H型钢。H型钢的材料在截面上的分布比较符合受弯的特点，用钢较省，而且其比内翼缘有斜坡轧制普通工字钢截面抗弯性能更高，易于与其他构件连接。

2） 通常主结构使用单一钢种以便于工程管理。当强度起主要作用时可选择Q345，稳定控制时宜使用Q235。结合经济性考虑故本结构构件均选用Q235B。

3） 整个结构通过焊接在顶部的六个吊耳进行吊装，强度高。整体结构设计如图1所示。

4.6 风荷载的有限元分析

为设备做充分的安全考虑，整体迎风面积风荷载按设备顶端即Z=2.8m处风荷载值进行计算。同时出于安全性考虑，分析时按2.0KN/m2风荷载施加荷载。

在ANSYS中建立钢架整体计算模型，梁、柱均采用BEAM188单元，作用在钢结构框架上的各种荷载等效离散化为节点力，考虑安装设备重量对整体钢结构框架的影响，采用集中力的方式作用于结构节点上，在ANSYS中直接加载于结构模型节点上，风荷载的计算如前文所示，风向取正Z向。图3～图5为结构的风荷载作用分析结果图，包括结构的变形、等效应力等。

4.7 结果分析

从图3～图5可以看出钢结构框架结构在风荷载组合荷载作用下，变形很小仅为26.337mm。最大等效应力为584.26MPa，最大应力点出现在通道的最右侧迎风面的梁上，通道顶部和主梁的重量通过梁与柱的交点向下传递，因此钢结构框架结构的整体承载力极限状态检验合格。

在风荷载作用下整个框架在背风侧受压力，迎风面受拉力，风荷载是作用在钢架上的主要水平荷载，水平荷载的主要是由主梁和内部的设备安装钢梁来传递的。侧风面的梁均受压力，这主要是由于计算的风向为正Z向，计算结果与理论分析相符合。

从ANSYS的仿真计算结果及结果的分析中可以看出主机组装机钢结构框架结构的内力较大，但由于设计构件强度及尺寸足够大，钢结构框架结构的整体形变及构件的应力、变形均较小，符合规范的要求及实际设备安全运行的需要。

5结论

1）本文根据项目要求对安检通道的钢结构框架进行了结构设计，使其能够满足安检通道对于空间布局、吊装、安装固定等方面的要求；

2）本文使用ANSYS有限元分析软件对钢结构框架结构进行分析验证，充分考虑该安检通道所处的位置对风载荷进行重点考虑，验证结果均能满足项目要求。

参考文献：

[1] GB50009-2001，《建筑结构荷载规范》[S]

[2] GB50017-2003，《钢结构设计规范》[S]