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1、结构分析的计算机方法题 目：基于HYPERWORKS 对拉杆进行有限元分析的研究姓 名： 学 号：201103710070班 级：2011级机械（2）班指导老师： 2012年8月31日基于HYPERWORKS 对拉杆进行有限元分析的研究1 问题的描述拉杆如图1所示，其中D1=20mm，D2=50mm，L0=200mm，L1=250mm，L2=450mm，R=15mm，P=4500N，材料为Q235，杨氏模量E=2.1e11N/m2。拉杆的左右端面上施加载荷p，在拉杆的对称中心平面上施加轴对称约束，在静力分析下，求载荷下的应力和变形，并进行强度校核和刚度分析。 拉杆的结构图 1拉杆的结构D1D2
2、L0L1L2Rp20502002504501535000单位：长度单位为mm，压力p 的单位为N。工作载荷：拉杆的左右端面上施加载荷p。边界条件：在拉杆的对称中心平面上施加轴对称约束。分析内容：静力分析在拉力p的作用下，拉杆的应力和变形，并进行强度校核和刚度分析。2 分析模型采用的单元类型：三维实体单元PSOLID划分的单元数：7776划分的节点数：9793加载的约束：在拉杆的轴中间平面上约束其所有节点的X身向平动加载的载荷：在拉杆的两个端面的节点上分别加载向外的拉力，每个节点加的力为241.37N。3 模型的创建过程3.1 CAD模型的创建本文的CAD模型的创建将使用的是pro4.0版软件进
3、行创建。3.2 CAE模型的创建3.2.1 导入文件（1）将三维CAD的模型保存为lagan.igs文件。（2）启动Hypermesh：选择Optistruct模板，进入Hypermesh程序窗口。Hypermesh程序主界面如图1所示。图1 模板选择（3）程序运行后，在下拉“File”的下拉菜单中选择“Import”，在标签区选择导入类型为“Import Geometry”,同时在标签区点击“Select files”对应的图形按钮，从弹出的文件选择对话框中，找到并打开“lagan.igs”,文件，点击“Import”按钮，将几何模型导入到“Hypermesh”中，导入界面及模型如下图2所示
4、。图2 导入几何模型（4）几何模型的编辑。由于拉杆的几何形状比较规则，并且中心对称，因此在进行网格划分过程中，可能只画出全部网格的1/8，然后再进行三次镜像即可。首先进行几何切分。1）曲面形体实体化。点击页面菜单“Geom”，在“Geom”页面菜单对应的面板中点击“Solids”按钮，在弹出的子面板中选择“surfs”，然后选择图形区的任意表面，则所实体被选择，点击“create”,然后点击“return”，如图35所示。图3 Geom页面菜单及对应的面板图4 solids按钮命令对弹出的子模板图5 实体化操作界面2）临时节点的创建。点击页面菜单“Geom”，在“Geom”页面菜单对应的面板中
5、点击“nodes”按钮，在弹出的子面板中选择“on line”，选择如图6所示的5根线，点击“create”，然后点击“return”，这样就创建节点完成。图6 临时节点创建操作界面3）节点编号显示。点击页面菜单“Tool”，在“Tool”页面菜单对应的面板中点“numbers”在弹出的子面板中钩选“number display”，点击“nodes”，在弹出列表中选择“all”点击“on”按钮，将节点显示出来，然后点击“return”按钮。如图7和图8所示。图7 Tool 页面菜单及其对应的面板图8 节点编号显示操作界面4）几何模型切割。点击页面菜单“Geom”，在“Geom”页面菜单对应的面
6、板中点击“solid edit”按钮，在弹出的子面板中选择“trim with plane/surf”选项，点击“with plane”下的“solids”，在弹出的选项里面选择“all”，点击下面的“N1”，然后依次点击如图8所示1，2 ，3，8号节点，点击“trim”，完成实体第一次分割，如图9所示。其切割原理：前面的三个点（N1,N2,N3）确定一个工作平面，然后过最后一个点（B）点平行于所定义的平面。结果是，实体在过B点的平面处分割，完成第一次切割（黄色线条所示平面为切割面）。同理，运用这个方法进行4次的分割，得到图10所示的12个组成部分。图9 实体的第一次切割操作界面图10 实体的
7、第四次切割操作界面。5）临时节点的清除。点击页面菜单“Geom”，在“Geom”页面菜单对应的面板中点击“temp nodes”按钮，在弹出的子面板中点击“clear all”按钮，点击“return”按钮，清除所有的临时节点。6）多余实体的隐藏。将多余的部分隐藏，按下快捷键F5，进入“Mask”面板，选择“mask”选项，点击向下三角，选择“solids”，在图形区选择多余的部分，点击“Mask”按钮，点击“return”按钮，将多余的实体隐藏，只保留图11所示的1/8部分。图11 实体隐藏操作界面（5）材料属性及单元属性的创建。选择下拉菜单“materials”，选择“create”，在弹
8、出的材料定义对话面板中单击“mat name=”，并输入“steel”，设置下面的颜色，选择红色。点击“card image=”选择“MAT1”，然后点击“create/edit”按键，进入材料属性定义面板，输入材料参数，如图12和图13所示。图12 材料创建操作界面图13 定义材料为侣的操作界面选择下拉菜单“Propertise”，选择“create”，在弹出的对话面板中单击“Prop name=”并输入“1”，设置下面的“color”为蓝色。点击“card image=”，选择“PSOLID”,点击“material=”为“steel”输入图14所示参数，然后“create”完成单元属性定
9、义。图14 单元属性创建操作界面（6）划分网格。为了得到较好的有限元模型，采用对几何模型进行分段划分网格，拉杆中间较细部分为一段，圆角部分可以分为两段，最后拉杆的最外部分为一段。1）二维临时组的创建。点击工具栏中的“components”工具按钮，选择“create”在面板中单击“compname=”并输入“2D-1”,点击“color”为黄色，点击“property=”按钮，选择“1”，点击“create”按钮，然后点击“return”按钮，如图15所示。图15 临时2D-1组创建界面2）临时节点的创建，如第一次创建节点一样，然后显示节点数，将细杆部分时行分割，如图16所示。图16 细轴局部
10、切割操作界面3）细轴二维辅助单元的创建。点击状态栏中“set current component”，在弹出的子面板中选择刚刚创建的“2D-1”组，将其设为当前组件。点击页面菜单“2D”，在“2D”页面菜单对应的面板中点击“atuomesh”按钮，在弹出的子面板中设置“elemsize=2.000”，如图17所示。在图形区选择细杆的一端面点击“mesh”按钮，调整所有边上的数字（单击鼠标左键数字会增加，单击鼠标右键数字会减少），使网络较为规则，点击“return”按钮，再次点击“return”按钮。完成后的网格如图18所示。图17 细轴端面二维网格划分操作界面图18 生成的细轴端部二维辅助网格4
11、）二维辅助单元的投影复制。点击页面菜单“Tool”，在“Tool”页面菜单对应的面板中点击“project”按钮，在弹出的子面板中再选择“to plane”选项，点击向下的三角，选择“elems”，选择刚划分的“2D”网格，再点击“elems”按钮，在弹出的菜单中选择“duplicate”以及“original component”；点击“to plane”下的“N1”依次选择16，17，18，16号节点，点击“along vector”下的“N1”，依次选择18号节点和与之对应的端部网格的最下角节点，点击“project”按钮，然后点击“return”按钮，这样就将细轴端部的网格投影到了16
12、，17，18号节点所在的扇形面上，投影后的结果如图19所示图19 投影后的二维网格5）3D组的创建。如创建2D一样。“name=”为“3D-1”，“color”为黄色。6）细轴三维网格划分。点击页面菜单“3D”，点击“line drag”，在面板中选择“drag elems”，选择刚刚创建的二维网格，“line list”选择细轴下部的边界线，如图20所示，点击“drag”，然后点击“return”。图20 line drag生成的实体单元7）圆角部分网格的划分。点击“3D”选择“solid map”，在面板中选择“general”选项，“source geom”选择“surf”，选择16，1
13、7，18号节点所在的扇形面；“dest geom”，选“surf”，选择圆角切分形成的扇形面，“along geom”选“lines”，依次选择连接两个面的两根圆弧和直线如图21所示点击“elems to drag”，点击“elems”，选择16，17，18号节点的网格，然后点击“mesh”，完成3D网格。图21 solid map生成的弧形段实体单元8）圆角后半部分和端部中心部分单元的创建。在刚刚创建的3D网格末端创建一个临时的2D网格。点击“Tools”，选择“faces”，在弹出的面板中选择“elements”，选择上一步创建的最右端一层实体单元如图22所示，点击“find faces”
14、按键，完成2D临时网格。图22 创建临时表面单元操作界面以刚刚创建的临时表面网格为基础，向右拉伸一个三维网格，些操作跟细轴部分拉伸一样。结果如图23所示 图23 line drag生成的端部中间单元9）端部外围单元的创建。点击“Geom”，选择“surface edit”，在子面板中选择“trim with nodes”，“two nodes”分别选择刚刚生成3D单元的右上部最外端部沿轴向的两个节点，点击“return”。将“2D-1”设为当前组件。将杆端右上角区域划分网格，调整数字，使网格规则，该操作与第一次创建网格一样，结果如图24所示。图24 automesh网格划分操作界面将“3D-1
15、”设为当前工作组件，点击“3D”，选择“spin”，子面板中选择“X-axis”，点击“B”，鼠标选择轴线上任意一个点，作为回转基点，“angle”输入“90”，“on spin”输入“6”，其基本设置如图25所示，点击“spin+”完成。图25 spin命令参数设置10）单元移动。点击“Tools”上的“organize”按钮，在子面板上选择“spin elements”，再点击“elems”按钮，从弹出的选项中选择“by collect”，从列表中选择“3D-1”、“solidmap”组，点击“dest componet=”，选择“3D-1”组，点击“move”，完成单元移动。如图26所示
16、图26 organize命令操作界面11）辅助单元及components的删除。在“Tools”中选择“deleted”在子面板中选择“comps”然后点击“comps”，在列表中选择“solidmap”、“2D-1”和“faces”，点击“select”，返回上一级，点击“delete entity”，完成。12）模型的镜像。点击“Tools”上的“reflect”按钮，在子面板中选择“elems”，然后点击“elems”按钮，选择“all”，再次点击“duplicate”,选择“original comp”；点击模型表面任意不共线的四个点，点击“reflect”完成第一次镜像，如图27所示
17、，同理再镜像二次，得到最后的图28图27 第一次镜像的模型图28 第三次镜像的模型13）删除临时节点和节点合并。临时节点的方法与上面的一样，这里不作详细介绍。点击“Tools”中的“edges”按键，点击“elems”选择“all”，在“tolerance”里面输入“1”，点击“preview equiv”按钮，然后点击“equivalence”，再点“return”，如图29所示。图29 edges操作界面（7）载荷、约束的创建。点击工具栏中的“loadcollectors”工具按钮，选择“create”，“loadcol name=”输入“spc”，“color”为红色，点击“create
18、”。再次在“loadcol name=”输入“force”，“color”为绿色，点击“create”，完成载荷的创建，如图30所示。图30 load collectors创建界面（8）添加约束和载荷。在键盘中点“G”设“SPC”为当前载荷，然后点击“Anslysis”，在“Anslysis”页面中点击“constraints”，在子面板中选择“create”点击向下三角按钮从弹出的选项中选择“nodes”，在图形区选择中心对称面上的所有节点，具体设置如图31设置。图31约束施加操作界面在键盘上点击“G”,设“force”为当前载荷。然后点击“Anslysis”选择“force”，再选择“cr
19、eate”，进行设置（注意力的方向），具体如图32所示。图32 左右端面力施加操作界面(9)载荷工况的创建。点击“Anslysis”，在面板中选择“loadsteps”按钮，在弹出的子面板在“name=”里面输入“case”，在“SPC”前面点钩，“=”后面，从列表中选择“spc”；在“LOAD”前面点钩，“=”后面，从列表中选择“force”。如图33所示。然后点击“edit”，从子面板中拖动上下拖动条钩选“Output”，选中“Output”中的“Displacement”和“Stress”进行设置，具体如图34所示。图33 工况创建图34 输出结果文件格式定义对话框4 分析计算点击页面菜
20、单“Anslysis”，在“Anslysis”的面板中点击“Opti Struct”按钮，在子面板中，“input files”取默认设置，也可自定义路径，直接点击“Opti Struct”按钮，进行计算，设置如图35所示图35 OptiStruct操作界面5 结果分析当运算完毕，直接在“Opti Struct”界面点击“HyperView”按钮就可以启动HyperWorks的后处理器HyperView，进行结果的查看拉杆的X方向变形分布如图36所示，拉杆结构的X方向应力分布如图37所示。图中灰度的变化原为彩色，可与计算软件提供的色谱对照查看应力的数值。图36 拉杆X方向变形分布图37 拉杆X方向应力分布6 结论按材料的屈服强度系数及安全系数=1.33，则许用应力为176Pa，而计算中最大的应力为118Pa, 没有超过许用应力，所以该拉杆满足强度要求。