机械工程中的CAE_第3章.pdf

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1、主讲：主讲：许京荆许京荆 上上海大学机电学院安全断裂分析研究室海大学机电学院安全断裂分析研究室 ANSYSANSYS软件华东区技术支持中心软件华东区技术支持中心 ANSYSANSYS软件华东区培训中心软件华东区培训中心 许京荆，博士, 副高 , 联系方式： 13817609887 ； 本科-哈尔滨工业大学，博士-上海大学，机电学院安全断裂分析研究室， ANSYS软件华东地区技术支持及培训中心, 负责技术支持及ANSYS技 术培训工作。 研究方向：机械设计及理论，有限元分析及应用技术 近年研究方向：材料表面改性，太阳电池，压力容器，化工机械、汽 车电子方面的结构设计及温度/流体等多物理场数值模拟

2、、加工工艺仿 真分析、安全断裂评估研究。 机械工程中的CAE 主讲：许京荆 上海大学机电学院安全断裂分析研究室 课程介绍 课程介绍 工程问题的数学物理方程及数值算法 有限元数值分析技术，重点结构静力分析方法，将 实际工程问题转换为FEA分析模型的求解技术 基于ANSYS Workbench软件平台的实例分析 参考教材 许京荆，ANSYS Workbench 工程实例详解 （CAE分析大系），人民邮电出版社， 2015.5 许京荆，ANSYS 13 Workbench 数值模拟技 术，中国水利水电出版社，2012 考核形式： 平时30%，期末70% 期末为开卷，包含笔试60%、上机操作并提交数值

3、 模拟分析报告40%。 机械工程中的CAE 主讲：许京荆 上海大学机电学院安全断裂分析研究室 教学要求 课程要求机械类学生具备工程设计基础，先修材 料力学、机械设计课程： 熟悉工程问题的数学物理方程及数值算法。 熟悉有限元法基础理论，掌握有限元位移法中矩 阵运算及相关的应力分析、节点、单元、形函数 等概念。 掌握结构静力分析方法及FEA分析模型的求解技术 能运用有限元软件ANSYS Workbench进行工程实 际中单个零件或装配体的结构单场/耦合场的数值 模拟、强度分析、疲劳分析及设计优化。 机械工程中的CAE 主讲：许京荆 上海大学机电学院安全断裂分析研究室 上机安排 上机一：直杆拉伸的轴

4、向变形，P8 1学时 上机二：单轴直杆热传导，P20 1学时 上机三：通电导线传热，P72 1学时 上机四：应用梁单元进行机车轮轴的静强度分析，P93 1学时 上机五：应用3D实体单元进行机车轮轴应力分析，P102 1学时 上机六：应用子模型计算机车轮轴过渡处局部应力，P115 1学时 上机七：应用疲劳工具计算机车轮轴过渡处疲劳寿命，P121 1学时 上机八：千斤顶底座承载模拟 ，P150 1学时 上机九：螺栓联接组件模型分析，P174 2学时 机械工程中的CAE 主讲：许京荆 上海大学机电学院安全断裂分析研究室 上机安排 上机十：卡箍连接模型网格划分，P220 1学时 上机十一：9m单梁吊车

5、弯曲模型及截取边界补强模型的强度分析， P228 2学时 上机十二：2D平面应力模型分析齿轮齿条传动的约束反力矩， P237 1学时 上机十三：卡箍连接模型的多载荷步数值模拟 P242 1学时 上机十四：压力容器开孔接管区静强度分析 ，P249 1学时 上机十五：连杆受压疲劳分析 ，P272 2学时 上机十六：泵壳传热及热应力分析 ，P280 2学时 上机测试 机电学院安全断裂分析研究室 机械工程中的CAE 主讲：许京荆 3.1结构静力分析概述 3.2应力分析及相关术语 3.3 工程案例应用梁单元进行机车轮轴的静强度 分析 机电学院安全断裂分析研究室 机械工程中的CAE 主讲：许京荆 机电学院

6、安全断裂分析研究室 机械工程中的CAE 主讲：许京荆 1.理解问题，提供静力分析需要的参数： 2.工程实际模型简化为分析的物理模型 3.创建分析系统 4.工程数据中定义刚度矩阵K中需要的材料属性。 5.创建或导入刚度矩阵K中需要的几何模型。 6.定义刚体/柔体的零件行为。 7.定义联接关系：接触关系、关节、弹簧、梁连接等。 8.对模型进行网格划分： 结构离散为有限元模型，构造节点位移矩阵u、刚度矩阵K。采用何种单元类型？网格 划分的质量如何？对计算结果的准确性影响很大。 9.创建分析设置： 10.施加载荷及约束，给出方程需要的边界条件，对应在载荷矢量F与位移矢量u中。 11.设置求解选项并求解

7、。 在有限元模型中，对整体平衡方程求解节点位移，每个单元使用插值函数 （形函数N） 计算位移场，如果形函数为线性，则该单元为线性单元或低阶单元，如果形函数为二次 多项式，则该单元为二阶单元或高阶单元。根据应变-位移的几何关系计算应变场，根据 应力-应变关系（线弹性材料模型为Hooke定律）计算应力场。 12. 结果后处理。 结果后处理包括结果云图和动画，对非线性分析，显示随载荷的增加而产生变化的结果 机电学院安全断裂分析研究室 机械工程中的CAE 主讲：许京荆 3.2.1结构失效及计算准则 3.2.2 应力分析 3.2.3 应力及其分类 3.2.4应力集中 3.2.5接触应力 3.2.6温度应

8、力 3.2.7应力状态 3.2.8位移 3.2.9应变 3.2.10线性应力应变关系 3.2.11结构材料的机械性能 3.2.12 强度理论与强度设计准则 机电学院安全断裂分析研究室 机械工程中的CAE 主讲：许京荆 结构失效：一般指零件丧失正常工作能力或达不到设计性能 的要求。 常见失效形式：变形、断裂、腐蚀、磨损、老化、打滑或松 动，也有复合形式的失效； 由于失效类型不同， 防止结构失效的计算 标准也不同，常用计 算准则有：强度准则、 刚度准则、稳定性准 则、耐热性准则、可 靠性准则等。 机电学院安全断裂分析研究室 机械工程中的CAE 主讲：许京荆 应力分析，通过分析和求解机械零件和组件等

9、物体 内各点的应力及应力分布，来确定与机械零件和组 件失效有关的危险点的应力集中、应变集中部位的 峰值应力和应变。 应力 材料发生形变时内部产生了大小相等但方向相反的反作用 力抵抗外力，把分布内力在一点的集度称为应力 【Stress】，应力定义为“单位面积上所承受的附加内力” 机电学院安全断裂分析研究室 机械工程中的CAE 主讲：许京荆 机电学院安全断裂分析研究室 机械工程中的CAE 主讲：许京荆 机电学院安全断裂分析研究室 机械工程中的CAE 主讲：许京荆 机电学院安全断裂分析研究室 机械工程中的CAE 主讲：许京荆 机电学院安全断裂分析研究室 机械工程中的CAE 主讲：许京荆 在孔、槽、螺

10、纹根部、不同直径轴的过渡处及零件形状急剧变化的地方，应力 分布是不均匀的，会产生应力集中。 应力集中区的最大局部弹性应力和名义应力0比值称为理论应力集中系 数KT： = 0 (3.2.6) 名义应力可根据材料力学公式计算，最大应力可由弹性分析方法计算或试验测 定。结构形状变化越厉害，应力集中系数越大，常见结构中， 4 3 3. .2 2. .5 5 接触应力接触应力 结构分析中，当一个零件与另一个零件以较小的接触面积传递力的时候，如齿 轮轮齿间的接触区，球轴承、滚柱轴承接触区、透平机械叶片与轮子卡紧的连接部 位，会产生很大的局部应力，这些应力称为接触应力，为保证接触强度，零件一般 需要进行提高

11、硬度得表面强化处理。 机电学院安全断裂分析研究室 机械工程中的CAE 主讲：许京荆 结构受热膨胀会产生热应变_th： _th=T (3.2.7) 式中：为材料热膨胀系数，T 为温差，如果受热结构被固定，则将产 生压缩温度应力，等于弹性模量E与热应变_th的乘积，即： =ET (3.2.8) 结构冷却时，温度应力为拉应力，如果结构上各点温度不同，或受热组 件由不同热膨胀系数的材料组成时，也会产生温度应力，其中，热膨胀系 数大的零件承受压应力。 其他条件相同时，材料导热性能越好，结构上的受热就越均匀，因而温 度应力也就越低 机电学院安全断裂分析研究室 机械工程中的CAE 主讲：许京荆 应力状态可分

12、为以下3种： 线应力状态（单向应力状态）： 这种应力状态，三个主应力中只有一个不为0，如: 结构受拉伸、压缩、纯弯曲时 的应力状态就是单向应力状态。 平面应力状态（两向应力状态）： 这种应力状态中，三个主应力中有2个不为0，如: 受内压的薄壁容器、旋转轮盘、 处于纯扭转和横向弯曲情况下的杆件，就是处于两向应力状态。任意轮廓的结构表 面没有受到载荷作用的部分也总是处于两向应力状态。 空间应力状态（三向应力状态）： 对于空间应力状态而言，三个主应力均不为0，如：受内压的厚壁容器，不同物 体的接触区，大型零件的芯部等。 机电学院安全断裂分析研究室 机械工程中的CAE 主讲：许京荆 机电学院安全断裂分

13、析研究室 机械工程中的CAE 主讲：许京荆 机电学院安全断裂分析研究室 机械工程中的CAE 主讲：许京荆 机电学院安全断裂分析研究室 机械工程中的CAE 主讲：许京荆 机电学院安全断裂分析研究室 机械工程中的CAE 主讲：许京荆 强度理论表述了对材料破坏现象的各种分析假设。 对静强度分析，材料破坏表现为脆性断裂与塑性屈服，断裂前没有明显的塑性变形 称为脆断破坏; 断裂前有明显的塑性变形称为屈服破坏； 材料危险点的应力状态可能是单向、双向、或三向，材料产生何种形式的破坏与应 力状态有关，如塑性材料处于三向拉伸应力时往往发生脆性破坏，而脆性材料在三向受 压的应力状态，也会出现明显的塑性变形。 材料

14、试验确定了材料破坏的极限应力，如强度极限、疲劳极限等，为使结构正常工作， 最大许用应力要小于规定的极限值，极限应力与许用应力二者的比值称为安全系数n。 对于静应力下的安全系数的确定，极限应力可取强度极限u，或屈服极限s，对于高 温工作的结构，可取一定工作时间的持久静强度或按寿命确定安全系数。对于承受对称 循环交变应力，可取考虑结构应力集中系数、表面状态系数及尺寸影响系数的疲劳极限 （-1）a作为极限应力，其与作用的交变应力幅a 的比值作为安全系数。 适用的强度设计准则一般有以下几种：断裂准则、屈服准则、莫尔准则。 断裂准则：无裂纹体的断裂准则-最大拉应力准则。带裂纹体的断 裂准则-线性断裂力学

15、准则 屈服准则：最大剪应力准则；形状改变比能准则 莫尔准则：适用于拉压强度不相等的材料。 机电学院安全断裂分析研究室 机械工程中的CAE 主讲：许京荆 ANSYS中的应力工具【Stress Tool】可给出采用不同的强度准则时有限元分析结果 具有的安全裕度。为便于工程应用，下面给出各种强度准则的适用范围： 三轴拉伸时，脆性或塑性材料都会发生脆性断裂，应采用最大拉应力准则， 应力工具为【Max Tensile Stress】。 对于脆性材料，在二轴应力状态下应采用最大拉应力准则，如果抗拉压强 度不同，应采用莫尔强度准则，应力工具为【Mohr-Coulomb Stress】。 对于塑性材料，应采用

16、形状改变比能准则，应力工具为【Max Equivalent Stress】或最大剪应力准则, 应力工具为【Max Shear Stress】。 在三轴压缩应力状态下，对塑性和脆性材料一般采用形状改变比能准则。 以下4个算例基于一个工程模型，主要围绕上述结构应力分析涉及的相关概念，采 用不同的有限元建模方式，进行机车轮轴结构静强度计算，并对应力集中处局部应 力评估其疲劳寿命。 机电学院安全断裂分析研究室 机械工程中的CAE 主讲：许京荆 机电学院安全断裂分析研究室 机械工程中的CAE 主讲：许京荆 机电学院安全断裂分析研究室 机械工程中的CAE 主讲：许京荆 多数情况下， 几何模型的三个方 向的

17、尺寸相差不大， 或者需要考虑局部 特征，这样需要采 用3D实体单元进 行分析，下面给出 3D实体单元的应 力分析案例的数值 模拟过程，仍然采 用 3.3.1的模型， 这样可以和梁单元 的计算结果进行对 比，并对3D模型 的相关建模策略、 网格划分及分析结 果加以讨论。 机电学院安全断裂分析研究室 机械工程中的CAE 主讲：许京荆 前面分析可看到 在非应力集中区， 梁模型中的计算 结果与3D实体模 型的计算结果一 致，但在应力集 中处，3D模型得 到的最大应力是 个奇异解，无法 用于强度评定， 需要在轴肩处添 加过渡圆角，将 几何不连续变为 几何连续模型， 才能得到收敛的 应力结果，并将 该结果用于后续 的疲劳寿命计算 机电学院安全断裂分析研究室 机械工程中的CAE 主讲：许京荆 修改模型的过渡 圆角 使用ANSYS的疲 劳工具进行高周 疲劳寿命的计算 疲劳损伤大于1， 安全因子小于1， 都表示疲劳寿命 不能满足设计寿 命1e6次循环的 要求 机电学院安全断裂分析研究室 机械工程中的CAE 主讲：许京荆