机械设计有限元分析基本思路介绍
责任编辑:沐小月     时间:2021-11-22     来源:正脉科工 CAE
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分类: 技术分享
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有限元分析是一种数值分析方法,仿真模拟。仿真顾名思义,通过计算机来模仿真实情景,进而达到预先掌握所要分析的工况,以指导实际的工程应用。说的更简单点,设计人员并不能精确的知道设备或者某个零件在实际的工况下是怎么一个工作状态,那么可以在计算机上“制造”出设备可能的工况,并将设备或者零件放置于这个模拟的工况下,看看设备或者零件会发生什么样的变化;是否符合设计人员预想的情况?是否满足设计要求?是否还能进一步优化设计?并且,这个计算机“制造”的工况可以任意调整,或者在没法用实验的方法验证的时候,仿真的优势就显现出来了。


 

那么,有限元分析的基本思路是怎样的呢?根据上文的介绍,主要有三块内容,我简单的称之为有限元三段法“一建二析三计算”:一、建立模型,建立所要分析的具体物体的计算机模型;二、分析工况,将实际的可能的工况全部列出,并按照最恶劣的工况加以安全系数进行计算;三、计算,将得出的工况计算结果导入计算模型中,作为边界条件,对模型进行计算分析,得出结论。

下面详细解释一下“三段法”。

建立模型

建立模型的话,从机械设计角度来说,就是具体的零件、构件或者组件的模型,现在的有限元分析软件都是以三维为基础的,机械设计也是;现在的机械设计已经不像以前的都是二维图纸了,现在的设计都是三维设计,人们能清楚的看到设备或者零件1:1的真实情况,如下图所示,是一台链条提升机的三维模型,就可以清楚看到设备每一个详细的细节。

当然,最简单的做法,是将你手头现有的模型直接用来计算,但是,有些模型是可以直接计算的,有些却不行,需根据具体的条件分析。那么我用这个链条提升机的其中一个零件在分析一下。下图所示,是链条提升机上的一根链轮轴(蓝色零件),链轮安装在轴上,这根轴是无动力轴。

 

可以看到,这个轴是圆轴,根据机械的常识我们知道,在不考虑物体变形的情况下,圆柱与别的物体接触接触的位置是一个点或者一条线,但是实际上我们的零件接触会存在变形,圆柱面也好,与圆柱面接触的面也好,都会在力的作用下发生变形,那么实际接触的就变成面了,这也是我们建模的一个注意点,我们在施加边界条件的时候,施加的力有大小、方向、作用点,那么这个作用点的选取就很讲究了;如果按照理论选取点或者一条直线的话,那么是得不出合适的结果的,拿应力计算来说,应力等于力除以面积,一条直线的面积在计算机中为0,那么应力就会趋于无穷大,这个应力无穷大的点被称为应力奇点,应力奇点的数值是没有参考价值的,所以我们在计算的时候要避免出现应力奇点。那万一出现了应力奇点呢?那也不要太过担心,有些能明显发现是应力奇点并且不影响整体的计算的,可以忽略;如果应力奇点过多,或者在一些关键部位,那表明模型处理的还不够完善,需要进一步处理减少应力奇点。

上图所示的轴的模型应该怎么处理呢?下面我们来分析一下。首先看看这根轴上有没有容易引起应力奇点的地方,比如轴的轴肩部位是否过渡平滑,不平滑的话需要使其过渡平滑,比如倒圆角。其次受力的作用位置是否需要单独处理,我们知道模型上圆柱的外表面是一整个圆柱面,但是实际接触的受力面是一个小平面,那如何处理呢?很简单,只要按照实际的受力位置,如本例中链轮的位置,按照实际链轮的位置裁剪出一个小平面来作为受力面就可以了。

这个接触的面的长度根据轴承或者链轮的长度就可以,至于宽度,根据轴直径的大小选取,这里φ30mm的轴我采用的宽度是2mm,占直径的比例大概在5%~10%之间。这样模型就基本建立好了,然后给与材质等物理属性。

 

分析工况

分析工况,在本例中就是这根轴的工作受力情况,从上面的图我们知道,这根轴受到链条的张紧力,提升的重物压在链条上最终传递到轴上的重力,轴的自重,轴两端轴承的支撑力等静载荷;链条张紧力变化引起的不平衡动载荷,重物放置上去时的冲击载荷,及其他的一些偶然载荷。可以看到,这个轴的受力还是比较复杂的,那么我们是不是有必要将所有的载荷全部都模拟出来呢?答案肯定是否定的,没有这个必要。因为我的前提是辅助设计,并不是学术研究,主要以工程实际应用为主,实际转换中,我们优先计算静载荷,动载荷不大或者说动载荷波动比较稳定,就转化成静载荷考虑。

为什么不计算动载荷和冲击载荷呢?因为计算量太大,而且建模比较繁琐,在这些设备的使用中静应力和刚度满足要求都能满足寿命要求。对应静载荷的工况,添加边界条件就简单的多了:如果是固定支撑就给与固定约束,如果是简支支撑就给与简支支撑;是受力就在力的作用位置按实际受力方向,给定力的大小,如果是受到扭矩,就给与扭矩的大小位置和方向。

 

计算

计算就是在准备好模型和边界条件以后,对这个分析模型导入到计算软件中进行计算。软件有很多种,很多三维设计软件是自带仿真软件的,比如sw的simulation模块,但是毕竟这个不是sw的主业,所以simulation模块并不是很强大,所以稍微有点难度的分析还是要用专业的软件来做,比如ANSYS的workbench平台。软件的使用后面会慢慢介绍,本质就是将实际零件和工况转化为数学模型和边界条件,进行计算分析。


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