機械設(shè)計中復(fù)雜結(jié)構(gòu)有限元分析中問題的處理分析

黃鼎圖　梁宇榮

摘要：隨著計算機技術(shù)不斷發(fā)展，計算機運算能力越來越大，有限元分析在機械設(shè)計作用越來越大。通過有限元軟件，可以準(zhǔn)確的模擬出剛度的性能和強度，從而更好的指導(dǎo)設(shè)計人員對零件進行優(yōu)化設(shè)計，從而達到最小成本設(shè)計，從而滿足產(chǎn)品設(shè)計需求。

1.復(fù)雜結(jié)構(gòu)的子結(jié)構(gòu)分析技術(shù)

（1）復(fù)雜結(jié)構(gòu)的剖分與子結(jié)構(gòu)分析

對于任意一種大型復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，我們都可以將其劃分為若干個部分，這些部分稱為子結(jié)構(gòu)。這些細(xì)分的結(jié)構(gòu)靠著邊界節(jié)點和整體結(jié)構(gòu)相互連接。在該過程中，如果將這些節(jié)點組成一個集合，那么這個集合便是一個復(fù)雜的大型機械結(jié)構(gòu)。在使用過程中，只要將每個節(jié)點剛度效應(yīng)計算出來，并且將其實施在邊界節(jié)點上，這樣就可以解決了大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)分析問題。從而更加準(zhǔn)確的求解出規(guī)模小的邊界問題。當(dāng)然在該過程，還應(yīng)該充分明確子結(jié)構(gòu)和邊界結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系，如果還可以將其分為二級、三級或者更多的子結(jié)構(gòu)，那么可以更加詳細(xì)去分析。但是這個過程需要充分考慮到多重子結(jié)構(gòu)問題。如果使用K表示的是子結(jié)構(gòu)的剛度矩陣，使用u表示子結(jié)構(gòu)的總位移矩陣，P表示的是總荷載矩陣。那么就可以將每個節(jié)點中的剛度矩陣表現(xiàn)出來，它的表示為Ki。一旦邊界節(jié)點的位移己知，結(jié)構(gòu)的內(nèi)節(jié)點的位移便由公式。需要充分明確，子結(jié)構(gòu)僅僅是和邊界相等的邊界荷載矩陣，它對于整體的結(jié)構(gòu)的奉獻是一致的，因此可以稱其為超單元，那么就可以明確出了邊界節(jié)點，就可以得出最終的公式.從子結(jié)構(gòu)中分析得出，該公式主要使用于計算出節(jié)點自由度，從而得出等效矩陣。從研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)各個結(jié)構(gòu)的邊界節(jié)點越來越少時，那么可以知道矩陣的規(guī)模也會比較小。因此，可以看出，想要準(zhǔn)確的劃分出一個復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，就可以將其細(xì)分成很多歌子結(jié)構(gòu)，這是一個最常使用的方法。該過程中，應(yīng)該盡量控制子結(jié)構(gòu)內(nèi)部節(jié)點規(guī)模，保障邊界節(jié)點數(shù)比較少。

（2）子結(jié)構(gòu)的變換與組裝

在一般整體結(jié)構(gòu)分析中，使用了四種坐標(biāo)系。其中，節(jié)點坐標(biāo)系確定了節(jié)點自由度的方向：元素坐標(biāo)系規(guī)定了元素剛度（載荷）矩陣與子結(jié)構(gòu)之間的變換矩陣：子結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系將確定子結(jié)構(gòu)等效邊界剛度（載荷）矩陣向整體結(jié)構(gòu)的組裝的變換矩陣：整體坐標(biāo)系通常取世界系。

2.建模分析

（1）應(yīng)用梁單元分析

應(yīng)用梁單元可以模擬結(jié)構(gòu)，在同一方向上，長度明顯大于其他方向的尺度，而且沿著應(yīng)力方向，這是時候的應(yīng)力是最關(guān)鍵的。梁理論基本都是假設(shè)變量關(guān)系，在由結(jié)構(gòu)變形來判斷。這些變量都是沿著結(jié)構(gòu)長度進行的，而且會有對應(yīng)的函數(shù)。為了使得梁理論產(chǎn)品可以被接受，橫截面積尺度應(yīng)該小于結(jié)構(gòu)典型軸向尺度的十分之一。梁單元假設(shè)在垂直方向上，它的梁軸線還同平面保持平衡，那么就需要保障整個網(wǎng)格的精細(xì)度，網(wǎng)格應(yīng)該將梁單元包含在內(nèi)。梁單元的曲率都是根據(jù)梁n2進行確定選擇的。如果當(dāng)n2的方向和梁軸正交時，那么可以將其認(rèn)定為初始彎曲。但是曲率計算方式比較多，想要計算出直梁組成結(jié)構(gòu)的曲率，需要模擬出直梁的平均化線法，這樣才可以引入曲率。使用應(yīng)用梁作為殼體模型時，需要使得梁單元的節(jié)點都處于橫截上。當(dāng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件常常出現(xiàn)承受扭矩問題時，幾乎所有的三維框架結(jié)構(gòu)都會出現(xiàn)該情況，當(dāng)一個構(gòu)件出現(xiàn)彎曲時，另一個構(gòu)件會出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)。在該環(huán)節(jié)中需要充分考慮到成型性能和強度。選擇材料顯得至關(guān)重要，將其定位為一般工程的鋼材，它自身具備的強度、承載沖擊力性能都比較好。

（2）有限元件分析

第一，需要確定出單元類型。因為有限元分析一般都是分析空間問題比較普遍，那么就應(yīng)該充分考慮到計算時間和計算精度問題，選擇的單元模型是BRICKSOLID45。

第二，建立模型。因為使用的材料是復(fù)雜鋼材，在實際使用過程中，應(yīng)該保證在不變形的情況下使用，而且最好選擇彈性材料，做好參數(shù)設(shè)置。

第三，建立模型。在Pro/E中，機械是由幾個裝配研制而成。需要導(dǎo)入的ANSYS，一般也是單獨的個體，但是進行有效元件分時，需要將這些零件組合成一個整體，這樣才更好的進行約束。建立起真實的模擬圖形，可以根據(jù)以下菜單執(zhí)行。MODELING一0PERATE--BOOLEAN--GLUE—VOLUME，選擇所有零件之后，就可以點擊確定，完成了該步驟之后，零件裝配就可以變成一個整體。

第四，網(wǎng)格設(shè)置。使用第一步驟中的單元類型和材料性能，選擇出專門的實體，這樣就可以準(zhǔn)確的對機械進行網(wǎng)格劃分。在劃分中還應(yīng)該明確，邊界條件和載荷。因為當(dāng)機械主要受力是在背面，當(dāng)受到荷載力橫向彎曲力時，根據(jù)板殼理論，近似認(rèn)為后板是四邊鉸支的薄板結(jié)構(gòu)。當(dāng)考慮到工作中會受到集中荷載力影響時，就需要進行模擬分析，這樣就可以將荷載力放置在隨機區(qū)域內(nèi)，在進行模擬分析的時候，就應(yīng)該將把載荷加載在會導(dǎo)致機械變形最大的位置， 這樣才能保證設(shè)計的零件能滿足要求。

（3）3D模型分析

需要明確的是，Pro/E在建立復(fù)雜3D模型方面功能很強，因此可以在Pro/E中建立起完整的3D模型。機械由幾個零件裝配而成，借助ANSYS軟件可以設(shè)置新的文檔接口類型，這樣就可以在菜單中進行自由選擇，選擇ANSYS--GEOM選項時，就可以將裝配的原圖放置其中，那么該模型就會自行的轉(zhuǎn)化成了ANSYS格式。ANSYS會自動將程序進行啟動，在使用下拉菜單就可以顯示出實體模型效果。有限元件分析就可以執(zhí)行。

3.結(jié)束語

隨著社會不斷發(fā)展，計算機技術(shù)得以廣泛使用，計算機技術(shù)提升工作效率。文章分析了有限元在機械設(shè)計中發(fā)揮出的作用，這個作用越來越明顯，越來越強大?；谟邢拊A(chǔ)上，使得機械設(shè)計問題更加簡單化。

參考文獻

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