叶轮有限元分析.docx
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叶轮有限元分析
JIANGSUTEACHERSUNIVERSITYOFTECHNOLOGY
本科毕业设计(论文)
叶轮有限元分析
学院名称:
机械与汽车工程学院
专业:
机械设计制造及其自动化
班级:
07机制3W
学号:
姓名:
指导教师姓名:
指导教师职称:
二〇一一年六月
叶轮有限元分析
摘要:
有限元法是将求解域看成由许多有限元的子域组成,对每一单元假定一个合适的近似解,求解这个域总的满足条件,从而得到问题的解。
此分析基于UGNX3.0软件,对叶轮进行分析,主要介绍了有限元的总体概述,在学会网格划分和结构静力学分析的前提上,对叶轮进行强度校核,根据疲劳分析云图,从有限元分析结构中找出叶轮设计的薄弱环节,改进叶轮的结构,会使用表达式抑制较小的倒圆。
关键词:
有限元分析;网格划分;结构静力学;强度校核
TheImpellerOfFiniteElementAnalysis
Abstract:
FiniteElementAnalysisisregardedthesolutionofthefiniteelementdomainasconstitutionofmanysub-domains.Firstofall,weassumeasuitablyapproximativelysolutionforeachunit,andthensolvetheunitforthetotalsatisfactionofthefieldconditions,finallygettheresultofthesolution.
ThisanalysisoftheimpellerisbasedonUGNX3.0software,itintroducesageneraloverviewofthefiniteelementandbasedonthefatigueanalysisofnodalscalarweknowhowtocheckthestrengthoftheimpeller.Fromthestructureoffiniteelementanalysis,wecouldidentifytheweaklinksoftheimpellerdesign,improvethestructureoftheimpellerandwecanusetheexpressioninhibitionofasmallerrounding.
Keywords:
FiniteElementAnalysis,Meshing,,StaticStructure,Strengthcheck
目录(3号黑体居中)
前言1
第1章有限元总体概述2
1.1有限元分析概述2
1.2UG软件简介5
1.3本课题主要目的5
第2章有限元网格划分6
2.1网格化概述6
2.23D网格四面体6
2.2.1划分失败的单元6
2.2.23D网格对话框6
2.2.33D网格化方法7
2.2.4创建3D四面体网格7
第3章叶轮疲劳分析8
3.1结构静力学8
3.1.1创建有限元模型8
3.1.2分析任务信息具体对话框20
3.2疲劳分析基础知识21
3.2.1疲劳分析概述21
3.2.2疲劳分析主要参数22
3.2.3疲劳分析操作流程24
3.2.4疲劳分析操作步骤25
第4章预期成果29
4.1根据有限元分析结构找出叶轮设计的薄弱环节29
4.2用表达式抑制较小的倒圆29
4.2.1用表达式抑制较小的倒圆的操作步骤29
第5章总结与展望31
参考文献33
致谢34
前言
本课题的目的是了解有限元分析法,掌握UG分析软件UGNX3.0对产品疲劳分析和结构优化的基本方法和过程,并能利用大学所学习的力学原理对分析结果进行简单判断,及早发现设计缺陷,改进和优化设计方案,证实未来工程/产品的可用性和可靠性。
通过对此课题的学习,巩固大学所学的专业知识,进一步加深对这一领域和自己工作内容的了解,并对以后的工作和学习能有所帮助和提高。
论文以通用分析软件UGNX3.0在工程分析中的运用为背景,具体以叶轮疲劳分析和结构优化分析为实例,详细介绍UGNX3.0软件的操作方法和目的。
本说明书共分为四章,第一章有限元总体概述;第二章有限元网格划分;第三章叶轮疲劳分析;第四章总结与展望。
通过有限元法来计算产品/零件的疲劳性能,主要用来预测零件结构中强度不安全的区域,或者预判零件是否存在疲劳破坏的隐患,而实际中的零件由于材料的非线性,不均匀性或者存在其他的组织缺陷,想要准确判断它的疲劳寿命,还需要进一步通过实验来验证。
第1章有限元总体概述
1.1有限元分析概述
有限元分析(FEA,FiniteElementAnalysis)的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。
它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成,对每一单元假定一个合适的(较简单的)近似解,然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件),从而得到问题的解。
这个解不是准确解,而是近似解,因为实际问题被较简单的问题所代替。
由于大多数实际问题难以得到准确解,而有限元不仅计算精度高,而且能适应各种复杂形状,因而成为行之有效的工程分析手段。
有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。
有限元的概念早在几个世纪前就已产生并得到了应用,例如用多边形(有限个直线单元)逼近圆来求得圆的周长,但作为一种方法而被提出,则是最近的事。
有限元法最初被称为矩阵近似方法,应用于航空器的结构强度计算,并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。
经过短短数十年的努力,随着计算机技术的快速发展和普及,有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域,成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。
有限元方法与其他求解边值问题近似方法的根本区别在于它的近似性仅限于相对小的子域中。
20世纪60年代初首次提出结构力学计算有限元概念的克拉夫(Clough)教授形象地将其描绘为:
“有限元法=RayleighRitz法+分片函数”,即有限元法是RayleighRitz法的一种局部化情况。
不同于求解(往往是困难的)满足整个定义域边界条件的允许函数的RayleighRitz法,有限元法将函数定义在简单几何形状(如二维问题中的三角形或任意四边形)的单元域上(分片函数),且不考虑整个定义域的复杂边界条件,这是有限元法优于其他近似方法的原因之一。
对于不同物理性质和数学模型的问题,有限元求解法的基本步骤是相同的,只是具体公式推导和运算求解不同。
有限元求解问题的基本步骤通常为:
第一步:
问题及求解域定义:
根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域。
第二步:
求解域离散化:
将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限个单元组成的离散域,习惯上称为有限元网络划分。
显然单元越小(网络越细)则离散域的近似程度越好,计算结果也越精确,但计算量及误差都将增大,因此求解域的离散化是有限元法的核心技术之一。
第三步:
确定状态变量及控制方法:
一个具体的物理问题通常可以用一组包含问题状态变量边界条件的微分方程式表示,为适合有限元求解,通常将微分方程化为等价的泛函形式。
第四步:
单元推导:
对单元构造一个适合的近似解,即推导有限单元的列式,其中包括选择合理的单元坐标系,建立单元试函数,以某种方法给出单元各状态变量的离散关系,从而形成单元矩阵(结构力学中称刚度阵或柔度阵)。
为保证问题求解的收敛性,单元推导有许多原则要遵循。
对工程应用而言,重要的是应注意每一种单元的解题性能与约束。
例如,单元形状应以规则为好,畸形时不仅精度低,而且有缺秩的危险,将导致无法求解。
第五步:
总装求解:
将单元总装形成离散域的总矩阵方程(联合方程组),反映对近似求解域的离散域的要求,即单元函数的连续性要满足一定的连续条件。
总装是在相邻单元结点进行,状态变量及其导数(可能的话)连续性建立在结点处。
第六步:
联立方程组求解和结果解释:
有限元法最终导致联立方程组。
联立方程组的求解可用直接法、选代法和随机法。
求解结果是单元结点处状态变量的近似值。
对于计算结果的质量,将通过与设计准则提供的允许值比较来评价并确定是否需要重复计算。
简言之,有限元分析可分成三个阶段,前处理、处理和后处理。
前处理是建立有限元模型,完成单元网格划分;后处理则是采集处理分析结果,使用户能简便提取信息,了解计算结果。
1.2UG软件简介
UG为机械制造企业提供包括从设计、分析到制造应用Unigraphics软件、基于Windows的设计与制图产品SolidEdge、集团级产品数据管理系统iMAN、产品可视化技术ProductVision以及被业界广泛使用的高精度边界表示的实体建模核心Parasolid在内的全线产品。
UG在航空航天、汽车、通用机械、工业设备、医疗器械以及其它高科技应用领域的机械设计和模具加工自动化的市场上得到了广泛的应用。
多年来,UGS一直在支持美国通用汽车公司实施目前全球最大的虚拟产品开发项目,同时Unigraphics也是日本著名汽车零部件制造商DENSO公司的计算机应用标准,并在全球汽车行业得到了很大的应用,如Navistar、底特律柴油机厂、Winnebago和RobertBoschAG等。
UG进入中国已经近十个年了,其在中国的业务有了很大的发展,中国已成为远东区业务增长最快的国家。
UGNX是面向企业的CAD/CAM/CAE一体化软件,其中,有限元分析,在多年的发展过程中逐渐吸收和集成了世界优秀有限元软件(MSC.Nastran、I-deals、Adina、LS-DYNA等)的众多功能和优点,特别是它的结构分析功能具有计算精度高,运行速度快,操作界面友好的优势,得到了航空航天、国防、车辆、船舶、机械和电子等众多行业的接受和认可。
1.3本课题主要目的
本课题的目的是了解有限元分析法,掌握UG分析软件UGNX3.0对产品疲劳分析和结构优化的基本方法和过程,并能利用大学所学习的力学原理对分析结果进行简单判断,及早发现设计缺陷,改进和优化设计方案,证实未来工程/产品的可用性和可靠性。
通过对此课题的学习,巩固大学所学的专业知识,进一步加深对这一领域和自己工作内容的了解,并对以后的工作和学习能有所帮助和提高。
论文以通用分析软件UGNX3.0在工程分析中的运用为背景,具体以叶轮疲劳分析和结构优化分析为实例,详细介绍UGNX3.0软件的操作方法和目的。
第2章有限元网格划分
2.1网格化概述
网格化是有限元建模过程的阶段,其中,可将一个连续结构(模型)拆分成有限数量的区域。
这些区域称为单元,并由节点连接在一起。
创建一个较好的有限元网格是分析过程中最关键的步骤之一,因为有限元结果的精度部分取决于网格的质量。
设计仿真中可以使用的网格化功能允许在体积上自动生成一个3D(实体)网格,软件在模型的多边形几何体上直接创建所有网格。
2.23D四面体网格
上面已经介绍了什么叫网格化,下面重点介绍3D四面体网格的划分,
3D四面体网格功能支持创建4节点和10节点的四面体单元。
2.2.1失败的单元
网格化后,根据最大雅可比阈值检查单元质量:
1)如果质量测量大于此阈值,则以红色高亮显示该单元。
2)如果质量测量在该阈值的10%以内,则以黄色高亮显示此单元。
如果质量糟糕的单元数量很多,则可以:
1)进一步理想化部件的几何体,以移除有问题的区域。
2)修改曲面或实体网格大小变化,改善节点分布。
3)使用抽取工具来改善多边形几何的质量。
4)如果单元质量在模型的该区域不是很关键,则提高最大雅可比的阈值。
2.2.23D网格化方法
1)有限元模型工具条→
(3D四面体网格)
2)插入→网格→3D四面体网格
2.2.33D网格对话框
表2-1划分网格对话框
图标
选项
描述
类型
指定要创建的3D四面体单元的类型。
全局单元大小
调节整个实体上四面体单元的边长。
如果局部单元大小未定义用于实体上任何边或面,则使用全局单元大小可确定单元的大小。
自动检查大小
检查选定的几何体,并计算推荐的全局单元大小。
全局单元大小字段更新,显示推荐的单元大小。
预览
沿要要网格化的实体边,显示一个近似密度。
圆或蓝色节点沿边放置,表示将创建网格节点的近似位置。
中节点
从下拉列表中,选择一个选项,指定如何将十节点四面体单元中节点投影到几何体上:
混合:
如果单元上的中节点投影到几何体上不会使其雅可比值超出最大雅可比阈值,则就进行投影。
可选地,在最大雅可比字段中输入其它值,可以修改雅可比阈值。
曲线:
所有中节点都投影到几何体,而不管产生的单元质量如何。
线性:
所有中节点都位于两个拐角节点之间的直线上。
最大雅可比
当最大雅可比阈值大于任何给定单元的阈值,并且中节点设置成混合,则单元的中节点不会投影到几何体。
体积网格大小变化
控制四面体单元朝网格内部延伸。
在最小值和最大值之间选择一个值:
最小值:
四面体单元在整个体上的大小保持近似固定。
最大值:
四面体单元迅速朝体的中央延伸。
2.2.4创建四面体网格
1)单击
(3D四面体网格)。
2)在图形窗口中,选择要网格化的实体。
3)在对话框中,从下拉列表中选择一个单元类型。
4)输入一个单元大小。
或者,单击
,让软件计算合适的单元大小。
5)单击预览,查看边上产生的用于网格的节点。
如果不理想,则可以修改全局单元大小值。
6)单击【确定】或【应用】,生成网格。
第3章叶轮疲劳分析
3.1结构静力学
在进行疲劳分析时,我们需要对其前期做一些工作,先对其进行结构静力学分析,其分析步骤如下:
3.1.1创建有限元模型
1)打开UG软件,进入UGNX3.0界面,单击【文件】中的【打开】,在我的文档中选择打开yelun.prt的文件,选择【确定】按钮,此时叶轮三维图形导入到UG界面中。
2)单击界面上的【应用】中的【结构分析】,此时弹出【创建解法对话框】,解算器选择结构P—E,如图3-1所示,
图3-1创建解法对话框
3)在右上角的空白处右击出现一系列的按钮对话框,选择【模型准备】和【有限元模型】按钮,分别弹出对话框,如图3-2所示
图3-2模型准备及有限元模型
4)单击【有限元模型对话框】中的【材料属性】
按钮,为零件添加材料,此时弹出【材料】对话框,在材料库中选择材料,单击
按钮,出现【搜索关键字】对话框,如图3-3所示,单击【确定】,出现【搜索结果】对话框,选择49号材料,如图3-4所示,单击【确定】按钮,出现【材料】对话框,如图3-5所示,单击零件,选择【确定】按钮,完成给零件添加材料
图3-3搜索关键字对话框
图3-4在材料库中选择的材料
图3-5材料对话框
5)单击【有限元模型对话框】中的【载荷】
按钮,为零件添加载荷,弹出【载荷对话框】,类型选择法向压力,施加20000N的压力,如图3-6所示,单击【确定】,此时零件的加载效果图如图3-7所示,完成加载过程。
图3-6载荷对话框图
图3-7加载后的零件效果
6)单击【有限元模型对话框】中的【约束】
按钮,为零件添加约束,弹出【约束对话框】,如图3-8所示,对零件需要约束的部位进行约束,单击【确定】按钮,完成约束。
图3-8约束对话框
7)单击【有限元模型对话框】中的【3D四面体网格】
按钮,为零件划分网格,弹出【3D网格对话框】,单击叶轮零件,设置全局单元尺寸大小为0.8000,如图3-9所示,单击【确定】按钮,对叶轮零件进行网格划分,得到的网格划分效果图如图3-10所示。
图3-93D网格对话框
图3-10网格划分效果
8)单击【有限元模型对话框】中的【材料属性】
按钮,为网格添加材料,此时弹出【材料】对话框,如图3-11所示,单击叶轮零件,选择【确定】按钮,完成给网格叶轮零件添加材料。
图3-11材料对话框
9)单击界面上的【分析】【解算】,弹出【解算对话框】,如图3-12所示,单击【确定】,弹出【任务分析监视器】对话框,点击Scenario1-Solution1-Completed,再点击【分析任务分析】按钮,此时弹出【信息】对话框,如图3-13所示,,再点击【检查分析质量】对话框,出现【消息】和【信息】对话框,如图3-14和图3-15所示。
图3-12解算对话框
图3-13信息对话框
图3-14消息对话框
图3-15信息对话框
10)单击【导航器】中的result此时会出现各种云图,云图有Displacement-Nodal、Rotation-Nodal、Stress-ElementNodal、Strain-ElementNodal、StrainEnergy-Element、StrainEnergyDensity-Element、AppliedLoad-Nodal、AppliedMoment-Nodal、ReactionForce-Nodal、ReactionMoment-Nodal,如图3-16﹑3-17、3-18、3-19、3-20、3-21、3-22、3-23、3-24、3-25所示。
图3-16最大节点位移云图
图3-17最大旋转节点云图
图3-18冯氏应力云图
图3-19冯氏应变云图
图3-20应变能单元节点云图
图3-21应变能密度单元节点云图
图3-22最大载荷云图
图3-23施加瞬时单元节点云图
图3-24最大反作用力云图
图3-25最大瞬时反作用力节点云图
11)点击菜单栏上的【工具】中的【创建报告】,打开【导航器】中的Report,点击菜单栏中的【工具】中的【结果】,然后到【动画】,依次对各个云图进行动画演示,然后点击【导航器】中的【图像】进行【快照】,记录各个云图的运动过程。
12)点击菜单栏上的【工具】中的【导出报告】,得到报告。
13)点击菜单栏中的【工具】中的【结果】,然后到【完成后处理】,此时完成结构静力学分析。
3.1.2分析任务信息具体对话框如下所示:
列出信息创建于:
Administrator
日期:
2011-5-3016:
03:
00
当前工作部件:
C:
\DocumentsandSettings\Administrator\MyDocuments\yelun\scenario_1.sim
节点名:
1672887816ad41e
============================================================
读取结构P.E.日志文件。
检查文件中更详细的内容:
C:
\DocumentsandSettings\Administrator\MyDocuments\yelun\scenario_1-Solution_1.log
日志文件
StructuresP.E.v3.0.0.15124
BeginAnalysisMonMay3016:
03:
022011
CommandSummary
(-job)jobname=ugfea_solver
(-dat)datafile=scenario_1-Solution_1.dat
(-vdm)vdmfile=scenario_1-Solution_1.vdm
(-log)logfile=scenario_1-Solution_1.log
(-out)outfile=scenario_1-Solution_1.out
(-ooc)oocfile=ugfea_solver.ooc
(-nor)shellnormal=0
(-sol)solver=6
(-ord)ordering=0
(-mem)memory(MB)=64
(-cac)cache(KB)=512
(-unr)unroll=4
(-prt)printlevel=2
UserTime:
0.0000e+000seconds,SystemTime:
3.0000e-002seconds
ReadModelData
模型汇总
Numberofnodes=98902
Numberofelements=61569
3.2疲劳分析基础知识
3.2.1疲劳分析概述
疲劳是产品/零件失效最常见的方式之一,引起疲劳失效的机理和因素比较复杂,因此必须遵循客观规律和按照严格的分析程序进行失效分析和疲劳预测。
而近年来发展的将有限元法和疲劳机理分析结合的计算机仿真技术,无以为解决实际中的疲劳问题提供了经济、有效的分析和评判工具,
疲劳寿命可定义为零件由于循环加载而逐渐疲劳,导致裂纹的扩展,最终导致结构断裂和破坏。
结构疲劳分析是一种工具,用于在各种简单或复杂加载条件(也称为疲劳载荷循环)中评估设计结构的强度或者耐久性。
通过软件疲劳解算后,计算结果通过云图、等值线图显示在出现裂纹之前,结构可承受循环载荷的持续时间。
疲劳计算是基于结构裂纹损伤积累的原理,根据应力—寿命曲线图或者应变—寿命曲线图来估计该零件的疲劳寿命,计算过程中将输入数据处理成峰顶或者峰谷。
对循环周期进行计数,从而计算出结构的疲劳寿命。
3.2.2疲劳分析主要参数
在创建好有限元模型的基础上,进行后续的疲劳分析需要提供材料疲劳属性参数和定义疲劳载荷变量特性;在疲劳解算过程中,载荷变量还和其他疲劳判据(疲劳寿命准则)相结合,才能完成疲劳解算,从而评估结构的耐久性。
(1)疲劳材料属性
疲劳材料属性参数是疲劳分析计算的基础。
这些参数是通过实验手段,将标准试样施加动态周期载荷(如拉伸、弯曲和扭转),直到出现裂纹或者断裂时得到的。
机械产品中常见的材料疲劳属性参数由疲劳强度系数、疲劳强度指数、疲劳塑性系数和疲劳塑性指数4个参数组成。
借组这些参数,才可以对相应材料的产品/零件做疲劳性能的模拟计算和评估分析。
当然软件在进行疲劳计算时,除了上述4个疲劳材料属性参数之外,还需要弹性模量、泊松比、屈服强度和抗拉强度极限等材料属性参数,一起参与计算。
另外软件采用应力寿命准则计算疲劳寿命时,疲劳塑性系数和疲劳塑性指数不参与计算。
(2)疲劳载荷变量
疲劳分析的目的就是模拟零件在一段时间内可以承受重复的、周期变化的载荷,循环中随时间而变的载荷称为载荷变量。
载荷变量包括周期函数、循环次数和缩放因子3个参数。
1)载荷的半周期或者全周期函数
半周期载荷函数是指结构初始时处于静止状态或者应力释放状态。
结构被简单的加载至最大应力,然后卸载返回到平衡状态。
全周期载荷函数是指结构弹变过程类似于正
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