多约束状态下重载机械式主轴有限元建模及模态分析

重载机械式主轴是重型数控(Computer numerical control,CNC)机床摆角铣头的关键功能部件,具有大功率、大扭矩特点,用于加工大型复杂曲面零件。其有限元建模及模态分析的准确性是主轴进一步动力学分析的基础。基于Timoshenko梁理论建立重载机械式主轴的运动方程,采用有限元法得到主轴的矩阵形式的动力学方程;在有限元软件中分别以实体单元和梁单元对主轴进行有限元建模,对轴承以Combin14弹簧单元建模,并以自由模态和实际工况约束条件下进行重载机械式主轴的模态分析;根据轴承型号计算轴承的径向刚度,作为重载主轴模态分析中弹簧单元的刚度参数;进行主轴锤击模态试验,验证重载机械式主轴多约束状态下模态分析建模及仿真结果的正确性。研究表明,把主轴考虑为Timoshenko梁单元和Beam188梁单元进行主轴有限元建模和模态分析时,结果更为准确,弹簧约束梁方式更符合实际情况。研究结果为重载机械主轴系统的进一步优化设计和精度控制提供依据。     

数控机床固定结合面的建模与特征参数识别

结合面的建模是结合面特征参数识别的关键问题.结合面建模时,分别用传统方法(基于弹簧-阻尼单元)和改进方法(基于接触单元和弹簧-阳尼单元)进行建模.根据两种等效模型,分别建立CK1632数控机床床身与底座固定结合面的有限元模型,用有限元分析软件ANSYS10.0进行模态分析,同时进行结合面参数的优化设计,先优化出刚度,再优化出阻尼值.模态振型分析的结果表明,基于接触单元及弹簧-阻尼单元的结合面模型比较合理.利用ANSYS的命令流输入方法计算出结合面的参数识别结果.这对机床整机动态特性的分析和优化设计具有重要意义.     

RTV胶层有限元建模方法在透射镜结构动力学分析中的应用

对透射镜结构中RTV胶层建模方法进行了研究。详细地阐述了节点相连(忽略胶层材料)、各向同性材料(三层体单元和一层体单元)和各向异性材料建立胶层材料的方法,分别采用三种方法对透射镜镜组建立了有限元模型,并进行了仿真模态分析,同时搭建了模态试验装置,测试了它的模态参数,结果表明,各向异性胶层材料的建模方法得到的一阶自由模态频率与试验测试的一阶自由模态频率误差只有0.3%,而各向同性材料的三层单元和一层单元建模方法、节点相连建模方法的误差分别达到1.8%,1.2%和13.9%。通过分析与测试可以得到,胶层材料在有限元分析当中是不可以被忽略的,综合来看,各向同性材料一层单元的建模方法不但可以减少模型单元数量,同时还可以达到工程应用的精度要求     

基于ANSYS的菱形绕丝式超高压容器2D建模及应力场分析模块开发

考虑到新型菱形绕丝式超高压容器的结构特点,提出参数化建模的思想.通过ANSYS的APDL语言编制出参数化建模的宏命令,开发了该型容器的2D参数化建模模块,成功地解决了对该型容器进行有限元分析时建模繁琐的问题.在输入结构参数后即可自动完成模型构建、接触单元添加、网格划分等整个建模过程,为后续分析节省了大量时间,大大提高了分析效率.     

浮式起重机臂架加强结构不同单元建模计算分析

浮式起重机是一种专门从事起重作业的工程船舶,当其臂架结构采用箱型结构形式时,为保证臂架具有足够的结构刚度,需要在箱型结构内部布置大量的纵向与横向加强筋(角钢),在使用有限元软件进行分析时,如果按照壳单元建立模型,建模工作量会很大,从而降低计算效率。本文针对这种具有梁单元特性的加强筋结构,分别采用梁单元和壳单元进行建模,使用ANSYS软件对臂架结构进行有限元分析,通过对计算结果的分析比对,得到了在不同计算需求下的建模方式,给工程应用提供了合理的指导意见。     

基于ANSYS的准双曲面齿轮建模及有限元分析

针对传统悬臂梁理论计算轮齿弯曲应力的不足,本文在ANSYS软件中采用从低级到高级的建模方法对准双曲面齿轮进行三维实体建模,并对齿轮进行分析,收敛计算到足够的精确度,得到了满意的结果.文中采用了合理的分割方法对轮齿进行切块、选用六面体单元划分网格,根据赫兹理论对齿面瞬时接触椭圆施加半椭球分布压力,分析结果更准确.该建模方法易于实现参数化建模,为复杂零件的三维实体建模提供了一个思路.     

室温硫化胶层建模在透镜结构分析中的应用

对透射镜结构中室温硫化(RTV)胶层建模方法进行了研究。给出了节点相连(忽略胶层材料)、各向同性材料(三层体单元和一层体单元)和各向异性材料建立胶层材料模型的方法,分别采用3种方法对透射镜镜组建立了有限元模型,并进行了仿真模态分析。搭建了模态试验装置,测试了它的模态参数。结果表明,各向异性胶层材料的建模方法得到的一阶自由模态频率与试验测试的一阶自由模态频率误差只有0.3%,而各向同性材料的三层单元和一层单元建模方法、节点相连建模方法的误差分别达到1.8%,1.2%和13.9%。分析与测试结果表明,胶层材料在有限元分析当中是不可以被忽略的;综合分析显示,各向同性材料一层单元的建模方法减少了模型单元数量,且达到了工程应用的精度要求。     

计及二阶效应的刚柔耦合连杆系统动力学分析

根据虚功原理和达郎伯原理推导了计及二阶效应的柔性单元运动方程,并利用刚化条件得到了刚性梁单元运动方程,给出了刚柔耦合连杆系统动力学建模与分析的方法.对构件刚度相差悬殊的多体系统进行动力学分析时,如若当作多刚体系统分析,会因忽略弹性变形导致结果不准确;当作多柔体系统建模分析求解,则因自由度太多导致方程庞大难求解.可行的方法是:将刚性单元与柔性单元耦合建模,在多柔体系统基础上,引入刚性单元和刚性约束条件,对刚性构件自身的动力学特性进行等效,然后按照一般弹性系统有限元方法集成得到虚拟柔性系统动力学方程,建立过渡坐标与广义坐标关系,消除非独立坐标,得到真实的系统运动方程,降低系统方程维数,提高分析效率.以曲柄滑块机构为例,介绍了计及二阶效应的刚柔耦合系统动力学的建模分析过程.     

某型城际动车组牵引变压器冷却单元用离心风机优化设计

介绍了某型城际动车组牵引变压器冷却单元用离心风机优化设计过程,利用CFX数值仿真手段对离心通风机叶轮进行了提高效率的降噪优化设计研究,对原风机进行参数化建模,利用数值仿真计算的方法得到了原始风机叶轮几何参数下的气动性能,在此基础上,根据冷却单元通风系统性能匹配,重新确定叶轮直径、选取风机初始计算参数,并采用响应面法,得到最佳性能的叶轮叶片数量、进口角及出口角。通过选择合适的几何参数,静压效率提升了8.54%,噪声降低了4.47 dB (A),为离心风机的优化设计提供参考。     

基于有限元的圆锥滚子轴承建模研究

圆锥滚子轴承广泛应用于各工程领域,在对含有圆锥滚子轴承的工程实际模型进行仿真分析时,如何有效模拟实际模型中的轴承往往给工程技术人员带来困惑。运用非线性有限元理论,以某风力发电机组主轴系统为分析例子,在MSC.MARC软件中,分别采用变形体单元、Gap单元、刚体面三种建模方法模拟主轴系统中圆锥滚子轴承,对主轴进行静强度分析,并对三种建模方法计算结果进行评价,得到采用Gap单元为圆锥滚子轴承最优建模方案,为工程技术人员处理类似问题提供科学依据,具有工程使用价值。     

基于有限元分析的大型高压釜优化设计

高压釜是压力精炼的核心部件,基于有限元分析结果对一压力精炼用大型、复杂高压釜进行优化设计。首先以重量最小化为目标,建立高压釜优化设计的数学模型;然后应用前处理软件Hy-permesh和有限元软件Abaqus建立高压釜的三维有限元模型;其次基于力学知识和高压釜结构及承受载荷特点,构造优化算法,并应用构造的优化算法对高压釜进行优化设计;最后依据JB4732—1995《钢制压力容器——分析设计标准》中的应力限制对优化设计获得的高压釜进行安全评定。评定结果表明设计的高压釜能够满足安全需要。     

一种分析旋转梁振动的梁柱有限元

针对旋转柔性梁的弯曲振动问题,提出了一种高精度的有限元——梁柱元。根据旋转梁弯曲时与梁柱相同的受力特点,推导了梁柱元弯曲变形的形状函数,采用传递矩阵方法导出了单元的刚度矩阵及相应的一致质量阵。证明了梁柱元刚度矩阵中各元素的泰勒展开式前两项正好是采用常规弯曲梁元形状函数得到的弹性刚度矩阵和几何刚度矩阵对应的元素的和,因而采用梁柱元分析旋转梁元弯曲振动问题具有很好的精度。对铰支和固支旋转梁振动分析的数值算例也证明了这个结论。     

Numerical Method Based on Compatible Manifold Element for Thin Plate Bending

The typical quadrangular and triangular elements for thin plate bending based on Kirchhoff assumptions are the nonconforming elements with low computational accuracy and limitative application range in finite element method(FEM). Some compatible elements can be developed by the means of supplementing correction functions, increasing nodes in element or on the boundaries, expanding nodal degrees of freedom(DOF), etc, but these elements are inconvenient to apply in practice for the high calculation complexity. In this paper, in order to overcome the defects of thin plate bending finite element, numerical manifold method(NMM) was introduced to solve thin plate bending deformation problem. Rectangular mesh was adopted as mathematical mesh to form finite element cover system, and then 16-cover manifold element was proposed. Numerical manifold formulas were constructed on the basis of minimum potential energy principle, displacement boundary conditions are implemented by penalty function method, and all the element matrixes were derived in details. The 16-cover element has a simple calculation process for employing only the transverse displacement cover DOFs as the basic unknown variables, and has been proved to meet the requirements of completeness and full compatibility. As an application, the presented 16-cover element has been used to analyze bending deformation of square thin plate under different loads and boundary conditions, and the results show that numerical manifold method with compatible element, compared with finite element method, can improve computational accuracy and convergence greatly.     

复合材料螺接力学行为精细化有限元分析方法

针对航空用纤维增强树脂基复合材料螺栓连接的力学行为研究难题,采用有限元软件二次开发的方法,提出了涵盖层合板高效建模、扭矩与预紧力关系、钉孔配合间隙与滑移过渡段、渐进损伤判断与性能退化等方面的精细化有限元分析模型。提出了基于应变等效原理的紧固件预紧力-扭矩试验测试方法,降低了紧固件预紧力-扭矩转换精度对数值模拟精度的影响。提出了基于修改螺栓头与层合板接触平面摩擦因数的方法以实现对含钉孔配合间隙的复合材料螺接接头的力-位移响应在滑移过渡段的较好模拟。复合材料单搭接螺接接头单剪试验和有限元预测的力-位移曲线对比结果显示极限载荷最大预测误差为17.2%,证明了所提方法能有效地预测复合材料单钉/多钉螺接结构的力学性能演变规律,且所提方法提高了预测结果与试验结果的匹配度,提升了有限元分析的效率,为航空先进复合材料连接结构的力学行为分析奠定了建模技术基础。     

扁挤压筒应力的光弹性与有限元分析

针对扁挤压筒内应力的解析法求解非常困难，且很难有精确理论解的特点，用光弹性实验方法确定挤压力的作用方式，以此作为有限元计算的边界条件，对扁挤压筒内部应力场进行分析计算。结果表明，实验分析与数值模拟结果吻合较好。采用光弹性和有限元相结合的分析方法，提高了计算的精度，也为挤压模具的优化设计提供了新的途径。     

齿啮式快开压力容器整体有限元塑性载荷分析

通过接触单元来数值模拟啮合齿的接触过程，建立了基于整体有限元分析的齿啮式快开压力容器塑性载荷计算方法。大量实际设计和工程应用表明，按该方法设计的容器满足结构强度和寿命要求。     

应用三维有限单元法计算应力强度因子

描述了两种基于有限单元计算面形裂纹应力强度因子的方法,建议了一种创造三维有限单元网格的途径。计算方法的精度通过和其它解析或数值解的比较得到了说明。     

压力容器不连续区的有限元分析及优化设计

应用有限元分析软件ANSYS对压力容器的不连续区进行有限元分析及优化设计,获得较为精确的应力分布和参数,得到压力容器设计的最佳方案,推动该设计方法在实际工程中的应用。     

薄壁压力容器的有限元建模研究

按照经典力学理论,对于薄壁压力容器的应力分析,大都采用近似数值计算方法,而运用有限元等数值模拟技术,能比较快速、精确地获得工作状态下的应力数值的大小,以此对结构的设计和优化等提供有力的理论支撑。