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     你當前的位置:首頁>>Inventor>>Inventor2008機械設計應用教程 有限元分析(1)

                      第17章 有限元分析
         1.基本情況

      這是集成在Inventor中的,著名的ANSYS公司的有限元分析模塊(Stress Analysis)的子集。它的應力分析功能是在Inventor零件環境(普通零件、鈑金零件)的模型上使用添加工況后,計算應力應變、估算安全系數和頻率特性… 大致功能如下:

      ◆零件的應力分析或自振頻率分析;

      ◆可加載力、壓強、軸傳力、扭矩或重力,到模型的點、面、邊或體;

      ◆可添加各種約束到模型上;

      ◆可按應力、應變、安全系數或自振頻率模式,進行分析計算并顯示結果;

      ◆可改變模型幾何結構或分析條件,重新計算分析;

      ◆創建出可保存為 HTML 格式的完整的分析結果報告。

       CAD軟件中能進行的應力分析,會很明顯地支持設計過程中對零部件形狀、尺寸、材料的確認 和選擇。也就是,在工作狀況確定的條件下,配湊得到最為合理的結果,把材料用到應當用到的部分,杜絕傻、大、粗的不良設計。

       進而,可能減少許多過去需要進行的臺架試驗,節省成本,提高可靠性。
       分析結果,作為定量分析,所得到的是近似值;作為定性分析,其結果是相當滿意的。

          2.有限元分析的基本知識

       有限元分析是一種求解工程問題的先進的數值計算方法,應用范圍相當廣泛。它將一個工程系統(例如一個零件),由連續系統轉換成有限元系統(離散系統),使數學問題大大簡化,但計算量卻很龐大。這種計算方法簡單、精度高、通用性強而計算量又很大的工作最適于計算機干。

       有限元系統由節點和元素(即通常說的單元)組成。節點是工程系統的一個點的坐標位置,它具有物理意義的自由度,自由度可以是位移、溫度(熱分析)、電壓、壓力(流力分析)、磁位能(磁分析)等,視不同類型的問題而定。節點又是施加集中力的位置,如施加力、力距、熱流、溫度等。元素是節點與節點連接而成,不同特性的工程系統,選用不同類型的元素,ANSYS提供一百多種元 素。

      也就是說有限元分析把連續的工程系統離散化為節點,而它的幾何外形確與原工程系統相同,節點愈密愈接近原工程系統,計算的精度也愈高,當然計算量也就愈大。

       集成在Inventor中的ANSYS有限元分析只是它的很小一個子集,只有在零件或者鈑金環境中 的應力應變和模態分析,它們是彈性力學范圍內的問題。有下列處理規則:

      ◆線形變形規則

       目前在Inventor提供的應力分析中,只能處理“線性材料特性”的模型。這種材料特性,應 力和應變成比例,并認為材料不會進入到塑性變形范圍,而總是在彈性變形區域內。在這種區域內,材料的應力—應變曲線的斜率為常數時,處于線性變性區間。

      ◆極小變形規則

       這就是說,分析結果的實際變形量,遠小于幾何模型的尺寸。例如對于100x20x10的矩形界面梁,可能的分析結果的變形量,應當遠小于10mm。

      ◆溫度無關性

       因為具有特定材料特性的幾何模型,在溫度的影響下也會變形,而分析系統約定不計算因為溫度造成的任何影響。

       對機械工程師來說,這樣的功能已經很不錯了。有的時可能候覺得這些分析不能滿足需要,還可將結果直接輸入ANSYS中作進一步分析。

       有限元分析的過程是:

      ◆創建一個幾何模型,并賦予它材料和賦予材料的物理和力學特性;

      ◆前處理,施加工況(載荷、約束等邊界條件);

      ◆劃分網格;

      ◆分析計算;

      ◇后處理,處理計算結果。

         2.1 網格劃分

      在分析系統中,被處理的模型被劃分成有限個小的單元結構,稱為網格化。網格的數量越多, 則越加接近模型本身,其數學表達也就越精確,參見圖17-1。
     

         2.2 應力分析的后處理

       分析求解器求解的結果是數據,這是一些不可直接看出結果的東西。所謂“后處理”,是以圖形表達結果的方法,這種結果圖形實際上源自光彈力學模型,用假色彩渲染模型,以顯示應力分布、 變形大小以及其他結果信息。從中可以看到一些典型的結果表達,例如:

     ◆應力集中的位置,這里將是模型強度最差的地方…

     ◆多余材料的位置,這里是模型強度過大的地方,這部分結構從強度角度看并沒有必要…

     ◆其它信息(例如振動)…

         2.3 等效應力

       應力和應變產生在模型節點的各個方向上,這種復雜的現象,常用一種“將應力概括為一個等效應力”的方式處理。應力具有六個分量,將這六個分量組合成單個“等效應力”,得到這個模型的結果應力表達。

         2.4 變形

       這是模型的節點在力的作用下產生形狀改變的距離。這個數據可以知道在何處變形以及變形的大小,也可以知道需要多大的力才能使變形達到某個距離。

         2.5 安全系數

       所有的材料都具有一個應力的極限值,大于這個值的作用力,會使物體產生永久性的形狀改變(塑性變形),這就是材料“屈服”。如果低碳鋼的屈服極限為207MPa,而大于此極限的外力作用 結果,將造成零件的永久性變形。如果外力的作用結果小于屈服極限,在外力撤掉后,零件會恢復原來的樣子。

       所謂安全系數,就是將材料的最大允許應力與計算得到的等效應力之比作為系數;只有安全系數大于1的條件下,設計的模型才是可以使用的結果?紤]到材料特性和計算結果都不可能是很精確的,多數條件下安全系數是取2-4之間的值。
       另外,本應力分析系統不能模擬交變載荷下的疲勞。

         2.6 模態分析

       這是與模型振動頻率特性相關的分析,涉及到模型的自振頻率、隨機振動、沖擊、碰撞條件下的情況,給出模型的相關固有頻率。模型在共振頻率上表現出的位移形狀稱為振形。

          3. 體驗應力分析

       應力分析可以在零件環境中,或者在鈑金環境中執行;需要事先存 在被分析的零件模型,例如打開17-002.IPT。

         3.1 啟用分析功能

       在零件環境下,在下拉菜單中,選擇“應用程序”,展開菜單,從中選定“應力分析”,參見圖17-2。
                

       之后將切換到“應力分析”工具面板,“Inventor標準”工具欄會自動切換到“應力分析標準”工具欄,同時還將顯示應力分析瀏覽器,參見圖17-3。
            3.2 材料確認或設置

       查看瀏覽器中的倒數第二行,確認材料種類;如果需要調整,雙擊材料項目,可彈出“選擇材料”的界面,展開材料列表選擇需要的材料。參見圖17-4。
             

       對于Inventor默認的材料(水),分析功能將自 動識別,并彈出圖17-4右邊的界面,要求用戶選定一種合理的零件材料。

         3.3 零件工況原始條件

       參見圖17-3的零件模型,其中:

      ◆兩個小孔端面是固定端;

      ◆大孔有沿著連接板平行方向的力5000N;

      ◆大孔有沿著孔中心線方向的力750N;

      ◆最小安全系數1.5;

      ◆最大變形不超過0.5mm。

         3.4 添加固定約束

       參見圖17-5,點擊“應力分析”工具面板上的“固定約束”按鈕,將彈出圖示的界面,然后再在模型上選定添加此約束 的面(圖中的綠色面),完成原始工況中條 件1)的設置。
           

       注意:固定約束添加后,不會在模型上 留下標記,需要自己設法記。ɡ绺淖兠 的顏色屬性),也可以在瀏覽器中選定“固 定約束”項,查看模型上醒目顯示的相關面。

       之后按下“確定”,可見瀏覽器中已經具有這個條件了。點擊這個條目,可在模型上醒目顯示相關的面。

       3.5 添加外力

       點擊“應力分析”工具面板上的“力”按 鈕,將彈出圖17-6界面,然后再在模型上選定添加此外力面(大孔的內表面)。
           

       然后輸入力的大小5000N。之后再加載大孔端 面的力750N。具體過程參見001.AVI,其中還演示了如何確認和編輯工況條件。

         3.6 投入分析

       在工具欄中點擊“應力分析更新”按鈕, 然后將開始進行計算處理,并顯示出結果的圖形報告。參見圖17-7。整個過程參見002.AVI.
              

         3.7 分析結果的評估-1:安全系數

       在瀏覽器中雙擊“結果”中的“安全系數”,可見圖17-8的顯示結果。從結果中可以看到,目前的安全系數最小值為1.3,而發生最小值的位置是在深黃色的區域中。
         

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