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第17章 有限元分析 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。 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。 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。 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 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 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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“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）。
“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.
