机械设计图形处理和性能分析实验有限元虚拟实验.pdf

机械设计图形处理和性能分析实验有限元虚拟实验主要内容1A,使用IDEAS（ProE）和ANSYS进行直齿圆柱齿轮建模和弯曲应力分析1B.使用NASTRAN进行直齿圆柱齿轮建模和弯曲 应力分析2.使用NASTRAN进行一个悬臂梁的静力分析和 计算模态分析3.螺栓联接结构模态分析及（MAC计算加修正，选作）4.一对齿轮啮合接触分析（选作，设计专业必做）5.电子结构随机振动分析（选作）直齿圆柱齿轮建模和齿根弯曲应力分析实验模数m=4mm,齿数z=25,齿宽b=30mm传递扭矩=500 Nm、1000 Nm 1500Nm、2000 Nm（齿顶圆上的集中力按此扭矩计算），按照材料45号钢许用弯 曲疲劳强度（190Mpa）,安全系数1.5,判断是否满足强度要求。要求使用2种以上的网格精度（单元数量,单元类型不同）1.使用 IDEAS(ProE)和ANS YS进行直齿圆柱齿轮建模和弯曲应力分析本部分将利用LDEAS绘制渐开线圆柱齿轮，阐述如何通过函数曲线来建立渐开线圆柱齿轮的端面，然后挤塑成单个的齿体，通过阵列以及布尔运算产生圆柱齿轮，然后转入ANSYS中,求解齿轮的弯曲应力。I-DEAS 10 NX Series：ly Team：Administrator：D:EDSchilun4.mfl-I-DEAS GraphicsI Fil e Edit View Options Tool s Window Hel p1回区 l t5l XDesign Master Modeh 二 U 8田也 口工r身的/B盍 中二n ST国 Qt。W s-ahE)步匚中Q Q 口三|0 j 目:开始 UW 与.fir if.雪机.雪机，-控.0EDS，未.遥L.霰I ch前日e国蠢之1.1齿轮几何建模上图是用范成法加工出来的渐开线齿轮的一个齿槽的端 面图形，它由五段曲线组成。其主要参数为：刀具齿数 27,圆柱齿轮齿数25,模数4mm,压力角20，其它为 标准参数。选择Task Icons中的（曲线函数）I如下图所示。在打开的对话框中选择Algebraic Equation选项，分别输入五 段曲线的函数，并且输入齿轮的齿顶圆，点击Ok返回上一个界 面，然后选中要操作的函数名，点击OK,则在图形窗口中即可画出函数的图形。各曲线段的方程为：CC Section(参数u范围为1.428154.33991)ns=27n2=ns-2m=4k=180/piapf=20/kapfl=pi/2-apfr2=m*n2/2.0cc=0.25rr=ccm/(l-sin(apf)cck=tan(apfl)h=mb=-h-rr*tan(apfl)*siii(apfl)xl=uyl=cckxl+bphai2=(xl+yl*cck)/r2X=xl*cos(phai2)+yl*sin(phai2)+r2*(sin(phai2)-phai2*cos(phai2)y=-xlsin(phai2)+ylcos(phai2)+r2(cos(phai2)+phai2*sin(phai2)A1A2 Section(参数u范围为0.3490661.5708)ns=27n2=ns-2m=4k=180/piapf=20/ksapf=sin(apf)apfl=pi/2-apfr2=m*n2/2.0cc=0.25rr=ccm/(l-sin(apf)cck=tan(apfl)h=mb=-h-rr*tan(apfl)*sin(apfl)xl=rrcos(u)yl=h+rr(sapf-sin(u)phai2=(x 1+y l/tan(u)/r2X=xlcos(phai2)+ylsin(phai2)+r2(siii(phai2)-phai2cos(phai2)y=-xlsiii(phai2)+ylcos(phai2)+r2(cos(phai2)+phai2siii(phai2)Xz1.2在ANSYS中对齿轮进行有限元分析划分网格定义边界条件Sele All Invert定义载荷有限元分析结果IB.使用NASTRAN进行直齿圆柱齿轮有限元分析1.1用proe建立直齿圆柱齿轮几何模型:模数m=4mm，齿数z=25，齿宽b=30mm截出其中三个齿作为模型以供分析，效果图如下:1.2在NASTRAN中建立齿轮的有限元模型L3结果分析Mnx RlndpaL(MO*LAYERED)五Tmrhen 力.22 皿2,S7*00d 2350061 2.13*00G 1.91400:1 89KXi 1 惦1.24：OOE I 02908 79/iOO/l 675：001l 353+001I 31*00J-9MHXM3-3.1400 7 士 38:00,-788 g最大主应力云图要求与机械设计经验公式的求解结果比较1.4思考使用6面体实体单元的模型2.使用NASTRAN进行一个悬臂梁的静力 分析如图所示，求解在力P作用下的 最大应力，已知条件如下：作用力p=1000 N泊松比=0.3 梁的长度L=2000 mm 弹性模量E=2.068 Ell横截面积人=30X50(mm)在练习之后，数值解将与用弹性梁理论计算的解析解进行对比.模态分析结果Defaul t,A1:Mode 1:Freq.=6.159Defaul t,A1:Mode 2:Freq.=10.263Defaul t,A1:Mode 3:Freq.=37.419Defaul t,A1:Mode 4:Freq.=62.264Defaul t,A1:Mode 5:Freq.=101.89Defaul t,A1:Mode 6:Freq.=169.13Defaul t,A1:Mode 7:Freq.=193.39Defaul t,A1:Mode 8:Freq.=302.82Defaul t,A1:Mode 9:Freq.=319.7zuoyelliang dynaics.db-default_viewport 一 default_group-EntityMSC.Patran 2005 r2 22-7Apr-07 19:24:47Deform:Defaul t,A1:Mode 1:Freq.=6.159,Eigerwec tors,Transl ational,4.09-001detaul LDermation:Max 4.09-001 Nd 7zuoyelXiang dynaics.db-default_vieport-default_group-EntityMSC.Patran 2005 r2 227p-07 19:25:64Fringe:Defaul t,A1:Mode 6:Freq.=169.13,Eigenvec tors.Transl ational Magnitude,(NON-LAYERED)De-form:Def au 忙 ALM ode 6:Freq.=169.13,Eigenvec tors,Transl ational,Ho3.300013.08-0012.86-0012.64-0012.42-0012.20-001 1.98-001 1.76-001 1.54-001 1.32-001 1.100018.79-006.59-004.39-002.2000Jdel aufLFringe:Max3,3CH001 Nd7 Min O.Nd 1defaufLDetormation:Max 3.3(001 Nd73.螺栓联接结构模态分析和MAC计算螺栓联接框架模型由两块1600X70义3.5mm长钢板，两块600X70X3.5mm短钢板，四块120X120X6mm的角钢以及16个标准M10螺栓组合而成，重量为lL13Kg。在长钢板、短钢板以及角 钢上相应的位置加工螺栓孔，并通过螺栓联接成一个矩形框架。M10螺栓联接框架有限元 模型矩形框架也可以 I使用梁单元，或其它单元整体螺栓联接框架前7阶模态频率及误差模态 阶次有限 元(Hz)实验值(Hz)模态置 信度 MAC(%)误差(%)15.585.563.59210.129.1710.35315.3114.972.27424.6521.8712.71526.8726.621.356444Q 1 R工6445N QQ平均误差6.03Undeformed Struc ture Geometry显示选项“原形 F节点“坐标系 厂节点号1”标题 F节点索引*V。标适EMA Sel Band MIMO 2:Mode 1-Freq.5.56Hz,Damp.6.47%EMA Sel Band MIMO 1:Mode 2-Freq.21.87Hz,Damp.3.58%EMA Sel Band MIMO 1:Mode 1-Freq.14.97Hz,Damp.5.02%EMA Sel Band MIMO 1:Mode 3-Freq.26.62Hz,Damp.1.39%1.0整体螺栓联接框架模态置信度（MAC）比较Fringe:1,A1:Dyn,Mode=5,Freq=5.58077,Displ ac ement,Transl ation,Fringe:1,A1:Dyn,Mode=8,Freq=15.3148,Displ ac ement,Transl ation,Fringe:1,A1:Dyn,Mode=7,Freq=10.1214,Displ ac ement,Transl ation,整体螺栓联接框架频响函数误差比较Frequency Response Funct iono50整体螺栓联接框架频响函数误差比较Frequency Response Funct ion4选作内容一对齿轮啮合接触和齿根弯曲应力分析大齿轮Z=50 m=4mm b=30 小齿轮 Z=25 m=4mm b=304选作内容一对齿轮啮合接触和齿根弯曲应力分析传递扭矩=500 Nm、1000 Nm、1500 Nm、2000 Nm（齿顶圆上的集中力按此扭矩计算），按照材料45号钢许用弯曲疲劳强度（190Mpa）许用接触疲劳强度（550Mpa）,安全系数L5,判断是否满足强度要求。要求研究局部网格加细变化对接触应力和弯曲 应力分析精度的影响。齿轮啮合应力图3.89+0053.63+0053.37+0053.11+0052.85+0052.59+0052.34+0052.08+00582+00556+00530+00504+0057.78+0045.19+0042.59+004defaul t_Fringe:Max 3,89+005 Nd 953Min 0,Nd 9757 defaul t Deformation:齿轮啮合应力局部放大图3.63+03.37+03.11+0(2.85+002.59+2.34+00508+03.89+00Min(defaul tMax 3,89+1J齿轮啮合位移图2.33-0012.17-0012.02-0011.86-00171-00155-00140-00124-0011.09-0016.21-0024.66-0023.11-0021.55-0025.80-017defaul t_Fringe:Max 2.33-001 Nd211!Min 5.80-017 Nd 9761 defaul t Deformation:2.33-001 9-32-002|7.77-002-电子结构随机振动分析有限元模型：zhengti-motai.db用于校准确认；zhengti-suiji.db 用于随机响应计算zhengti-suiji.db比三维模型两端多了L型角钢，使机箱方便通过压 条紧固在水平振动台上，进行随机试验。其中有两个质量点是模 拟传感器的重量的，如下图：模拟两个传感器重量，不表示参数印告il卡后余:卷rPropertyVal ueEl astic Modul us1400.Poisson Ratio0.30000001Density1.9999999E-009Property Val ueEl astic Modul usPoisson RatioDensity1400.0.300000012.6E-009Property Val ueEl astic Modul us 24049.Poisson Ratio0.49000001Density 2.4E-009铝框架Parv2010(MDEnat d)i0-DM-13l96152Fnn9e O1Jf Al Mode?Freq 18515.E*9enved13 2006 47Fnng Al MM 9 Freq-347 97 Eigenvect ors Translat ional Magnit ude(NON-LAYERED)2Def orm Def auR.Al Mode 9 Freq=347.97.Eigenvect ors.Translat ional,232*001SelBand SIMO:Mode 3-Freq.344.95Hz,Damp.0.37%def aut t _FnngeM001 Nd 27931 Me 6 02*001 Nd 30372 def aUt.Oef ocmat ion图5.13组件1仿真振型和试验振型对比图组件2连接参数校准前后结果对比平均模态阶次试验频率 值/Hz修正前 频率值/Hz修正前 误差/%修正后 频率值/Hz修正后 误差/%1200.24161.48-19.36182.02-9.102320.95291.42-9.20337.925.293353.21311.30-11.87343.99-2.6113.485.67导入联接角钢园Patran 2010File Group Viereort Viewing Display Preferences ToolsHelp Utilities密能寂我 皆密分雪 囱用$9田ea 生咕华 山过尹盘般百遇“4 srt l喈 窗E?U 隹Geo.Ele.Loa.Mat Pro.Loa.Fields dianzijiegou.db-default_viewport-AssociatAc tion:Post|Current Viewport|defaul t_viewportSel ec t Groups to Post Assoc iativel nstanc e,Assoc iativel nstanc e,Assoc iativel nstanc e;Assoc iativel nstanc e;Assoc iativel nstanc e;A L LI LINEsoc iativel nstanc e;TRM_Assoc iativel nstanc e;TRM_S Assoc iativel nstanc e;TRM_SRF defaul t_group dianzimokuai3_L0Fil terSel ec t NoneSel ec t Al lSel ec t Current0lx|Appl yCanc el|uil _viewport_post_groups.posted_groups(defaul t_viewport,1,Assodativel nstanc e;TRM_)。Ne欢 Model Preferenc e Group-For Help,press FlNUME开始 口子您Ff*爱的散文4fit FEjiaoxue*李同玉2014 A大论文一.专机械性能.。说明.pptx园2 Mse.P.，,学未命名未命名由李同玉一.桌面皿 用？夕电声9:21一X,010输入功率谱密度0.01g 人 Hz.001 10.0 100.1000.10000.频率/Hz图5.20功率谱密度曲线（缩小量级）功率谱密度g2/HZH560B-16电动式振动台。Y向随机谱激励当参数值分别为：500Mpa.9e-6t.9e-6t时，计算测点响应；三个参数分别对应zhengti-suiji.db文件中材料canshu2杨氏模量、特性p5、p6质量；171212BMS:22.68,No:262,1仿真响应结果:Power Spec tral Density ResponseAc c el erationTy Y-Sc al e=1/GA210G Level:!RMS Sc al e:12 XDB Name:rms-1,xdb1000.Frequenc y(Hz)10000.0 o.1 1 2 3 5 6 o-oooooooo 1 1 1 1 1 1 1 Mu9suods9tr其中一次随机试验结果:Control,1,2-PSD vs Freq12/13/201302:33:17 PMSave 1 ofoTot al：00:07:15Aut o:00:06:00of 00:06:00St at us：Aut oFINISHEDLevel 0.0 dBRefGRMS3.03ConGRMS3.05Drv Lim：3.00 aDOF:100Lines：1000Res:2.50 HzCont rol:SingleC:1Aut oSaveS：1,2,3,4IUDlcRANDOM SETUP ID:gqt SETUP DESCRIPTION：RUN NAME:runlO CH-1:100.0 mV/gCH-2:10.00 n)V/gCH-3:10.00 roV/gRUN DESC:CH-4:10.00 mV/g实验报告要求1.基本步骤和基本建模模型2.载荷处理和其它边界条件3.与理论解析解的比较，与物理实 验结果的比较。不同网格精度，不同建模方法的比较。对结果的 总评价。4.讨论时间（6月15）5.完成时间（7月15日前）0B St MK St rudw-Mechnul(ANSYS Mult iphyucslHt(A Vt ew Mb Took H0p 9 H/ShowEnors 恒 N 3，N、，hu 二、才，e,一ShowVert ict t i?Wirdrne-V Random Coion Annout ion Pref erwcrI*Ve*M2(Amoc*n0 X QB:Sut ic St wct uril-Mechaniul|AN$Y$Mult iphy$ic$q Hebf t ViewUnit sToobHelp 八冰，Shw Errors N U ,争j中j，t v、)ea,回a。第，d gShowVenice 挛Wiref rame:、M Random Colorj Annot at ion Pref erencw0 X。中人.T/QMf ct_口 5.hof Kt3 NoM(B4).Geont t ry5.ACOOrt f NCt Syf im QP-金 swkst zmral(的 ZAroMB$st nj 5 岛Mert A Support三 4so Mix(四 zJj SoUDnWTmaoon.gD*EDn,Equvalert St T65iSJWHMMhMummVaiM Ow Tim4女003(Aut oS，B,助 uProbe DHpla)AnBon8:St at ic St ruct ural 油 ivalent$t rrs Type EquWen t(wo-Mii)St re4$IWt MP*Time 22016/7/12 18571318 Max 1.34941.1807 1D121 0B4342 0.67477 050611 033746 0.16881 OJ001S369MinMnugetMmujm Graph Mo Mcsag州源a。I SlMK$6KM-MXa l|ANSrS Mt Aiphyt icslF3e Et f t View Unit Took HHp OT/Solve-ShowEnas 1?J A q L 9二:一、敷&a-e G-h 如*Venice 由 WWdumeNo Select ion x TAuUr 8uMet ric(mm,与 M mV,mA)Degrm rV$Cet anOut f ineF pet akoCEquiwt ent SVess-Madmum加WHIM MPaMuimut n Value Ovt r TimeEdgeColo而q，/,/，H HThickenArwout iom x labulir DMaM”39M Gcj ph0 NoMeyesbNoSdect ionMet ric(mm,kg,N,$,mV,mA)Deeet rad/t CehiuiX 0B$Ut kSt ruct ure-Mechanical|AN$Y$Muhiphy$icJ|“E&:View Umu Took Hdp。T,k)lve，Show Error J*1 J 0中八6 3八色人 Vf Undom Colon Annout ion PrHef ence4h Show Vert ices Wiref rameEdqeCot owq /X/H TlMenAir3 i 0d伊,/-，Det A of*quMt ent St reM,3008(mm)3nryim PwIe)1Moii Prert ew/x l4bukr DuMmimum Vlu Ovw Tim*No Select ion N，My、J4rk(mm.Deg rp CHma6.1478e004 MPa6.1478004 MP,6.1478HKM MPa60721 MPaMe$ge$Msm9m 3“hZ*3t gM Mo,，.，1 Probt DWO ah Bodies人 M Random Colors Annot at ion Pref erencesQBf ct_Nvne.rro)KtNoM(M)5 Qqofy9,ACoonMrSyBnB QP,2SU6cnKt inf(B5)岛 Mxnert=Sot ai(B6)/Jj ScMonWcnnat Dn.too Morman.E9*rt SbesB:St it k St ruct uralEquirdent St rewType Equivlent(ron-Miwt)St rexUniEMPTime;236/7/12185843541 Max 4.04813.54223.03 贷 2.5303P.0243眄9 22e*003(Aut o 5 加耳 皿 Pro be细 B 461MH-N0M(B4)E QGeomrovs，人 Cocrdrat t Syems QMsh二石 St at ic Suuct urai(85)二S3佟次EA帛 MomertA f l Support.Soht ion(M)Jj SoLQXi rf onrst on.%ToaDdomaoonB:St at ic St mct uralEquivaient St ress忱 u Equivalent(vco-Mises)St ressTime:22016/7/1218:5560721 Max5.3975472294.04833.37372.69912Q2451.34980.67523600061478 MinDKpiayTimeEquhaKwxvMKs)St ress TimeCAu 募 T*nf HMocy Ve$Dapt r Opt ion lAwraort fofettge Aaoss Boe$NoGomt ry力力t el出:，也EJUt!豆jMeu4gANSY!30XW(mm)d X Tabular DuUc