机械设计图形处理和性能分析实验南京航空航天大学研究生实验课程汇报.docx
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机械设计图形处理和性能分析实验南京航空航天大学研究生实验课程汇报
机械设计图形处理和性能分析实验-南京航空航天大学研究生实验课程汇报
研究生实验课程汇报
课程名称：
机械设计图形处理和性能分析实验
学生姓名：
晋晓飞
学号：
SX1503224
专业：
生物医学工程
研究方向：
生物机械接口
导师：
王浩
2016年7月
实验一
一、实验名称
使用IDEAS/ProE和ANSYS进行直齿圆柱齿轮建模和弯曲应力分析。
二、实验目的
有限元分析（FEA）是对物理现象（几何及载荷工况）的模拟，是对真实情况的数值近似。
通过划分单元，求解有限个数值来近似模拟真实环境的无限个未知量。
借助有限元分析软件进行结构静力与结构动力分析可以节省大量的时间。
通过本实验可以熟悉有限元软件ANSYS与Proe的使用。
三、实验要求
1、使用Proe进行直齿圆柱齿轮建模；
2、使用ANSYS进行齿根弯曲应力分析。
具体参数及要求如下：
a：
模数m=4mm，齿数z=25，齿宽b=30mm；
b:
传递扭矩＝500Nm、1000Nm、1500Nm、2000Nm（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。
c：
要求使用2种以上的网格精度（单元数量，单元类型不同）。
四、实验原理
4.1Proe软件简介
Pro/Engineer操作软件是美国参数技术公司（PTC）旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。
Pro/Engineer软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位。
Pro/Engineer作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。
Pro/Engineer和WildFire是PTC官方使用的软件名称，但在中国用户所使用的名称中，并存着多个说法，比如ProE、Pro/E、破衣等等都是指Pro/Engineer软件，proe2001、proe2.0、proe3.0、proe4.0、proe5.0、creo1.0\creo2.0等等都是指软件的版本。
Pro/E采用了模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。
1．参数化设计
相对于产品而言，我们可以把它看成几何模型，而无论多么复杂的几何模型，都可以分解成有限数量的构成特征，而每一种构成特征，都可以用有限的参数完全约束，这就是参数化的基本概念。
但是无法在零件模块下隐藏实体特征。
2．基于特征建模
Pro/E是基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。
这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。
3．单一数据库（全相关）
Pro/Engineer是建立在统一基层上的数据库上，不像一些传统的CAD/CAM系统建立在多个数据库上。
所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。
换言之，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。
4.2ANSYS软件简介
ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。
由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS公司开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer，NASTRAN，Alogor，I-DEAS，AutoCAD等，是现代产品设计中的高级CAD工具之一。
软件主要包括三个部分：
前处理模块，分析计算模块和后处理模块。
前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。
软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。
该软件有多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY等。
目前版本为ANSYS6.1版，其微机版本要求的操作系统为WindowsNT或Windows2000,也可运行于UNIX系统下。
微机版的基本硬件要求为：
显示分辨率为1024×768，显示内存为32M以上，硬盘大于10G，推荐使用17英寸显示器。
ANSYS软件提供的分析类型如下：
（1）结构静力分析
用来求解外载荷引起的位移、应力和力。
静力分析很适合求解惯性和阻尼对结构的影响并不显著的问题。
ANSYS程序中的静力分析不仅可以进行线性分析，而且还可进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析。
（2）结构动力学分析
结构动力学分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。
与静力分析不同，动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。
ANSYS可进行的结构动力学分析类型包括：
瞬态动力学分析、模态分析、谐波响应分析及随机振动响应分析。
（3）结构非线性分析
结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化。
ANSYS程序可求解静态和瞬态非线性问题，包括材料非线性、几何非线性和单元非线性三种。
（4）动力学分析
ANSYS程序可以分析大型三维柔体运动。
当运动的积累影响起主要作用时，可使用这些功能分析复杂结构在空间中的运动特性，并确定结构中由此产生的应力、应变和变形。
（5）热分析
ANSYS程序可处理热传递的三种基本类型：
传导、对流和辐射。
热传递的三种类型均可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。
热分析还具有可以模拟材料固化和熔解过程的相变分析能力以及模拟热与结构应力之间的热－结构耦合分析能力。
（6）电磁场分析
主要用于电磁场问题的分析，如电感、电容、磁通量密度、涡流、电场分布、磁力线分布、力、运动效应、电路和能量损失等，还可用于螺线管、调节器、发电机、变换器、磁体、加速器、电解槽及无损检测装置等的设计和分析领域。
（7）流体动力学分析
ANSYS流体单元能进行流体动力学分析，分析类型可以为瞬态或稳态。
分析结果可以是每个节点的压力和通过每个单元的流率。
并且可以利用后处理功能产生压力、流率和温度分布的图形显示。
另外，它还可以使用三维表面效应单元和热－流管单元模拟结构的流体绕流并包括对流换热效应。
（8）声场分析
程序的声学功能用来研究在含有流体的介质中声波的传播，或分析浸在流体中的固体结构的动态特性。
这些功能可用来确定音响话筒的频率响应，研究音乐大厅的声场强度分布，或预测水对振动船体的阻尼效应。
（9）压电分析
程序主要用于分析二维或三维结构对AC（交流）、DC（直流）或任意随时间变化的电流或机械载荷的响应。
这种分析类型可用于换热器、振荡器、谐振器、麦克风等部件及其它电子设备的结构动态性能分析。
可进行四种类型的分析：
静态分析、模态分析、谐波响应分析、瞬态响应分析。
五、实验内容
本部分将利用Proe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。
5.1直齿圆柱齿轮的绘制
打开Proe软件，在工具—参数中设置齿轮参数。
如图1.1所示。
图1.1齿轮参数设置
其中模数m=4mm，齿数z=25，齿宽b=30mm。
其余如d（分度圆直径）、db（基圆直径）、da（齿顶圆直径）、df（齿根圆直径）使用关系式进行尺寸赋值。
输入关系式生成四个同心圆。
点击窗口“创建基准曲线”按钮，选取“从方程”，确定，选取模型树中的坐标系，类型为圆柱坐标系后弹出程序运行框和记事本，在记事本中输入渐开线方程，创建基准平面，修剪齿形，拉伸基准圆成实体，然后复制齿槽。
生成的齿轮如图1.2所示.
图1.2齿轮整体
在整个齿轮中截取三个齿，如图1.3所示。
图1.3三齿部分
5.2在ANSYS中对齿轮进行有限元分析
将在Proe中绘制的三齿齿轮导入到ANSYS软件中，并对其进行受力的有限元分析。
分别使用1mm和2mm的网格精度对其进行网格化。
如图1.4和1.5所示。
图1.41mm精度网格化
图1.52mm精度网格化
施加四种不同的传递扭矩，即传递扭矩＝500Nm、1000Nm、1500Nm、2000Nm（齿顶圆上的集中力按此扭矩计算），对各个扭矩的作用力进行有限元分析。
实验结果如图1.6所示。
图1.6有限元分析结果
a：
500Nm时的有限元分析结果；b：
1000Nm时的有限元分析结果；
c：
1500Nm时的有限元分析结果；d：
200Nm时的有限元分析结果。
六、实验总结分析
四种扭矩对应的作用力下进行有限元分析的数据结果如表1.1示。
表1.1有限元分析数据结果
扭矩
应力有限元数据结果
500
1.518
1.3494
1.1807
0.84342
0.50611
0.33746
0.16881
0.00015369
1000
3.0361
2.6938
2.3615
1.6868
1.0122
0.67402
0.33761
0.00030739
1500
4.5541
4.0481
3.5422
2.5303
1.5183
1.0124
0.50642
0.00046108
2000
6.0721
5.3975
4.7229
3.3737
2.0245
1.3498
0.67523
0.00061487
对上表进行分析可知，扭矩500Nm时的最大应力为1.518N/m2，最小应力为0.00015369N/m2；扭矩越大，有限元分析得到的数据结果越大，而且扭矩成比例增加时，对应得到的有限元分析结果的数据也在以相应的比例增加，即应力分布与载荷分布呈线形分布。
实验二
一、实验名称
使用NASTRAN进行一个悬臂梁的静力分析和计算模态分析。
二、实验目的
有限元分析（FEA）是对物理现象（几何及载荷工况）的模拟，是对真实情况的数值近似。
通过划分单元，求解有限个数值来近似模拟真实环境的无限个未知量。
借助有限元分析软件进行结构静力与结构动力分析可以节省大量的时间。
通过本分析可以熟悉有限元软件nastran的使用。
三、实验要求
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=1000N；
泊松比μ=0.3；
梁的长度L=2000mm；
弹性模量E=2.068E11；
横截面积A=30×50（mm）；
四、实验原理
4.1MSC.Patran软件简介
MSC.Patran作为一个优秀的前后之处理器，具有高度的集成能力和良好的适用性：
自动有限元建模:
MSC.Patran的新产品中不断增加了很多更灵活更方便的智能化工具,同时提供了自动网格及工业界最先进的映射网格划分功能,使用户快速完成他们想做的工作。
同时也提供手动和其它有限元建模方法，满足不同的需求。
分析的集成：
MSC.Patran提供了众多的软件接口，将世界上大部分著名的不同类型分析软件和技术集于一体，为用户提供一个公共的环境。
这样可以使用户不必担心不同软件之间的兼容问题，在其它软件中建立的模型，在MSC.Patran中仍然可以正常使用，非常灵活。
用户也能够根据多种类型的仿真结果对产品的整体设计给出正确的判断,进行相应的改进，这就大大的提高了工作效率。
用户可自主开发新的功能：
用户可将MSC.Patran作为自己的前后置处理器,并利用其强大的PCL（PatranCommandLanguage）语言和编程函数库把自行开发的应用程序和功能及针对特殊要求开发的内容直接嵌入MSC.Patran的框架系统,或单独使用或与其它系统联合使用。
这样，MSC.Patran又成为用户二次开发的一个良好平台，可以为用户提供更强大和更专业的功能。
分析结果的可视化处理：
MSC.Patran丰富的结果后处理功能可使用户直观的显示所有的分析结果,从而找出问题之所在，快速修改，为产品的开发赢得时间，提高市场的竞争力。
MSC.Patran能够提供图、表、文本、动态模拟等多种结果形式，形象逼真、准确可靠。
Patran的主要功能有：
开放式几何访问及模型构造；
各种分析的集成；
有限元建模；
分析条件定义；
结果交互式可视化后处理；
PATRAN-PCL命令语言等。
4.2MSC.NASTRAN软件简介
MSC.NASTRAN是一具有高度可靠性的结构有限元分析软件,有着36年的开发和改进历史,并通过50,000多个最终用户的长期工程应用的验证。
MSC.NASTRAN的计算结果与其它质量规范相比已成为最高质量标准,得到有限元界的一致公认。
通过无数考题和大量工程实践的比较,众多重视产品质量的大公司和工业行业都用MSC.NASTRAN的计算结果作为标准代替其它质量规范。
MSC.NASTRAN被人们如此推崇而广泛应用使其输入输出格式及计算结果成为当今CAE工业标准,几乎所有的CAD/CAM系统都竞相开发了其与MSC.NASTRAN的直接接口,MSC.NASTRAN的计算结果通常被视为评估其它有限元分析软件精度的参照标准,同时也是处理大型工程项目和国际招标的首选有限元分析工具。
MSC.NASTRAN全模块化的组织结构使其不但拥有很强的分析功能而又保证很好的灵活性,用户可针对根据自己的工程问题和系统需求通过模块选择、组合获取最佳的应用系统。
此外,MSC.NASTRAN的全开放式系统还为用户提供了其它同类程序所无法比拟开发工具DMAP语言。
MSC.NASTRAN的主要动力学分析功能如：
特征模态分析、直接复特征值分析、直接瞬态响应分析、模态瞬态响应分析、响应谱分析、模态复特征值分析、直接频率响应分析、模态频率响应分析、非线性瞬态分析、模态综合、动力灵敏度分析等。
4.3实验步骤。
1.创建有限元模型（利用patran可建立有限元模型）；
–创建或读入几何模型；
2.施加载荷进行求解（本分析主要采用patran完成）；
–施加载荷及载荷选项；
3.查看结果（本分析主要采用nastran完成）；
–查看分析结果。
五、实验内容
5.1悬臂梁模型绘制
打开Patran软件，输入以下参数：
泊松比μ=0.3；梁的长度L=2000mm；弹性模量E=2.068E11；横截面积A=30×50（mm）；生成悬臂梁模型如图1.1所示。
图1.1悬臂梁模型
5.2网格化
对生成的模型划分有限元网格，建立网格种子，如图1.2所示。
图1.2网格模型
5.3应力有限元分析
施加作用力P=1000N；进行有限元应力分析，结果如图1.3所示。
图1.3有限元应力分析
5.4模态分析
第一阶模态分析如图1.4所示。
图1.4一阶模态分析
第六阶模态分析如图1.5所示。
图1.5六阶模态分析
六、实验总结
进行模态分析可以评估结构的动力学特性。
如安装在结构上的旋转设备，为避免其过大的振动，必须看转动部件的频率是否接近结构的任何一阶固有频率。
也可以评估载荷的可能放大因子。
使用固有频率和正交模态，可以指导后续动态分析（如瞬态分析、响应谱分析、瞬态分析中时间步长t的选取等）。
实验三
一、实验名称
螺栓联接结构模态分析。
二、实验目的
有限元分析（FEA）是对物理现象（几何及载荷工况）的模拟，是对真实情况的数值近似。
通过划分单元，求解有限个数值来近似模拟真实环境的无限个未知量。
借助有限元分析软件进行结构静力与结构动力分析可以节省大量的时间。
进行模态分析可以更好的评估结构的动力学特性。
三、实验要求
如图所示，螺栓联接框架模型由两块1600×70×3.5mm长钢板，两块600×70×3.5mm短钢板，四块120×120×6mm的角钢以及16个标准M10螺栓组合而成，重量为11.13Kg。
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。
四、实验原理
模态分析是研究结构动力特性一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。
模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。
这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。
这个分析过程如果是由有限元计算的方法取得的，则称为计算模态分析；如果通过试验将采集的系统输入与输出信号经过参数识别获得模态参数，称为试验模态分析。
通常，模态分析都是指试验模态分析。
4.1有限元分析
利用有限元分析模型确定模态试验的测量点、激励点、支持点（悬挂点），参照计算振型对测试模态参数进行辩识命名，尤其是对于复杂结构很重要。
利用试验结果对有限元分析模型进行修改，以达到行业标准或国家标准要求。
利用有限元模型对试验条件所产生的误差进行仿真分析，如边界条件模拟、附加质量、附加刚度所带来的误差及其消除。
两套模型频谱一致性和振型相关性分析。
利用有限元模型仿真分析解决实验中出现的问题。
4.1.1动态数据的采集及频响函数或脉冲响应函数分析
（1）激励方法。
试验模态分析是人为地对结构物施加一定动态激励，采集各点的振动响应信号及激振力信号，根据力及响应信号，用各种参数识别方法获取模态参数。
激励方法不同，相应识别方法也不同。
目前主要由单输入单输出（SISO）、单输入多输出（SIMO）多输入多输出（MIMO）三种方法。
以输入力的信号特征还可分为正弦慢扫描、正弦快扫描、稳态随机（包括白噪声、宽带噪声或伪随机）、瞬态激励（包括随机脉冲激励）等。
（2）数据采集。
SISO方法要求同时高速采集输入与输出两个点的信号，用不断移动激励点位置或响应点位置的办法取得振形数据。
SIMO及MIMO的方法则要求大量通道数据的高速并行采集，因此要求大量的振动测量传感器或激振器，试验成本较高。
（3）时域或频域信号处理。
例如谱分析、传递函数估计、脉冲响应测量以及滤波、相关分析等。
4.1.2建立结构数学模型
根据已知条件，建立一种描述结构状态及特性的模型，作为计算及识别参数依据。
目前一般假定系统为线性的。
由于采用的识别方法不同，也分为频域建模和时域建模。
根据阻尼特性及频率耦合程度分为实模态或复模态模型等。
4.1.3参数识别
按识别域的不同可分为频域法、时域法和混合域法，后者是指在时域识别复特征值，再回到频域中识别振型，激励方式不同（SISO、SIMO、MIMO），相应的参数识别方法也不尽相同。
并非越复杂的方法识别的结果越可靠。
对于目前能够进行的大多数不是十分复杂的结构，只要取得了可靠的频响数据，即使用较简单的识别方法也可能获得良好的模态参数；反之，即使用最复杂的数学模型、最高级的拟合方法，如果频响测量数据不可靠，则识别的结果一定不会理想。
4.1.4振形动画
参数识别的结果得到了结构的模态参数模型，即一组固有频率、模态阻尼以及相应各阶模态的振形。
由于结构复杂，由许多自由度组成的振形也相当复杂，必须采用动画的方法，将放大了的振形叠加到原始的几何形状上。
以上四个步骤是模态试验及分析的主要过程。
而支持这个过程的除了激振拾振装置、双通道FFT分析仪、台式或便携式计算机等硬件外，还要有一个完善的模态分析软件包。
通用的模态分析软件包必须适合各种结构物的几何物征，设置多种坐标系，划分多个子结构，具有多种拟合方法，并能将结构的模态振动在屏幕上三维实时动画显示。
五、实验内容
5.1螺栓联接框架有限元模型绘制
按照实验要求中的参数，绘制出的螺栓联接框架如图1.1所示，并进行有限元分析，有限元模型如图1.2所示。
图1.1螺栓联接框架
图1.2螺栓联接框架有限元模型
5.2ANSYS模态分析
模态分析用于确定设计结构或机器部件的振动特性（固有频率和振型），即结构的固有频率和振型，它们是承受动态载荷结构设计中的重要参数。
同时，也可以作为其它动力学分析问题的起点，例如瞬态动力学分析、谐响应分析和谱分析，其中模态分析也是进行谱分析或模态叠加法谐响应分析或瞬态动力学分析所必需的前期分析过程。
ANSYS的模态分析可以对有预应力的结构进行模态分析和循环对称结构模态分析。
前者有旋转的涡轮叶片等的模态分析，后者则允许在建立一部分循环对称结构的模型来完成对整个结构的模态分析。
ANSYS提供的模态提取方法有：
子空间法（subspace）、分块法（blocklancets）,缩减法（reduced/householder）、动态提取法（powerdynamics）、非对称法（unsymmetric）,阻尼法（damped），QR阻尼法（QRdamped）等，大多数分析都可使用子空间法、分块法、缩减法。
模态分析的结果包括结构的频率、振型、相对应力和力等。
利用ANSYS软件对整体螺栓联接框架进行七阶模态分析，模态频率及误差等数据结果如表1.1所示。
表1.1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）
误差（%）
1
6.02
5.97
0.50
2
11.21
10.37
8.10
3
15.28
14.87
2.76
4
25.08
22.96
8.85
5
27.34
27.07
0.99
6
45.66
41.13
11.01
7
63.78
60.29
5.79
平均误差
5.43
六、实验总结
模态分析的最终目标是识别出系统的模态参数，为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据。
模态分析技术的应用可归结为以下几个方面：
（1）评价现有结构系统的动态特性；
（2）在新产品设计中进行结构动态特性的预估和优化设计；
（3）诊断及预报结构系统的故障；
（4）控制结构的辐射噪声；
（5）识别结构系统的载荷。
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