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1、朱伟论文正文第一章 绪论1.1 研究背景与意义大量统计资料表明，机械部件断裂事故中50%-90%是由疲劳引起的。引起疲劳失效的载荷峰值往往远小于根据静强度分析估算出来的“安全”载荷。疲劳断裂在宏观上都表现为无明显塑性变形的突然断裂，往往造成灾难性事故。随着我国机械产业发展速度的不断提高，各种大型机械也越来越多，疲劳失效事故更是层出不穷，疲劳断裂对各机械行业的危害日益受到重视。省力扳手的可靠性不仅关系到各种机械的正常使用，更对机械产业的发展起到至关重要的作用。在工程设计阶段考核结构静、动态强度，尤其是直观地评定产品的疲劳寿命，对于预防疲劳断裂事故的发生，指导设备结构的设计、制造、检修以及管理具有

2、重要意义。传统的省力扳手结构设计方法采用试误法，即初级成品经测试不能满足工程要求时，通过修改设计图纸，再做试验的方法使产品趋于完善。这种方法成本很高，延长了产品研制周期，无法提出足够的改进信息，无法满足现代工程对产品的要求。根据现代数学和力学理论，在设计阶段采用有限元分析软件的数值模拟进行优化设计可以大大缩短产品研制周期，降低生产成本，保证产品的可靠性。因此，采用有限元数值模拟技术，应用大型有限元分析软件，根据试验标准和相关要求，对省力扳手长寿命试验进行数值模拟与分析不但克服了传统方法的缺点，而且可以确定结构薄弱部位，提前预测试验结果。由于在设计阶段无法获取结构实际疲劳载荷谱，应用有限元方法获

3、得模型的动应力分布，并结合试验标准载荷谱对结构进行强化试验疲劳寿命仿真预测，并进行样机疲劳试验验证是在设计阶段保证结构耐久性的一条有效途径。这种基于试验标准的零部件数值模拟技术是提高产品技术性能和品质的有效途径，是形成企业产品自主开发能力的必由之路。1.2 研究的内容和方法本文主要通过普通常用省力扳手为载体，在PROE2.0软件中对其车架进行三维造型，然后导入有限元软件中，建立有限元模型，加载、求解，对其进行静强度的分析，通过分析的结果对其结构进行改进，说明有限元分析在省力扳手生产中的重要性。本文首先介绍了有限元的概念、原理、特点和发展趋势，然后以省力扳手使用时工况为具体的分析对象，讨论了利用

4、ANSYS建立省力扳手模型的基本方法，以及如何将几何模型转化为可供分析计算的有限元模型。接着根据省力扳手的实际运行情况，研究了扳手的载荷和约束条件的实现方法，分析了省力扳手的结构强度和刚度，为省力扳手的结构优化设计做了尝试。根据有限元分析的结果，对该省力扳手进行评估，为省力扳手的结构设计和改进提供了较准确可靠的理论依据。本课题采用的研究方法：(1)物理模型的建立：本文使用PROE2.0软件系统，通过对省力扳手的实际测绘建立其三维空间的几何模型，然后导入ANSYS10.0软件。(2)形成有限元计算模型：依托大型有限元分析软件ANSYS10.0根据省力扳手的特点，确定单元类型，进行网格划分。网格的

5、划分对有限元分析的计算量和计算精度影响很大，一般情况下，网格划分越细，计算精度越高，所需的计算机资源、计算时间也越多。在划分时，应在保证计算精度的同时，尽量减少网格数量。(3)有限元计算及结果分析：确定约束和施加载荷后，利用有限元分析软件对该省力扳手进行静应力分析，对其强度进行校核。(4)计算分析：进行正确的计算和结果分析，给出研究对象的改进方案，并与原方案进行比较分析，得出结论。分析的基本流程如图1.1所示：图1.1本文分析的基本流程1.3 本章小结本章主要讲述了在省力扳手设计研发中引进有限元分析的重要意义，以及本文的主要内容和研究的思路、方法。第二章 省力扳手有限元分析模型的建立ANSYS

6、中有两种建立有限元模型的方法：实体建模和直接生成。使用实体建模，首先生成能描述模型的几何形状的几何模型，然后指示ANSYS程序按照指定的单元大小和形状对几何体进行网格划分产生节点和单元。对于直接生成法，需要手工定义每个节点的位置和单元的连接关系。一般来说对于规模较小的问题才适于采用直接生成法，常见的问题都需要先通过实体建模生成几何模型，然后再对其划分网格生成有限元模型。 在实体建模建立模型时，建立几何模型和生成有限元模型这两个步骤通常是交织进行的。建立几何模型的目的是生成有限元模型，在建立几何模型时要考虑到有限元模型的生成，生成有限元模型时如果出现问题或者单元形状不能满足要求还需要对几何模型进

7、行修改或者简化，因此这两步通常要放在一起进行考虑。ANSYS程序为用户提供了下列生成几何模型以及有限元模型的方法：(1)ANSYS中创建几何模型；(2)导入在其它CAD系统创建的模型；(3)直接生成在通常情况下，对于非常复杂的不规则线、面或体，在ANSYS中建立其几何模型将非常复杂。这时可以采用在熟悉的专用的CAD系统中建立几何模型，然后通过ANSYS提供的接口导入到ANSYS中，进行一些处理后得到适用的模型。ANSYS支持的接口通常包括：IGES / CATIA/ Pro/E / UG /SAT/ PARA / IDEAS可以在专用的CAD系统建立模型后通过适当的接口，将模型导入到ANSYS

8、当中，建立有限元模型。本文采用第二种方法，先在PROE 2.0中建立车架的三维实体模型，然后导入ANSYS 10.0中，建立省力扳手的有限元分析模型。2.1 三维实体模型的建立2.1.1 PROE简介PROE是世界上最成功的CAD软件之一，是美国PTC公司的产品。1985年，PTC公司成立于美国波士顿，开始参数化建模软件的研究。1988年，V1.0的Pro/ENGINEER诞生了。经过20余年的发展，PRO/ENGINEER已经成为三维建模软件的领头羊。该软件的总体设计思想体现了MDA (Mechanical Design Automation)软件的最新发展，所采用的新技术比其他的MDA软件

9、更加具有代表性。下面就Pro/ENGINEER的特点及主要模块进行简单的介绍。(1)全相关性（Full Associability）PROE各模型建立在一个真正统一的数据结构上，各模块之间是全相关的，如该系统处理三维实体、二维工程图、截面图、总装配以及在分析、仿真加工零件的工艺规程等各类数据时是严格一体化的，同时修改后的尺寸都会反映到从设计到加工的各个过程，以确保所有零件和各个环节的数据一致性。(2)实体造型（Solid Modeling）在产品的设计过程中，与传统的计算机辅助设计相比，PROE设计产品是基于三维实体而非传统的二维点、线、面；在PROE中模型有一些工程特征雕砌而成，而非绘制而成

10、的。它可以在完成实体造型后再严格的投影关系产生三视图和其他需要的三维视图，因而生成的二维工程图也是几何上没有错误的。(3)基于特征的参数化造型（Parameterized modeling based on the characteristics）特征造型是目前公认的几何造型的发展趋势，在PROE中实体模型都是有一些工程特征组合而成的。该系统的PROE/Feature模块提供了拉伸、旋转、扫描、过渡、孔、槽、扭曲、圆角、倒角、抽壳、拔模斜度、自由变形、管道、变截面扫略等众多的特征和特征构造方法，这些都为用户提供了设计非常复杂曲面或实体模型的强有力的工具，装配、加工、制造以及其它学科都使用这些领

11、域独特的特征。通过给这些特征设置参数（不但包括几何尺寸，还包括非几何属性），然后修改参数很容易的进行多次设计叠代，实现产品开发。另外，PROE还允许用户自己定义特征UFD（User-defined characteristics），用户可以通过它建立自己的特征库。(4)数据库的再利用（Database of reuse）加速投放市场，需要在较短的时间内开发更多的产品。为了实现这种效率，必须允许多个学科的工程师同时对同一产品进行开发。数据管理模块的开发研制，正是专门用于管理并行工程中同时进行的各项工作，由于使用了Pro/ENGINEER独特的全相关性功能，因而使之成为可能。工程数据库的再利用可以

12、让设计者快速生成整个产品系列。例如在完成了一个零件的设计之后，可以使用family table，将零件的尺寸特征等设为变量，然后给这些变量赋值，就可以生成与原始零件基本相同，但尺寸和某些特征不同的新零件。 2.1.2 省力扳手三维模型分析省力扳手包括扳手柄；齿轮蜗杆座，设在扳手一端，其中央距齿轮腔，齿轮腔的上部形成有挡圈座腔、下部形成有轴头腔，其一侧分别设有螺孔、蜗杆轴孔；斜齿轮，位于齿轮腔内，其上、下端距轴头，中央开设有方轴孔，外壁周布有斜齿；挡圈，位于挡圈座腔内，中间距轴头腔，挡圈套固定在斜齿轮的轴头上；轴座盖，旋配于螺孔内，中间距轴孔；蜗杆，与斜齿轮的斜齿啮合，其一端具蜗杆轴、另一端具蜗

13、杆头，蜗杆轴置于轴座盖的轴孔内，蜗杆头枢置于蜗杆轴孔内。本产品能快速、省力地对螺母进行锁卸，且在锁卸过程中不会被卡死而锁定的优点。2.1.3 省力扳手实体模型的建立与修改根据上面的建模步骤，用测绘工具完成对省力扳手的测绘，然后在PROE2.0中建立车架的三维实体模型，并根据实际扳手进行适当的修改，绘出的省力扳手模型和省力扳手各部分如图3.1所示。由于有限元模型和三维实体模型不同，有限元模型中没有实体中的点、线、面等特征，而只有节点和单元特征。在进行三维实体设计时，必须考虑实际的情况和转化为有限元模型后划分网络的要求，所以必须对模型做适当的修改，同时对一些结构进行简化，如倒圆角，小角过渡等。由于

14、本文只是对省力扳手进行静强度的分析和校核，借以说明有限元方法在省力扳手设计中的重要意义，故在不影响总体结构的前提下，可以对一些结构进行简化，简化后的模型如图3.2所示。3.1省力扳手的三维实体图3.2 简化后的省力扳手模型2.2 有限元分析理论简介 2.2.1 有限元的基本概念和原理有限元是数学、力学及计算机科学相互渗透、综合利用的边缘科学，是现代科学和工程计算方面最令人鼓舞的重大成就之一。其基本思想是将一个连续的实际结构(弹性连续体)划分为一组有限个、且按一定方式相互连接在一起的单元的组合体进行研究。这些单元仅在节点处连接，单元之间的载荷也仅由节点传递。这个把连续体划分为离散结构的过程称为有

15、限元的离散化，也叫单元划分。有限个的单元称为有限单元，简称单元。利用离散而成的有限元集合体代替原来的弹性连续体，建立近似的力学模型，对该模型进行数值计算，通过对这些单元分别进行分析，建立其位移与内力之间的关系，以变分原理为工具，将微分方程化为代数方程，再将单元组装成结构，形成整体结构的刚度方程。离散后单元节点的设置、性质和数目应根据问题的性质、描述变形形态的需要和计算精度而定(一般情况下，单元划分越细则描述变形情况越精确，即越接近实际变形，但计算量也越大)。所以有限元法中分析的结构己不再是原有的物体或结构物，而是同样材料的由众多单元以一定方式连结成的离散物体。这样做的结果造成用有限元分析计算所

16、获得的结果只能是近似的。离散化是有限元方法的基础，必须依据结构的实际情况，决定单元的类型、数目、形状、大小以及排列方式。这样做的目的是：将结构分割成足够小的单元，使得简单位移模型能足够近似地表示精确解，同时又不能太小，否则计算量很大。分析过程中首先从单元分析入手，确定单元内的位移、应变、应力模式，并确定单元节点力与单元节点位移的关系，建立单元刚度矩阵。根据离散化结构的联接方式，将各个单元刚度矩阵进行组集，得到反映整体结构位移与载荷关系的总体刚度方程。通过求解该刚度方程可以得出各个单元的位移，再利用单元分析得到的关系可以求出单元应力及其应变。可见，有限元分析的主要内容是:单元离散化、单元分析、整体分析。由于计算机的求解方程组的能力非常强大，构造模型又非常准确，因而有限元法在计算机上使用极为普遍。有限元方法计算精度高，速度快，可缩短设计试制周期和降低成本。目前，