基于ANSYS Workbench的定位卡锁机构有限元分析
AnsysWorkbench在卡扣装配分析中的应用
网格单元的大小 ,也可以根据精度和速度的要求 ,自定
义网格的大小 。本文采用自由网格划分卡扣模型 。
215 模型分析模式类型和参数的设置
AnsysWorkbench有静态结构 、模态分析和随机振
动等多种分析模式 。一般根据模型施加的载荷类型
和分析结果选择合适的分析模式 。卡扣装配属于静
态大变形 ,选择允许大变形的静态结构模式 。其中 ,
配采用手动设定接触区域的方法 ,设定悬臂卡扣为面
接触关系中的接触体 ,定位件为目标体 ,接触面之间
的摩擦因数为 013。
214 卡扣模型网格的划分
模型网格划分是将几何形体离散成单元和节点
的过程 。在 Ansys Workbench中一般使用自由网格划
分 ,系统根据模型的体积 、曲率和复杂程度等自动设定
现代制造工程 2008年第 8期
CAD /CAE /CAPP /CAM
An sysW orkbench在卡扣装配分析中的应用
纪海慧 (上海理工大学机械学院 ,上海 200093)
摘要 :介绍基于 AnsysWorkbench的卡扣装配分析方法和步骤 。用 Ansys Workbench软件可以方便地计算卡扣中的应力 和应变 ,动态显示装配过程 ,生成计算结果曲线图 。与常用简化公式计算相比 , Ansys Workbench的计算结果更精确 。该 分析方法具备较大的扩展性 ,对同类应用的设计具有指导意义 。 关键词 : AnsysW orkbench;卡扣 ;应变分析 中图分类号 : TH16 文献标识码 : B 文章编号 : 1671—3133 (2008) 08—0048—03
学会使用AnsysWorkbench进行有限元分析和结构优化
学会使用AnsysWorkbench进行有限元分析和结构优化Chapter 1: Introduction to Ansys WorkbenchAnsys Workbench是一款广泛应用于工程领域的有限元分析和结构优化软件。
它的功能强大，能够帮助工程师在设计过程中进行力学性能预测、应力分析以及结构优化等工作。
本章节将介绍Ansys Workbench的基本概念和工作流程。
1.1 Ansys Workbench的概述Ansys Workbench是由Ansys公司开发的一套工程分析软件，主要用于有限元分析和结构优化。
它集成了各种各样的工具和模块，使得用户可以在一个平台上进行多种分析任务，如结构分析、热分析、电磁分析等。
1.2 Ansys Workbench的工作流程Ansys Workbench的工作流程通常包括几个基本步骤：（1）几何建模：通过Ansys的几何建模功能，用户可以创建出需要分析的结构的几何模型。
（2）加载和边界条件：在这一步骤中，用户需要为结构定义外部加载和边界条件，如施加的力、约束和材料特性等。
（3）网格生成：网格生成是有限元分析的一个关键步骤。
在这一步骤中，Ansys Workbench会将几何模型离散化为有限元网格，以便进行分析计算。
（4）材料属性和模型：用户需要为分析定义合适的材料属性，如弹性模量、泊松比等。
此外，用户还可以选择适合的分析模型，如静力学、动力学等。
（5）求解器设置：在这一步骤中，用户需要选择适当的求解器和设置求解参数，以便进行分析计算。
（6）结果后处理：在完成分析计算后，用户可以对计算结果进行后处理，如产生应力、位移和变形等结果图表。
Chapter 2: Finite Element Analysis with Ansys Workbench本章将介绍如何使用Ansys Workbench进行有限元分析。
我们将通过一个简单的示例，演示有限元分析的基本步骤和方法。
Ansys Workbench有限元分析
Ansys Workbench培训大纲 Ansys有限元分析Ansys Workbench的基础知识，包括基本操作、几何建模方法、网格划分方法、mechanical基础等内容；Ansys Workbench的工程应用，包括线性静态结构分析、模态分析、谐响应分析、随机振动分析、瞬态动力学、显示动力学分析、热分析、线性屈曲分析和结构非线性分析、接触分析及流体动力学分析等相关知识1． Workbench技术Workbench技术特点CAD-CAE协同仿真概述DesignModeler建模功能综述实体模型的建立，板壳、梁模型的建立DM几何修补工具，创建参数化模型，DM与DS的双向整合针对有限元分析的几何建模技巧与特殊要求从CAD导入几何模型2．DesignModeler建模DM 用户界面DM 草图模式DM 3D几何体DM高级3D几何体DM 概念建模DM 参数化模型3．DesignSimulation基本架构和分析流程DS基础DS通用前处理: 几何模型导入, 接触，网格划分，命名选择，坐标系DS高质量的有限元网格划分技术和使用技巧DS结构静力线性分析的基本流程和使用技巧DS各种工程载荷和边界条件的处理方法DesignSimulation的非线性概述材料、几何、接触非线性的基本过程与应用技巧4．DesignSimulation基本架构和分析流程DS结果后处理：查看，显示，输入结果，结果组合DS如何提高有限元分析的精度DS与CAD软件的交互性及参数传递DS通过参数管理器和多工况多方案的优化方法快速完成分析5．DesignSimulation的工程分析类型疲劳分析动力学分析：瞬态等分析基本过程与技巧DesignSimulation稳态热分析：热分析基础，基本的热传递分析，热分析模式，实例分析:建模，求解及后处理DesignSimulation瞬态热分析：时间与载荷步，子步及平衡迭代，收敛准则，初始温度，阶跃及渐变载荷输出控制，查看瞬态分析结果，耦合场分析：热应力分析有限元基本概念把一个原来是连续的物体划分为有限个单元，这些单元通过有限个节点相互连接，承受与实际载荷等效的节点载荷，并根据力的平衡条件进行分析，然后根据变形协调条件把这些单元重新组合成能够整体进行综合求解。
机械毕业设计(论文)基于ansys的连杆机构的有限元分析【全套设计】
湘潭大学兴湘学院毕业设计论文题目：连杆机构的有限元分析全套设计，加153893706专业：机械设计制造及其自动化学号： 2010963028 姓名：指导教师：完成日期： 2014 年 5 月 25 日湘潭大学兴湘学院毕业论文（设计）任务书论文（设计）题目：连杆机构的有限元分析学号： 2010963028姓名：专业：机械设计制造及其自动化指导教师：系主任：一、主要内容及基本要求1、总结连杆机构设计方法研究和连杆机构研究的发展状况和发展趋势，在总结前人研究成果的基础上，结合当前的技术发展趋势，采用有限元方法来进行开展研究。
2、阐述学习理论基础，即瞬态动力学分析,简要论述瞬态参数,识别原理。
3、简要论述有限元方法和动力学分析的基本求解过程，建立连杆机构中的曲柄滑块机构的有限元模型，合理的确定曲柄长度及转速、连杆长度和转速，偏距，选定和创建单元类型，指点单元属性，创建铰链单元，采用瞬态动力学分析瞬态分析类型对其进行瞬态分析，与图解法进行比较，验证有限元瞬态求解功能。
4、联系工程实际，对受力连杆进行结构静力学学习。
二、重点研究的问题1、 ANSYS的线性静力分析2 、构建几何模型3、在三维铰链单元COMBIN7的创建4、单元类型选择和网络划分5、 ANSYS瞬态动力学分析和静力学分析三、进度安排四、应收集的资料及主要参考文献[1]高耀东，刘学杰.ANSYS机械工程应用精华50例（第三版）.- 北京：电子工业出版社，2011.[2]孙波.毕业设计宝典.-西安：西安电子科技大学出版社，2008.[3]温正，张文电.ANSYS14.0有限元分析权威指南.-北京：机械工业出版社，2013.[4]欧阳周，汪振华，刘道德.毕业论文和毕业设计说明书写作指南.-长沙：中南工业大学出版社，1996.[5]华大年，华志宏.连杆机构设计与应用创新.-北京：机械工业出版社，2008.[6]胡仁喜，康士廷.机械与结构有限元分析从入门到精通.-北京：机械工业出版社，2012.[7]李红云，赵社戌，孙雁.ANSYS10.0基础及工程应用.北京：机械工业出版社，2008.[8]唐家玮，马喜川.平面连杆机构运动综合.-哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1995.[9]潘存云，唐进元.机械原理.-长沙：中南大学出版社，2011.[10]李皓月，周田朋，刘相新.ANSYS工程计算应用教程.-北京:中国铁道出版社，2003湘潭大学兴湘学院毕业论文（设计）评阅表学号2010963028 姓名谭磁安专机械设计制造及其自动化毕业论文（设计）题目：连杆机构的有限元分析湘潭大学兴湘学院毕业论文（设计）鉴定意见学号2010963028 姓名谭磁安专业机械设计制造及其自动化毕业论文77 页图表30 张目录摘要............................................................................................ 错误！未定义书签。
基于ANSYS Workbench的某越野车车架有限元分析
基于ANSYS Workbench的某越野车车架有限元分析任杰锶;董小瑞【摘要】针对越野车复杂的行驶条件对车架结构苛刻的要求,以越野车车架为研究对象,采用ANSYS软件建立了与某越野车车架结构充分近似的车架三维模型,并根据模态分析理论对其进行了有限元模态分析,获得了该车架的前六阶模态参数.理论值与实验值比较表明,车架能够在一定程度上避免共振现象,模型建立准确,为结构车架的动态设计提供了理论依据.同时对车架进行刚度和静强度分析,由位移、应力云图获得了车架发生应力集中区域.结果表明:第3根横梁和第4根横梁之间的连接处应力值远低于屈服极限,可以考虑梁变细或者钢板缩减壁厚,而在第2,第3根横梁与纵梁相接处应力值大于许用应力值,可以使横梁应加粗或连接处使用加厚焊.实验研究分析为车架的改进和优化提供了参考依据.【期刊名称】《中北大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2015(036)004【总页数】8页(P428-434,457)【关键词】越野车车架;有限元分析;ANSYS软件;模态分析;刚强度分析【作者】任杰锶;董小瑞【作者单位】中北大学机械与动力工程学院,山西太原030051;中北大学机械与动力工程学院,山西太原030051【正文语种】中文【中图分类】U463.320 引言汽车车架是整个汽车的基础，车架性能的可靠程度直接影响到整车的工作质量和状态.对于非全承载式越野汽车，车架的要求更为严格［1-2］.哈尔滨工业大学张进国等利用ANSYS软件建立了车架结构的几何模型和以体单元solid92为基本单元的车架有限元分析计算模型，对该车架在载荷作用下的应力和变形进行了计算，为车架的结构改进提供了依据［3］；南昌大学汪伟等以某越野车车架为例，利用Hyperworks建立以壳单元为基本单元的车架有限元分析模型，应用Optistuct求解器进行了模态分析，得到该车架自由状态下的前10阶固有频率及振型特性，为该车的结构改进提供了理论依据［4］；合肥工业大学朱昌发等利用HYPERMESH 建立某型特种越野车车架的有限元分析模型，再用ABAQUS软件对该特种越野车车架进行强度及模态分析，得出该车架的强度和振动特性，并提出了优化设计方案［5］.随着越野汽车性能和工作要求的不断提升，车架面临更大的挑战，不仅需要经常在崎岖不平的道路上行驶，而且经常出现在无路地带，这样对刚度和强度的要求就显得异常苛刻.由于在重载、高速行驶时其振动问题也非常凸出，车架的共振现象会给整车，甚至是驾驶员、乘员带来严重的影响.因此在汽车的设计初期需要同时对车架进行静力学分析和模态分析，综合分析数据，为车架的优化和改进提供参考［5-6］.本文综合采用Hyperworks和ANSYS软件，建立了与某越野车车架结构充分近似的车架三维模型，对其进行了静力学和有限元模态分析，找出其薄弱环节，给出了优化建议.1 车架结构及参数该车架主要由2根纵梁和8根横梁，以及均布的10个悬置点组成.车架结构如图1所示.图1 车架结构二维图纸 Fig.1 The 2D blueprint of off-road vehicle frame structure车架形态描述：车架前部翘起，这样拥有更多的前轮摆动空间，增加接近角.车架中部第4，5根横梁下凹，适当地降低了底盘的高度，降低了车身重心，增大了车辆在行驶中的稳定性；相比直梁车架，提高了乘坐舒适性.越野车辆行驶过程中，除在正常的路面行驶之外，更多的是在条件复杂或极端恶劣的土地、山坡、凹凸不平和通过性差的路面行驶，这是对车架抗拉伸和抗弯扭性的严峻考验.所以采用高强度的结构钢作为车架材料，采用拥有优秀抗弯扭性能的箱形断面梁作为纵梁形式，横梁材料主要采用空心圆柱体，部分为箱形断面梁.所有的横纵梁均为冲压焊接而成［7］.该越野车主要性能参数如表1所示.表1 越野车主要性能参数 Tab.1 Main performance parameters of the off-road vehicle?2 建立车架有限元模型目前合肥工业大学尹安东和龚竞等分别利用Hyperworks对越野车车架进行了多工况静强度和动强度分析，并加入了简单的模态分析，虽得出了车架性能评估［8-9］，但因模型建立依据不明确，失去了分析研究的针对性，结论适用性不大.本文依据该越野车原厂的二维图纸，将CATIA中建立好的实体模型转到iges格式导入到Hyperworks软件中，利用hypermesh的中面提取功能Midsurface提取中面，并进行模型几何清理，通过消除损坏、空缺、叠加等模型问题，尽可能得到合格的网格质量［8］.模型高度简化后，可采用高密度自由网格划分，选取网格尺寸最大为5 mm，最小为0.2 mm.在划分结束后，对部分悬置点、以及有可能产生应力、应变的关键处进行网格细化处理.南京理工大学杨海平等将Hypermesh作为前处理软件，进行了车架螺栓、铆钉和焊点连接的模拟，采用cweld单元进行焊点模拟，虽建立有限元模型发生错误概率较小，但建立时间较长，分析效率不高［10］.本文考虑到车架为不规则物体，采用混合单元类型更能够真实地反映各个关键点处的应力、应变形态.所使用的六种单元类型如表2所示.经过网格划分后得到的有限元模型如图2所示，得到1 701 310个节点以及312 429个单元.图2 车架的有限元模型 Fig.2 Finite element model of frame表2 单元类型摘要 Tab.2 Element type summary?根据车架的设计和实际使用情况，设定材料参数为：16Mn钢材料密度为7 850 kg／m3，泊松比为0.28，弹性模量E=2.1×1011 Pa，屈服极限为400 MPa ［10］.3 有限元模态分析3.1 模态分析理论有限元模态分析通常可分为自由模态分析和约束状态下的模态分析两种.车架模态分析的原理是将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标，使方程组解耦，成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程，然后求解出车架系统的模态频率等模态参数.根据模态振动理论，系统运动微分方程为式中：［M］，［C］，［K］分别为质量矩阵、阻尼矩阵以及刚度矩阵；｛u｝为位移向量.由于是无阻尼自由振动，则可省略阻尼项，即微分方程可简化如下系统的特征方程为求解特征方程即可获得系统模态参数，包括模态频率λi=ω2i和模态振型［11-13］.3.2 模态分析结果将Hypermesh中建好的越野车车架有限元模型导入到ANSYS中，进行自由模态分析，得到车架自由模态的前20阶频率及振型.其中前6阶模态频率小于1.77 Hz，这是由于车架在自由状态下会出现6个刚体模态［8］，它们对应的固有频率几乎为零，所以实际上是以第7阶自由模态为第1阶振型.图3 车架的前6阶模态振型 Fig.3 The first six order modal shape of frame目前国内研究只停留在对车架简单的模态分析，获得前10阶固有频率，以得出车架的共振情况，未对实验值的正确性进行理论验证，故实验分析值和结论的可靠度不高［4］.文中经有限元模态分析的理论计算值与实验模态分析结果相比较，如表3所示.由表3可看出：ANSYS理论计算值与实验模态分析的结果比较一致，相对误差不大，说明实验值准确，分析模型合适，分析结果可靠，可以作为实际设计参考.表3 车架模态分析结果与理论计算结果比较 Tab.3 Comparing frame modal analysis the results with theoretical calculations?由于越野车长期工作在条件苛刻的路面上，因此路面激励是引起车架产生共振主要因素.此外发动机转速激励也是引起车架产生共振重要原因.对于车架来讲，应通过以下四点作为评价指标：①车架固有频率应避开发动机怠速时的振动频率；②车架在行驶过程中应避开发动机常工作工况下的激振频率范围；③应避开平路及条件不佳的路面对车架的激振频率范围；④车架振动频率增长变化尽量平稳，不能出现频率突变［10］.3.3 模态分析结论1）一般情况下，路面给予车架的激励应当处于1～20 Hz之间，且悬架的偏振频率大致为1～1.9 Hz，根据发动机怠速时的转速为900 r／min，计算得到车架在怠速时的振动频率为28.334～31.667 Hz之间［14-15］.模态分析结果得出的车架最低阶振动频率为18.532 Hz，一定程度上可以避免由道路载荷和车轮不平衡而引起的共振；2）车辆的非簧载质量的固有频率一般6～15 Hz之间，对于车架更重要的应该是前3阶模态.根据对该车架的分析，该车架的前3阶固有频率为18.532 Hz，22.89 Hz，24.178 Hz，均大于15 Hz，所以，车架与非簧载部件发生共振的可能性很小.4 静力学分析越野车在行驶中的载荷主要来源于弯曲工况和扭转工况.其中弯曲载荷主要是车身、车载设备等负载产生的，而扭转载荷多为车辆在受到路面给予的多方向非对称激励导致的.本文所用的越野车架主要受到这两方面的影响，因此分析时所加的载荷是一致的，通过改变约束的位置和方向而达到求解静刚度、强度的应力和应变值［10］.4.1 静强度分析该车架所受的主要静载荷如表4所示.加载方式分别为：10个悬置点集中加载，发动机动力总成按照三点悬置集中加载.表4 车架的主要静载荷 Tab.4 Main strength of frame?研究静强度所加约束根据实际情况添加：车架与左前悬架连接处约束平动自由度UZ，车架与右前悬架连接处约束平动自由度UZ，UY，车架与左后悬架连接处与车架与右后悬架连接处分别约束平动自由度UX，UZ和平动自由的UX，UY，UZ.得到Von Mises等效应力云图如图4所示［9，16］.在ANSYS后处理中看到车架的结构强度，在弯曲工况下，车架的最大应力发生在第3根横梁和第4根横梁之间的连接处，这段梁为变截面多向纵梁，达到了66.449 MPa，而材料许用应力值为340 MPa，远远低于许用应力.则此处可以进行结构优化，减少材料使用量，可以考虑梁变细或者缩减壁厚.图4 静强度等效应力云图 Fig.4 Equivalent stress drawing of strength4.2 刚度分析4.2.1 弯曲刚度分析车架的弯曲刚度可以用车架在垂直载荷作用下产生的挠度来描述.弯曲刚度所加约束根据实际情况添加：车架与左前悬架连接处约束平动自由度UZ，车架与右前悬架连接处约束平动自由度UZ，UY，车架与左后悬架连接处约束平动自由度UX，UZ，以及车架约束与右后悬架连接处平动自由度UX，UY，UZ.在车架第5根横梁外加600 N的力，使车架发生弯曲变形.得到Von Mises等效应力云图如图5所示［9，16］.图5 弯曲刚度等效应力云图 Fig.5 Equivalent stress drawing of bending rigidity由弯曲刚度公式得［17］式中：EI为弯曲刚度，轴距a=3 060 mm，加载力F=600 N，由ANSYS分析的挠度f=0.7 mm.将以上数值代入式（1）中，求解得出弯曲刚度EI=5.1×105 N·m2.4.2.2 扭转刚度分析车架的扭转刚度可以用车架在扭转载荷作用下产生的扭转角来描述.扭转刚度所加约束根据实际情况添加：车架与右前悬架连接处约束平动自由度UZ，约束车架与左后悬架连接处UX，UZ，车架与右后悬架连接处约束平动自由度UX，UY，UZ，并在车架左纵梁悬架与车身连接点施加1 000 N的力，使车架发生扭转情况，因此得到Von Mises等效应力云图如图6所示.扭转工况等效应力云图表明，最大应力值为449 MPa，大于许用应力出现此应力集中的位置是在第2，第3根横梁与纵梁相接处.此处横梁应加粗，与纵梁应使用加厚焊［9，16］.由扭转刚度公式得［17］式中：CT为扭转刚度，MN·m2／rad；F=1 000 N为加载的集中载荷；L=800 mm为集中力产生的力矩；h=2.7 mm为载荷作用点处的挠度；a=3 060 mm为车架的轴距.将以上数值代入公式（2）中计算得到CT=7.25×105 MN·m2／rad.图6 扭转刚度等效应力云图 Fig.6 Equivalent stress drawing of torsional rigidity由于各种车型结构上的差别，还不能够合理地给出车架弯曲和扭转工况下的刚度定论，仍然需要对车架实施实际测试，这里只能给出大致的比较参数，为车架的优化和改进提供参考.5 结论1）进行有限元模态分析，获得了无阻尼自由振动下的前6阶振动频率，以及各个振动频率对应的振型.将有限元理论计算值与实验模态分析数据相比较，结果证明能在一定程度上避免共振现象发生，数据比较一致，误差较小，所构建的车架结构模型比较准确.与未经过正确性判定的实验值数据相比分析结果更为可靠，更能够直接作为车架动态设计的参考.2）求解计算得出车架的刚度和静强度分析，分析时间少，效率相对较高.分析应力应变云图可发现，车架的最大位移量和最大应力发生位置，对应力值远远小于屈服极限位置，可以采用减薄壁厚，节省材料；对应力超于许用应力值的位置，可以进行钢板加厚等措施，改善车架缺陷.综合以上分析结果，本文为车架的改进和优化提供了参考依据.参考文献：［1］Filho RRP，Rezende JCC，Leal MF，et al.Automotive frameoptimization［C］.12th International 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基于ANSYS的汽车门锁机构锁紧工况的有限元分析
基于ANSYS的汽车门锁机构锁紧工况的有限元分析
李春风;刘守法
【期刊名称】《现代机械》
【年(卷),期】2012(000)004
【摘要】运用Pro/E软件对汽车门锁机构进行3D建模,然后运用ANSYS软件对得到的汽车门锁机构模型进行了有限元分析.根据工程实际简化几何模型,完成了棘轮棘爪机构的单元的选择、设置实常数和材料属性、划分网格、创建节点组元、施加边界条件等有限元建模过程,得出系统应力应变分布情况,分析结果与经验相符.【总页数】3页(P29-31)
【作者】李春风;刘守法
【作者单位】西京学院机电工程系,陕西西安710123;西京学院机电工程系,陕西西安710123
【正文语种】中文
【中图分类】TP391
【相关文献】
1.基于TRIZ理论的后门锁紧机构创新设计 [J], 于万胜;尹腾飞;孔庆珍;刘进雨;要军磊
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4.基于ANSYS的四种汽车运行工况下摆臂有限元分析 [J], 吕新飞
5.具有主辅棘爪的新型汽车门锁锁紧机构 [J], 汪千升;杭鲁滨;余亮;黄晓波;郭辉;王明远;刘哲;陈勇
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Ansys+Workbench教程有限元
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编辑目标
用户可以对给定的目标进行复制、 粘贴、剪切等常规操作。使用Edit菜单 中的各项命令。
导入模型
本手册对该步骤作出如下的规定： 3、导入的文件为.stp格式的文件。 4、导入模型时，路径必须为英文路径。
建立局部坐标系
目的：便于施加载荷与约束 A 结构树中的操作 1、在结构树中添加坐标系分支 选中结构树的Model，点击右键，选取Insert-Coordinate Systems， 便在该分支中插入了该项，展开该项出现Global Coordinate System， 此为总体坐标系。
网格控制
目的： 目的：实现几何模型 原则： 原则：整体网格控制 有限元模型的转化 局部网格细化
用户需要权衡计算成本和网格划分份数之间的矛盾。细密的网格可以 使结果更精确，但是会增加计算时间和需要更大的存储空间。由于有限元 分析是依靠节点来传递载荷和约束，所以网格质量的好坏直接影响到求解 结果的准确度，网格划分是至关重要的前处理步骤之一。 一般如果不对模型进行网格控制，在求解开始时会自动生成系统默认 的网格。但此时的网格质量一般无法满足求解精度的要求，为获得高质量 的网格，一般先从整体控制网格然后再对局部网格进行细化。
显示/ 显示/隐藏目标
1、隐藏目标 在图形窗口的模型上选择一个目标，单击鼠标右键，在弹出的选 项里选择 ，该目标即被隐藏。用户还可以在结构树中选取一 来隐藏目标。 当一个目标被隐 个目标，单击鼠标右键，选择 2、显示目标 在图形窗口中单击鼠标右键，在弹出的选项里选择Go To— Hidden Bodies in Tree，系统自动在结构树Geometry项中弹出被隐 藏的目标，以蓝色加亮方式显示，在结构树中选中该项，单击右键， 选择 显示该目标。
基于ANSYSWorkbench机床主轴有限元分析
基于 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ Ｗｏ ｒ ｋ ｂ ｅ ｎ ｃ ｈ机床主轴有 限元分析
方 鹏， 李 健， 韦 辽
（ 广西工学 院机械工程系 ， 广西 柳州 ５ ４ ５ ０ ０ ６ ）
研究进展［ Ｊ ］ ． 机械设计与制造 ， ２ ０ ０ ９（ １ ０ ） ： ２ ５ ９ — ２ ６ ０ ．
分析 ， 得 到应 力 和应 变 分布情 况 。通过 对 主轴进 行设
京： 河海大学 ， ２ ０ ０ ７ ．
计， 得 出优化后的主轴 比优化前 的主轴体积更小 、 性 能更好 ，提高了机床 的工作性能 ，减轻 了主轴的 自
［ ４ ］ 周 大帅 ， 伍 良生 ， 李 俊． 机床 主轴 系统化热 态及 变形特 性
限元计算结果的分析 ， 得到应力和应 变分布情 况。通过设计 ， 提 高了机床 的工作性 能 ， 减轻 了主轴的 自重 ， 节省 了材料 ，
降低 了成 本 。
关键词 ： 机床 ； 主轴 ； Ａ ＮＳ ＹＳ Ｗｏ ｒ ｋ ｂ ｅ ｎ ｃ ｈ ； 有限元分析 中图分 类号 ： Ｔ Ｐ ３ ９ １ ． ７ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ： １ ６ ７ ２ — ５ ４ ５ Ｘ （ ２ ０ １ ３） ０ ４ — ０ ０ ２ ８ — ０ ３
收稿 日期 ： ２ ０ １ ３ — ０ １ — １ １ 作者简介 ： 方 鹏（ １ ９ ８ ６ ＿ ， 男， 硕士研究生 ， 研究方 向： 机械设计 及理论 ； 李 健（ １ ９ ６ ５ 一） ， 男， 教授， 主要 从事数字化 设计与制造方 面的研 究 ； 韦 ｉ ￣ ． （ １ ９ ８ ６ 一 ） ， 男， 硕士研究生 ， 研究方 向： 机械设计及理论。 ２ ８
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基于ANSYS Workbench的定位卡锁机构有限元分析
摘要本文首先在Pro/E中建立了定位卡锁机构受最大外力时的简化模型，然后将该模型导入到ANSYS Workbench 13平台中进行了有限元模型的分析求解，最后结合求解结果用第四强度理论对定位卡锁机构各零件进行了强度校核，同时对该定位卡锁机构的改进提出了建议。
关键词定位卡锁机构；有限元分析
在某工程项目中应用的定位卡锁机构承担着为某输送设备准确定位的作用。
由于该输送设备运行一个周期位就要启停一次，启停工作由定位卡锁机构配合实现。
定位卡锁机构收回，输送设备开始运转，一个周期位后电机停转，定位卡锁机构伸出，进入与之配合的凹槽使输送设备完全停位。
因此，定位卡锁机构成为该输送设备的关键部件，是保证输送设备正常工作的必备条件。
所以，对定位卡锁机构的研究与分析有着重要的意义。
定位卡锁机构在伸出状态受最大外力时，其所受最大应力不应超过材料的许用应力是保证定位卡锁机构实现其功能的充分条件。
为了保证定位卡锁机构的工作可靠性，本文利用ANSYS Workbench对该机构进行有限元分析，研究在定位卡锁机构受最大外力时的受力及变形情况，并依据理论知识对其强度进行校核。
1 定位卡锁机构模型的建立与导入
在对定位卡锁机构进行有限元分析之前，首先应建好定位卡锁机构的三维模型。
一般在整个有限元分析的过程中，几何建模的工作量占据了非常多的时间，同时也是非常重要的过程[2]。
ANSYS Workbench 13中，建模工作主要由ANSYS Workbench 自带的几何建模工具Design Modeler模块完成。
对于小型或简单模型的建立可以直接在Design Modeler模块中建模，这样避免了从CAD系统中导入ANSYS的模型可能不能直接进行网格划分，需进行大量修补完善工作的麻烦。
对于零部件较多的装配体的建模，通常先利用专业的三维建模软件完成模型的建立，然后再把它导入到ANSYS中进行分析。
这样，工程技术人员就可以使用自己擅长的CAD软件建好模型，从而避免了重复现有CAD模型的劳动。
本文采用PTC公司的Pro/Engineer对定位卡锁机构进行三维建模。
定位卡锁机构简化模型由液压缸、卡锁活塞杆、端盖、螺塞、螺钉组成，建好的三维模型如图1所示。
建好后的三维模型可以在Pro/E中直接导入到ANSYS Workbench 13 中进行有限元分析。
图1 定位卡锁机构的三维模型
2 定位卡锁机构的有限元分析
2.1 定义模型材料属性
定位卡锁机构中液压缸采用Q345钢制造，弹性模量206GPa，泊松比为0.3；卡锁活塞杆为40Cr，弹性模量211GPa，泊松比为0.3；端盖为45钢，弹性模量200GPa，泊松比为0.269；其余材料按系统默认材料Structure steel 。
2.2 定义接触类型
由于导入的定位卡锁机构模型为装配体，因此需要设置接触类型。
ANSYS Workbench中提供了5种不同的接触类型：Bonded（绑定）、No Separation （不分离）、Rough（粗糙）、Frictionless（光滑无摩擦）及Frictional（摩擦）。
其中绑定、不分离两种接触方式是线性的，其他三种为非线性接触方式。
绑定要求接触体法向无间隙，切向不允许滑移。
不分离方式要求接触体法向无间隙，切向允许滑移。
定位卡锁机构模型在ANSYS Workbench13中被定义了24对接触关系，其中液压缸和卡锁活塞杆以及端盖和卡锁活塞杆之间设为绑定，设置时采用将配合面中凸面一方的配合面设为接触面，凹面一方的配合面设为目标面。
其他接触关系都设为不分离。
2.3 网格划分
有限元分析离不开网格的划分，网格划分的好坏将直接关系到求解的准确度以及求解的速度。
在ANSYS Workbench13中提供的网格划分方法有自动划分法、四面体划分法、六面体主导法、扫掠划分法和多区划分法。
本文定位卡锁机构模型采用了自动划分法，自动划分法将自动设置四面体或扫掠网格划分，如果体是可以扫掠的，则体将被扫掠划分网格，否则将按四面体的网格划分器划分网格。
定位卡锁机构模型的网格划分后的模型如图2所示，模型共计43529个单元，78871个节点。
图2 划分完网格后的有限元模型
2.4 施加约束与载荷
定位卡锁机构通过底部的燕尾槽安装于底座，底座固定于地面。
因此定位卡锁机构模型采用固定约束方式约束液压缸的底面。
定位卡锁机构在伸出状态卡锁活塞杆头部一侧的直角槽受有径向最大17759N的力，对定位卡锁机构施加载荷。
2.5 求解
在ANSYS Workbench13中对定位卡锁机构模型的受力和变形情况进行求解，求解后得到定位卡锁机构伸出状态情况下的V on-Mises等效应力应变图以及
总变形图，分别为图3、图4和图5。
图3 定位卡锁机构的应力分析云图
图4 定位卡锁机构的应变分析云图
图5 定位卡锁机构的总变形云图
由定位卡锁机构的应力应变图看出卡锁活塞杆的最大应力发生在卡锁头部的直角槽底部，说明该处有应力集中现象。
因此可以在此处进行去应力处理，采用增加过渡圆角等方法去除应力集中的现象。
由定位卡锁机构的总变形云图看出最大变形发生在卡锁活塞杆的头部，说明该处是整个机构的薄弱环节。
该处可进行淬火、镀Cr等工艺处理提高表面硬度，防止变形的发生。
3 强度校核
应按第四强度理论进行校核，由第四强度理论有：
___第四强度理论等效应力，即软件中的V on-Mises应力；___许用应力，许用安全系数[S]=3。
液压缸材料是Q345钢，材料的屈服极限=275MPa，=91.7MPa；卡锁活塞杆是40Cr，材料的屈服极限=440MPa，=146.7MPa；端盖是45钢，材料的屈服极限=355MPa，=118.3MPa。
根据上述有限元分析计算所得，定位卡锁机构在伸出状态的最大应力86.7MPa小于各材料的许用应力，所以定位卡锁机构在伸出状态是安全的，是满足设备使用要求的。
4 结论
本文通过Pro/E和ANSYS Workbench 13平台对定位卡锁机构受最大外力时的情况进行了分析求解，用第四强度理论对各组成零件进行了强度校核，最后得出：
（1）各组成零件强度满足设备使用要求；
（2）在卡锁活塞杆的头部直角槽底部有应力集中现象，应进行去应力处理；卡锁活塞杆的头部应进行镀Cr处理，提高表面硬度。
参考文献：
[1]胡国良，任继文，龙铭.ANSYS13.0有限元分析实用基础教程[M].北京：国防工业出版社，2012.
[2]陈艳霞，陈磊. ANSYS Workbench工程应用案例精通[M] . 北京：电子工业出版社，2012.
[3]凌桂龙，丁金滨，温正.ANSYS Workbench13.0从入门到精通[M].北京：清华大学出版社，2012.。