機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）深孔加工動(dòng)力減振鏜桿的有限元分析【】

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1、湘潭大學(xué)興湘學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 題 目： 減振鏜桿的有限元分析＿ 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 學(xué) 號(hào)： 2010962913＿＿＿＿ 姓 名：＿＿＿＿＿＿＿＿＿ 指導(dǎo)教師：＿＿＿＿＿＿＿＿＿ 全套圖紙，加153893706 完成日期： 2014年5月20日＿＿＿＿ 湘潭大學(xué)興湘學(xué)院 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)書 論文（設(shè)計(jì)）題目： 減振鏜桿的有限元分析 學(xué)號(hào)： 2010962913 姓名： 專業(yè)：

2、 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 指導(dǎo)教師： 系主任： 一、主要內(nèi)容及基本要求 主要內(nèi)容： 1.鏜刀桿具體在機(jī)床中的安裝情況，與刀具的連接情況以及鏜刀桿具體的工作環(huán)境狀況。 2.鏜削加工所能達(dá)到的精度以及具體孔加工所要求達(dá)到的精度并找出影響這些精度的因素，并對(duì)這些因素進(jìn)行分析，選出主要影響因素。 3.鏜刀桿在加工和使用過程中各個(gè)因素（比如：切削用量，外界激勵(lì)）對(duì)刀桿的強(qiáng)度，剛度，以及震動(dòng)特性的影響。并求出刀桿應(yīng)力應(yīng)變分

3、布云圖找出應(yīng)力集中的位置和其各階共振頻率和振型圖。 基本要求： 1.大量搜集資料了解鏜桿具體在機(jī)床中的安裝、與刀具連接以及工作環(huán)境的情況。讀閱相關(guān)書籍了解鏜削加工的具體方式，各種方式適用的條件，鏜削加工所能達(dá)到的精度情況。在孔加工中，找出影響加工質(zhì)量的因素并找出主要因素。 2.建立鏜床刀桿的實(shí)體模型。具體采用三維軟件進(jìn)行模型的建立，選用合適的材料。 2.用有限元軟件進(jìn)行靜力分析。 3.用有限元軟件進(jìn)行進(jìn)行模態(tài)分析。 二、重點(diǎn)研究的問題 通過有限元分析軟件分析出鏜床刀桿在各種邊界約束條件下的應(yīng)力、應(yīng)變，分析出模態(tài)特性，為鏜刀

4、桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工制造提供依據(jù)。 三、進(jìn)度安排 序號(hào) 各階段完成的內(nèi)容 完成時(shí)間（2013 年） 1 查閱資料并完成開題報(bào)告的編寫 3月 1日～3 月 15日 2 進(jìn)行外文文獻(xiàn)翻譯 3 月16 日～3 月 20日 3 分析，整理資料，看ANSYS教學(xué) 3 月25日～3 月 30 日 4 開始進(jìn)行鏜桿的建模與分析過程 4月1日～4 月 15 日 5 整理分析結(jié)果 撰寫論文，整理全部資料 4 月 16 日～5 月 10日 6 準(zhǔn)備畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯 5 月 10日～5 月28日 7 交論文、畢業(yè)答辯 5 月28日～5 月 30 日 四、應(yīng)

5、收集的資料及主要參考文獻(xiàn) [1] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2002 [2] 劉松主編.有限元分析在鏜桿設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2006 [3] 傅志方.振動(dòng)模態(tài)與參數(shù)識(shí)別[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1990.9 [4] 王守信，董紹華等.銑床振動(dòng)模態(tài)分析研究[N].內(nèi)蒙古：內(nèi)蒙古民族師范學(xué)院學(xué)報(bào)，1995.5 [5] 廖念釗主編.互換性與技術(shù)測(cè)量[M].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，1998 [6] 王先上.車床振動(dòng)的自動(dòng)控制[N].北京：機(jī)械工程學(xué)報(bào),1986 [7] 張杰斌，張涌.減振原理在鏜桿上的應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,20

6、04.11 [8] 郭長(zhǎng)城.應(yīng)用減振器控制振動(dòng)的兩個(gè)實(shí)例[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2005.10 [9] 王民等.切削系統(tǒng)可變剛度結(jié)構(gòu)及其顫振控制方法的研究[N].北京：機(jī)械工程學(xué)報(bào),2002 [10] 王世龍，王麗娜.提高鏜桿剛度的一種措施[N].吉林：吉林工學(xué)院學(xué)報(bào)，1999 [11] 陳曉霞.ANSYS7.0 高級(jí)分析[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2004 [12] 李啟堂，胡榮生.動(dòng)力吸振器在鏜桿中的應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1997 目錄 中文摘要..................................................

7、.................................................1 英文摘要...................................................................................................2 第一章 緒論 1.1課題研究的學(xué)術(shù)背景.....................................................................4 1.2減振鏜桿的國(guó)內(nèi)外研究水平和發(fā)展趨勢(shì).........................

8、............5 1.3課題來源.................................................................................... ...6 1.4主要研究?jī)?nèi)容、設(shè)計(jì)方法........................................................ ...7 1.4.1主要研究?jī)?nèi)容..............................................................................7 1.4.2建立減振系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型..

9、........................................................7 第二章 有限元分析軟件ANSYS. 2.1有限元分析軟件ANSYS簡(jiǎn)介......................................................8 2.2 ANSYS軟件的組成......................................................................8 2.3ANSYS軟件主要特點(diǎn)............................................

10、........................9 第三章 減振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與數(shù)學(xué)模型的建立 3.1鏜桿桿體材料的選擇................................ ...................................9 3.2鏜桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).............................................................................10 3.3阻尼器的設(shè)計(jì)..................................................................

11、...... .......10 3.3.1幾種可選材料 ............................................................................10 3.4 阻尼液的選取 ............................................................................. 10 3.5彈簧的選擇............................................................................... ....11

12、 3.6可選材料的特性.............................................................................11 3.7彈簧材料的選取.............................................................................12 3.8減振塊的設(shè)計(jì)........................................................................ .......13 3.9刀頭的選擇...............

13、............................................................... .....13 3.9.1減振系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立 ........................................................13 3.9.2對(duì)切削力的分析 ........................................................................14 3.9.3系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程的建立與求解 ...............................

14、.....................14 第四章 模型建立 4.1多剛體動(dòng)力學(xué)模型的建立.................................................. .........15 4.1.1模型的坐標(biāo)系統(tǒng)........................................................................16 4.1.2模型的建立..............................................................................16

15、 4.2多柔體動(dòng)力學(xué)模型的建立...........................................................16 4.2.1模態(tài)中性文件的建立.......................................................... 16 4.2.2單元類型和材料參數(shù)............................................................17 4.2.3定義單元實(shí)常數(shù).............................................

16、.......................18 4.2.4有限元模型的建立................................................................19 4.2.5模態(tài)中性文件(mnf)的輸出...................................................20 4.3 ADAMS與ANSYS的接口........................................................21 第五章 樣機(jī)的仿真與參數(shù)化分析 5.1減振系統(tǒng)固有頻率

17、的求取.................................................. .......22 5.2減振系統(tǒng)當(dāng)量質(zhì)量的確定 ..........................................................23 5.3系統(tǒng)參數(shù)的確定 ................................................................... .....23 5.4模型在頻域內(nèi)的仿真結(jié)果.......................................................

18、....27 5.5結(jié)論.................................................................. ................... ......27 5.6參數(shù)分析................................................................. ....................32 5.7設(shè)計(jì)參數(shù)變量化.................................................................. .......32 5.8定義

19、目標(biāo)函數(shù)................................................................... ....... .32 5.9分析彈簧剛度系數(shù)對(duì)刀刃跳動(dòng)量的影響...................................33 5.9.1分析阻尼系數(shù)對(duì)刀刃跳動(dòng)量的影響......................................33 結(jié)論.............................................................................. ..........

20、..........34 參考文獻(xiàn).............................................................................. ............34 附件、 外文資料..............................................................................37 深孔加工動(dòng)力減振鏜桿的有限元分析 摘要 隨著金屬加工行業(yè)的發(fā)展，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，對(duì)加工質(zhì)量和加工效率提出了越來越高的要求。深孔加工由于其特殊的加工環(huán)境，使鏜桿桿體的尺寸和形

21、狀都要受到一定的限制，造成了鏜桿的剛度較低，特別是在鏜桿的長(zhǎng)徑比比較大的情況下，鏜桿的剛度會(huì)更小，這將嚴(yán)重影響加工質(zhì)量，甚至使加工無法正常進(jìn)行。如何減小鏜削過程中的振動(dòng)已成為迫待解決的問題。 要研究鏜桿的切削過程，就必須建立鏜桿系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程。而用傳統(tǒng)的方法是不可能建立一個(gè)精確的動(dòng)力學(xué)方程的。虛擬樣機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)提供了一個(gè)解決問題的方法。虛擬樣機(jī)技術(shù)的核心是機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、有限元理論和控制理論等建模理論及其技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。有限元分析與機(jī)械系統(tǒng)仿真擁有相同的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)求解基礎(chǔ)，它們之間結(jié)合起來，可更好地實(shí)現(xiàn)機(jī)械系統(tǒng)剛?cè)狁詈蟿?dòng)力仿真分析研究。利用虛擬樣機(jī)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程的自動(dòng)生成并精確求

22、解，可在研究階段預(yù)測(cè)鏜桿的動(dòng)力學(xué)性能，對(duì)這些性能進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到提高產(chǎn)品性能、縮短開發(fā)時(shí)間、減少開發(fā)費(fèi)用的目的。 本文借鑒了國(guó)外先進(jìn)的鏜桿制造技術(shù)，采用內(nèi)置式動(dòng)力減振的結(jié)構(gòu)來增加鏜桿的動(dòng)剛度，并對(duì)動(dòng)力減振鏜桿進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，建立了減振系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。在運(yùn)動(dòng)特性分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化中采用虛擬樣機(jī)技術(shù)，利用ANSYS軟件聯(lián)合建立了減振系統(tǒng)的多柔體動(dòng)力學(xué)模型。以減小鏜削過程中刀刃的徑向跳動(dòng)量為目標(biāo)對(duì)動(dòng)力減振鏜桿虛擬樣機(jī)進(jìn)行仿真優(yōu)化分析，得出了減振系統(tǒng)的最優(yōu)參數(shù)。 關(guān)鍵詞:減振器；鏜孔；虛擬樣機(jī)；動(dòng)力學(xué)仿真；參數(shù)化分析 Dynamic Simulation and Parametric Analy

23、sis of Dynamical Vibration Absorption Boring Bar for Deep-Hole Processing Abstract With the developmem of metal machining industry and the increasingly fierce market competition，the higher demand for machining quality and efficiency is put forward．The size and shape of the boring bar are restric

24、tedbecause of the special machining condition in the deep—hole processing．This produces the low stiffness of the bodng bar which will become lower especially with the big length—diameter ratio ofthe b ar．Thc machining quality will be badly affected and the machining call not be on the rails due to t

25、he lower stiffness．How to reduce the vibration in the boring processing has become an urgent problem． The dynamical equation of boring bar system must be build up for studying the cutting processing of the boring bar．But all accurate dynamical equation can not be built with the traditional method．

26、The appearance of virtual prototype technology offers a way tO solve the problem，The core of the virtual prototype technology is on the realization of modeling theories and technology,mechanical system dynamics，finite element theory and control theory,etc．The finite element analysis and mechanical s

27、ystem simulation，which have the same solution foundation of systematic dynamics，combine to achieve accurate simulating analysis of coupling motive between the rigid and flexible．By using virtual prototype technology,we carl realize the automatically building and accurately solving of the mechanism s

28、ystem dynamical equation，predict and optimize the system dynamics performance in the course of studying．11le improvement of product properties，construction period and expense reduction are achieved． Reference of the foreign advanced manufacture technology of boring bar is used in this article．We ad

29、opt a boring bar with dynamical vibration absorption system in it tO increase the stiffness of the boring bar,design its structure，set upthe mathematicaI model of the vibration absorption system．In the movement characteristic analysis and structure optimization virtual prototype technology is adopte

30、d，and multi flexible body dynamical model of the vibration absorption system are build up by using the So,ware of ADAMS and ANSYS．Aiming at reducing the radial vibrational value of the edge of knife in the boring processing，the virtual prototype of vibration absorption boring bar have been simulated

31、， optimized and analyzed，and optimized parameter are obtained finally． The analysis skill and the conclusion，especially the building and simulation result of the vibration absorption model，providing reliable evidence for the boring bar with dynamical vibration absorption system in it，are importan

32、t reference for the method of dynamical vibration absorption and the development and research of severaI of vibration absorption boring bar． Keywords vibration absorber；boring operation；virtual prototype； dynamic simulation；parametric analysis 第1章緒論 1．1課題研究的學(xué)術(shù)背景 任何一個(gè)強(qiáng)大的國(guó)家都必須具有包括金屬切削加工在內(nèi)的

33、強(qiáng)大制造業(yè)基礎(chǔ)。在整個(gè)2l世紀(jì)中，金屬切削加工仍是機(jī)械制造業(yè)的主導(dǎo)方法。切削加工技術(shù)廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，并且要求越來越高，特別是對(duì)加工精度的要求也越來越嚴(yán)格。在很多情況下，為了滿足對(duì)加工的要求，對(duì)刀具的性能提出了更高的要求，這種情況在轎車工業(yè)中體現(xiàn)得最為明顯。從80年代起，我國(guó)相繼從德國(guó)、美國(guó)、法國(guó)、日本等國(guó)引進(jìn)了較先進(jìn)的轎車車型和數(shù)控自動(dòng)生產(chǎn)線，這使我國(guó)轎車的制造工業(yè)得到了空前地發(fā)展。在轎車制造工業(yè)中，決定轎車性能和技術(shù)水平的大多數(shù)關(guān)鍵零、部件是通過刀具切削加工最終完成的。并且，切削刀具的性能已成了提高轎車零、部件自動(dòng)生產(chǎn)線加工工藝技術(shù)水平、生產(chǎn)效率、制造精度和降低成本的重要保證。同樣在加

34、工航空航天等軍品工件時(shí)。為了提高工件的綜合性能來達(dá)到某些特殊的要求，需要一次成型，所利用的刀具必須實(shí)現(xiàn)特殊功能。 在機(jī)械加工中內(nèi)孔加工是所占比例較大的一種重要的加工方法，約占整個(gè)加工工作量的1／4，而深孔加工又在內(nèi)孔加工中占有很大的比例，所以深孔加工問題是否解決好，將會(huì)直接影響機(jī)器產(chǎn)品的生產(chǎn)進(jìn)度和產(chǎn)品質(zhì)量。特別是在重型機(jī)器制造業(yè)中，能否掌握它，運(yùn)用自如，將會(huì)對(duì)生產(chǎn)有著決定性的影響，也影響到機(jī)器產(chǎn)品的質(zhì)量。而深孔加工中最常見的疑難問題就是細(xì)長(zhǎng)車刀和鏜桿的長(zhǎng)徑比不夠或動(dòng)剛度不夠，從而不能滿足被加工工件的要求． 通常，長(zhǎng)徑比小于4的鏜桿在加工工件時(shí)不會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。但是在許多應(yīng)用中，例如在車

35、內(nèi)螺紋和內(nèi)表面開槽時(shí)，振動(dòng)有可能在長(zhǎng)徑比為2．3之間時(shí)就開始了“。當(dāng)鏜桿受到一個(gè)持續(xù)的切削力時(shí)，稈長(zhǎng)從桿直徑的4倍增加到10倍時(shí)偏差將增加16倍。在同樣的切削力作用下，桿長(zhǎng)迸一步增加到桿直徑的12倍時(shí)，將增加另外的70％的偏差。對(duì)于同樣的切削力，保持鏜桿的直徑不變的情況下桿直徑由25mm增加雪]32mm會(huì)減少62％的偏差。也就是說，在鏜桿的長(zhǎng)徑比大于4倍時(shí)，鏜桿本身的剛度已經(jīng)明顯達(dá)不到加工的要求。減少鏜桿懸伸長(zhǎng)度和增加鏜桿桿體的直徑對(duì)于減少鏜桿的變形量是有利的。但是，由于受加工工件尺寸的限制，改變這兩個(gè)參數(shù)是不現(xiàn)實(shí)的．另外，通過減少切削用量來降低切削力也可以達(dá)到減少鏜桿變形量的目的，但這樣勢(shì)必

36、會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)效率下降，而且在某些情況下，即使減小切削力也不能達(dá)到加工要求，所以這也不是最好的解決方法 為解決此類問題，本文采用內(nèi)置式動(dòng)力減振結(jié)構(gòu)的防振鏜桿，它可以在造價(jià)相對(duì)比較低的情況下，實(shí)現(xiàn)較大長(zhǎng)徑比。在機(jī)械加工中，利用減振鏜桿，可以提高表面加工質(zhì)量，大大提高工作效率，特別是在深孔加工中運(yùn)用此減振鏜桿，對(duì)提高內(nèi)表面質(zhì)量以及加快切削速度都會(huì)有很大的幫助。 1．2減振鏜桿的國(guó)內(nèi)外研究水平和發(fā)展趨勢(shì) 鏜桿對(duì)孔進(jìn)行加工的方式在傳統(tǒng)上稱為鏜孔加工。鏜孔加工可以在鏜床上進(jìn)行，也可以在普通車床或者在數(shù)控車削加工中心進(jìn)行加工。 鏜孔加工與一般的軸類加工有所區(qū)別。一般車床

37、車削軸類零件時(shí)，為了使刀具的剛度達(dá)到要求，并保證加工的質(zhì)量，刀具形狀可以選擇得比較租、比較短。但在進(jìn)行鏜孔加工的時(shí)候，鏜桿是在被加工的工件內(nèi)，鏜桿的尺寸和形狀都要受到一定的限制，造成了刀具的剛度較低，特別是在孔徑較小、孔深值比較大的情況下，鏜桿的剛度將會(huì)更小．由于，在切削時(shí)，剛度較低的情況下很容易引起切削振動(dòng)，因此為了減少振動(dòng)應(yīng)盡量增大鏜桿的動(dòng)剮度。 減振鏜桿在機(jī)械行業(yè)的研究中，已經(jīng)有很長(zhǎng)的歷史了，但減振鏜桿的研究和發(fā)展是比較緩慢的。到目前為止，世界上只有為數(shù)不多的幾家廠商能生產(chǎn)出性價(jià)比較好的產(chǎn)品。 在國(guó)外，日本三菱公司和東芝公司已經(jīng)有系列化的產(chǎn)品。如圖1．1所示，三菱公司的設(shè)計(jì)思想是減輕

38、鏜桿的頭部重量，從而使鏜桿的動(dòng)剛度在很大程度上得到改良。從材料力學(xué)的角度進(jìn)行分析可以知道，這種刀具利用了細(xì)長(zhǎng)杠桿的端部應(yīng)力的邊緣效應(yīng)，即杠桿端部受垂直于杠桿的作用力時(shí)，杠桿端部靠上的那部分的內(nèi)應(yīng)力比較小，因此可以忽略不計(jì)。當(dāng)鏜桿頭部所受的作用力偏離中心時(shí)，頭部遠(yuǎn)離作用力的部分內(nèi)應(yīng)力比較小。所以當(dāng)鏜桿受到偏心力時(shí)，刀頭的那兩部分可以切掉一些，這樣不僅鏜桿頭部的重量減少了很多，而且靜剛度的減少量也較小，同時(shí)鏜桿的動(dòng)剛度在很大程度上的得到了改良。但是應(yīng)當(dāng)指出這種處理辦法還存在很多的問題，其主要問題是采用頭部切除法有很大的局限性，即其長(zhǎng)徑比不能達(dá)到太大。 東芝公司的減振鏜桿是在刀具的兩邊平行的切掉一

39、部分，再用剛度和強(qiáng)度大的材料嵌在兩邊，從而提高鏜桿的靜剛度。如圖1．2所示，這種鏜桿的原理簡(jiǎn)單，其鑲嵌在桿兩側(cè)的硬質(zhì)材料和刀體粘結(jié)程度是影響鏜桿質(zhì)量的關(guān)鍵因素。同時(shí)由于受到兩條加固材料的剛度、厚度和它與桿體粘結(jié)的緊密程度的影響，因此長(zhǎng)徑比的值也受一定的局限。 美國(guó)Kenametal公司生產(chǎn)的減振鏜桿(最大長(zhǎng)徑比LfD=8)主要是采用特殊的材料制成，也屬于提高鏜桿靜剛度的一種。 瑞典Sandvik公司的減振鏜桿(最大長(zhǎng)徑比UD=16)是目前最先進(jìn)的鏜桿，它所采取的方法是給鏜桿加內(nèi)置減振器，如圖1．3所示。這雖然提高了鏜桿的動(dòng)剛度，但也有它的局限性，例如減振塊的密度不可能太大，阻尼器的

40、壽命嚴(yán)重地影響這種鏜桿的使用壽命。 國(guó)內(nèi)的一些減振鏜桿很多都處于研究階段，采用的大多是增加鏜桿靜剛度的方法，例如在桿體的芯部鑲?cè)胗操|(zhì)合金的鏜桿嗍嘲。但是大部分的減振措施都是在工藝上進(jìn)行改良或是在加工過程中采用一些技巧。 到目前為止，國(guó)內(nèi)的工具廠商還沒有在減振鏜桿的制造方面有大的進(jìn)展，特別是在制造長(zhǎng)徑比比較大的鏜桿方面，而且對(duì)內(nèi)置式減振鏜桿的開發(fā)工作也還很少。 1.3課題來源 本課題來源于齊齊哈爾第一機(jī)床廠實(shí)際應(yīng)用項(xiàng)目，解決的問題是如何減小 切削過程中鏜桿的徑向彎曲振劫．增加鏜桿的動(dòng)剛度，減小刀刃在切削時(shí)的徑 向跳動(dòng)量是提高深孔加工表面質(zhì)量的關(guān)鍵。 1．4主

41、要研究?jī)?nèi)容、設(shè)計(jì)方法 1．4．1主要研究?jī)?nèi)容 由于在深孔加工中鏜稈的彎曲振動(dòng)對(duì)孔的加工質(zhì)量及對(duì)孔的二次加工的影響尤為重要，因此本課題的主要目的是降低鏜桿在鏜削過程中的彎曲振動(dòng)，即減小刀刃的徑向跳動(dòng)量，從而提高深孔的加工質(zhì)量。 利用軟件ANSYS求出鏜桿系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型所需的參數(shù)。 1．4．2建立減振系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 1)簡(jiǎn)化模型； 2)建立動(dòng)力學(xué)方程； 3)解方程，得到各參數(shù)之間的關(guān)系． 第2章 有限元分析軟件ANSYS 2．1有限元分析軟件ANSYS簡(jiǎn)介 ANSYS軟件誕生于上世紀(jì)70年代，在有限元的發(fā)展史上，一直作為一個(gè)重要成員存在，在激

42、烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，生存下來并不斷發(fā)展壯大，目前是世界上最有影響的有限元軟件之一。 ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國(guó)ANSYS開發(fā)，它能與多數(shù)CAD軟件接I：1，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Pro／Engineer, NASTRAN，PATRAN，SolidEdge，I--DEAS，AutoCAD等，是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級(jí)CAD工具之一。 本課題充分利用ANSYS強(qiáng)大的建模功能，生成了虛擬樣機(jī)的彈性部件，并通過與ADAMS的接口命令輸出了模態(tài)中性文件，為振動(dòng)系統(tǒng)模型的建立奠定了基礎(chǔ)。 2．2 ANSYS軟

43、件的組成 ANSYS軟件主要包括三個(gè)部分：前處理模塊、分析計(jì)算模塊和后處理模塊。 1．前處理模塊它為用戶提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型，軟件提供了100種以上的單元類型，用來模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料 2．分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析(可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析)、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析以及多物理場(chǎng)的禍合分析，可模擬多物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力。 3．后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以色彩等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示(可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部)等圖形方式顯示出來，

44、也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。 2．3 ANSYS軟件主要特點(diǎn) ANSYS軟件有如下技術(shù)特點(diǎn)： 1．唯一能實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)及多場(chǎng)耦合分析的軟件。 2．唯一實(shí)現(xiàn)前后處理、求解及多場(chǎng)分析統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)的一體化大型FEA軟件。 3．唯一具有多物理場(chǎng)優(yōu)化功能的FEA軟件。 4．強(qiáng)大的非線性分析功能。 、 5．多種求解器分別適用于不同的問題及不同的硬件配置。 6．支持異種、異構(gòu)平臺(tái)的網(wǎng)格浮動(dòng)，在異種、異構(gòu)平臺(tái)上用戶界面統(tǒng)一、數(shù)據(jù)文件兼容。 7．強(qiáng)大的并行計(jì)算功能，支持分步式并行及共享內(nèi)存式并行。 8．豐富的網(wǎng)絡(luò)劃分工具，支持自由網(wǎng)格、映射網(wǎng)格、智能網(wǎng)格、自適應(yīng)網(wǎng)格等，

45、以確保單元形態(tài)及求解精度。 9．完全交互式的前后處理和圖形軟件，大大減輕了用戶創(chuàng)建工程模型、生成有限元模型以及分析和評(píng)價(jià)計(jì)算結(jié)果的工作量。 10．ANSYS系列的各種產(chǎn)品和適應(yīng)于各種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)平臺(tái)的版本為用戶提供了各種可能的選擇。 第3章減振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與數(shù)學(xué)模型的建立 3．1鏜桿桿體材料的選擇 這里我們所研究的主要是鏜桿的振動(dòng)特性，而在模型中我們所關(guān)心的是決定鏜桿桿體所用材料的特性參數(shù)——密度和彈性模量的值。為了使模型適合對(duì)不同材料的鏜桿的研究，我們將在模態(tài)中性文件的建立中對(duì)桿體的材料采用參數(shù)化的描述。在系統(tǒng)中選用45鋼來做桿體的材料，如選用其他的材料可通過直接修改相應(yīng)

46、的變量值來實(shí)現(xiàn)。 3．2鏜桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 這里我們將選用長(zhǎng)度為500mm、直徑為50mm的桿體進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)于給定減振塊的減振系統(tǒng)的減振效果由減振塊所在點(diǎn)的振動(dòng)幅值來確定。因此，減振塊通常被安裝在桿的最遠(yuǎn)端。另一個(gè)決定減振效果的因素是減振系統(tǒng)內(nèi)部減振塊的質(zhì)量值。在減振系統(tǒng)中減振塊必須放在桿的內(nèi)部。這就限制了減振器沿桿軸向的位置和內(nèi)部減振塊的尺寸。減振塊必須放在直徑比桿直徑小許多的內(nèi)孔中。為了達(dá)到理想的減振效果，減振塊必須選用密度值非常大的材料。動(dòng)力減振鏜桿的基本結(jié)構(gòu)如圖3．1所示。 在圖3-l所示的動(dòng)力減振鏜桿中，減振塊由兩個(gè)O型橡膠圈支撐，并且，減振塊被特殊的油狀液體所環(huán)繞。橡膠

47、在徑向的變形與負(fù)載之間具有非線性特性。在加工過程中諧振蕩(振動(dòng))一旦產(chǎn)生，減振系統(tǒng)將立即發(fā)揮作用，鏜桿的動(dòng)能將被減振系統(tǒng)吸收。這樣就使振動(dòng)最小化，切削工況最優(yōu)化。這種結(jié)構(gòu)的鏜桿抗顫振能力更強(qiáng)，加工范圍廣。 鏜桿桿體的尺寸選擇如圖3-2所示，但這些尺寸需要經(jīng)過仿真試驗(yàn)才能知道正確與否。 3．3阻尼器的設(shè)計(jì) 阻尼器放置在減振鏜桿的內(nèi)部，并且只有在桿體和減振塊之fBJ時(shí)才能起到減振作用，因此，阻尼器需要選擇粘度系數(shù)比較大的液體或者是固液混合物。在鏜桿進(jìn)行切削加工時(shí)，鏜桿的內(nèi)部溫度會(huì)升高，但由于冷卻液和切屑帶走了大部分熱量使得鏜桿桿體內(nèi)壁溫度不致于過高，這樣給我們選擇阻尼材料帶來很大

48、方便“”。硅油是一種比較好的液體阻尼材料，很多國(guó)外的刀具選用硅油作為減振鏜桿的阻尼材料，下面是一些硅油阻尼材料，我們將對(duì)他們的特性進(jìn)行分析比較。 3．3.1幾種可選的材料 1．甲基硅油甲基硅油是一種無色透明的油狀液體。品種較多，運(yùn)動(dòng)粘度可調(diào)整范圍為10．1000(MPa·s)，同時(shí)它的保存時(shí)問較長(zhǎng)。而且它的顆粒大，不易泄漏?？梢娂谆栌褪且环N很好的阻尼材料，完全可以用在此減振鏜桿中。 2．高粘度乙基硅油外觀無色或淡黃色液體，20℃粘度(MPa·s)：10000- 100000。乙基硅油對(duì)金屬無腐蝕，且具有粘度隨溫度變化小、凝固點(diǎn)低、耐高溫、抗氧化、防水性、介電性和潤(rùn)滑性能好。同時(shí)他還有較

49、低的蒸汽壓、較小的揮發(fā)性、較大的可壓縮性和低的表面力。所以它也是很好的阻尼材料。 3．4阻尼液的選取 為了選用合理的材料作為阻尼液，先把阻尼液的參數(shù)假定，經(jīng)過仿真后再確定阻尼液的最佳參數(shù)值。在后面章節(jié)的動(dòng)力學(xué)仿真中，模型可以實(shí)現(xiàn)的仿真和優(yōu)化是振動(dòng)過程中阻尼液對(duì)減振塊的線性阻尼系數(shù)。而要把阻尼液對(duì)減振塊的阻尼系數(shù)轉(zhuǎn)換成阻尼液的粘度系數(shù)，從而精確地選材，還需要通過不同工況下的具體實(shí)驗(yàn)來解決。 3．5彈簧的選擇 減振彈簧也是減振系統(tǒng)的一部分，彈簧的形狀和大小以及彈簧材料的彈性模量直接影響彈簧彈性系數(shù)和物理性能。 3．6可選用材料的特性 彈簧可以選擇的材料有金屬橡膠、橡膠、尼龍、以及

50、其他有機(jī)物，下面對(duì)這些材料進(jìn)行比較。 金屬橡膠彈簧具有一系列優(yōu)點(diǎn)： 1．可以根據(jù)需要選擇金屬和橡膠的結(jié)構(gòu)形式，調(diào)整橡膠配方和成形工藝來控制彈性系數(shù)，以滿足各項(xiàng)剛度和強(qiáng)度的要求； 2．有適當(dāng)?shù)淖枘?，有利于越過共振區(qū)，衰減和吸收高頻振動(dòng)與噪音； 3．沖擊剛度大于動(dòng)剛度和靜剛度，有利于緩和沖擊； 4．體積小，重量輕，免維修。 橡膠材料具有顯著的高彈性，在外力作用下，很容易發(fā)生極大的變形，但除去外力以后又恢復(fù)原來的狀態(tài)，這是橡膠區(qū)別于其他材料的最主要的特性。此外，橡膠還具有極高的可撓性、耐磨性、耐腐蝕性但橡膠在200Hz附近振動(dòng)的傳遞能力隨頻率起伏不定。 3．7彈簧材料的選取 雖然橡膠

51、圈在徑向的變形與負(fù)載之間具有非線性特性，但由于變形量很小，在做仿真和優(yōu)化時(shí)可認(rèn)為是線性變形，并用作用在減振塊質(zhì)心上的線性彈簧代替減振塊兩端的O形支撐橡膠圈。彈簧材料的選取應(yīng)根據(jù)模型仿真優(yōu)化后所求得的彈簧的剛度系數(shù)來選取。 3．8減振塊的設(shè)計(jì) 減振塊的材料選擇是減振系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵，國(guó)外的減振鏜桿一般選擇密度比較高的“重合金”作減振塊?！爸睾辖稹边@類材料通常為密度很高，超過1 7∥cm3的鎢基合金。粉末混合物所產(chǎn)生的傳統(tǒng)的W-Ni。Fe和W-N扣Cu重合金具有滿足常規(guī)要求的力學(xué)性能：極限抗拉強(qiáng)度650,．-700MPa、沖擊強(qiáng)度10,．．30J／cm2，延伸率6．50／o-7．5％。由于新技術(shù)

52、的發(fā)展對(duì)重合金的要求越來越苛刻，要求合金有更高的力學(xué)性能。 本文選擇密度為11．35∥cm3的鉛作為減振塊的材料，這是因?yàn)殂U的價(jià)格較低并容易獲得，若需更好的減振效果則可以選擇密度更大的“重合金”。而在動(dòng)力學(xué)仿真當(dāng)中可以采用參數(shù)化的設(shè)計(jì)使減振塊的質(zhì)量為一變量，從而使減振模型適合不同密度的減振塊的分析。減振塊體積的選取受到內(nèi)孔的限制，在設(shè)計(jì)中選用長(zhǎng)為120ram、半徑為10mm的圓柱體。可得減振塊的質(zhì)量m，=0．426kg。本文選擇密度為11．35∥cm3的鉛作為減振塊的材料，這是因?yàn)殂U的價(jià)格較低并容易獲得，若需更好的減振效果則可以選擇密度更大的“重合金”。而在動(dòng)力學(xué)仿真當(dāng)中可以采用參數(shù)化的設(shè)計(jì)

53、使減振塊的質(zhì)量為一變量，從而使減振模型適合不同密度的減振塊的分析。減振塊體積的選取受到內(nèi)孔的限制，在設(shè)計(jì)中選用長(zhǎng)為120ram、半徑為10mm的圓柱體?？傻脺p振塊的質(zhì)量m，=0．426kg。 3．9刀頭的設(shè)計(jì) 目前大多數(shù)產(chǎn)品的刀頭都用輕質(zhì)鋁合金制成，還有許多廠家采用了優(yōu)化結(jié)構(gòu)的刀頭，目的就是想減輕刀頭的質(zhì)量，提高鏜桿整體的減振效果。本課題采用鋁合金刀頭，在樣機(jī)中刀頭的材料屬性用鋁來代替。由于在樣機(jī)中刀頭被看成是剛體，因此刀頭的質(zhì)心決定了刀頭的位置，而和刀頭的外部形狀無關(guān)，因此可任選刀頭的形狀。在實(shí)際的應(yīng)用中可通過修改刀頭質(zhì)心的位置來確定刀頭的位置。 3．9. 1減振系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立

54、對(duì)減振系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化，并建立簡(jiǎn)化系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程也是很必要的。通過對(duì)簡(jiǎn)化后的減振系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程的求解，可以對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)特性作定性的理論分析，并可以求出ADAMS下模型的初始輸入?yún)?shù)，從而保證參數(shù)優(yōu)化時(shí)優(yōu)化過程的快速收斂。 3．9. 2對(duì)切削力的分析 通常把在沒有振動(dòng)的條件下進(jìn)行的切削過程稱為靜態(tài)或穩(wěn)態(tài)切削過程，而把產(chǎn)生振動(dòng)的切削過程稱為動(dòng)態(tài)切削過程。前者在切削過程中產(chǎn)生的切削力是穩(wěn)定不變的，而后者的切削力則是周期性變化的。如果把鏜桿整體看成一個(gè)系統(tǒng)，那么鏜桿所受的切削力就是系統(tǒng)的外部輸入，而系統(tǒng)的輸出為鏜桿切削刃的位移量。為了研究鏜桿系統(tǒng)在各種工況下的振動(dòng)幅值，就必須研究振動(dòng)模型在整個(gè)頻域內(nèi)的

55、幅頻響應(yīng)特性。這里我們假設(shè)鏜桿系統(tǒng)所受的動(dòng)態(tài)切削力為300N的正弦力。 3．9. 3系統(tǒng)的簡(jiǎn)化 減振系統(tǒng)的桿體是由一個(gè)連續(xù)體和一個(gè)振動(dòng)單元組成的，如圖3．1所示。根據(jù)振動(dòng)力學(xué)的理論分析可以知道，這樣的系統(tǒng)建立方程很不方便，必須進(jìn)行簡(jiǎn)化。 減振鏜桿的模型可以簡(jiǎn)化為如圖3-3所示。 在圖3．3中為簡(jiǎn)化模型的方便，選取了鏜桿桿體內(nèi)孔的中心點(diǎn)(即圖3．2中的A點(diǎn))作為研究振動(dòng)的點(diǎn)，鏜桿的質(zhì)量將被集中在這一點(diǎn)，可以認(rèn)為有一個(gè)質(zhì)量塊等效地加在這一點(diǎn)，等效質(zhì)量塊的質(zhì)量就是鏜桿的當(dāng)量質(zhì)量，鏜桿在此研究點(diǎn)的剛度被看作是彈簧的彈性系數(shù)kl?？諝饽Σ梁屠鋮s液的阻尼影響，根據(jù)不同的情況，可以取不同的值

56、。當(dāng)鏜桿的振動(dòng)頻率較低時(shí)，可以忽略不計(jì)；而當(dāng)振動(dòng)頻率較高時(shí)，空氣阻尼有時(shí)可以忽略，但冷卻液的阻尼卻不可以忽略。 這樣就把減振鏜桿系統(tǒng)簡(jiǎn)化成了具有兩個(gè)自由度的有阻尼振動(dòng)系統(tǒng).我們把由m1,k1組成的系統(tǒng)稱之為主系統(tǒng)，把由m2,k2和c組成的減振裝置稱之為減振器。 3．9. 4系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程的建立與求解 下面首先建立簡(jiǎn)化系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程： 根據(jù)運(yùn)動(dòng)方程，可求得主質(zhì)量和輔助質(zhì)量的相對(duì)振幅為： 式中A1,A2---主質(zhì)量、輔助質(zhì)量的振幅： 由上圖可知，不同阻尼比的所有曲線都經(jīng)過P、Q兩點(diǎn)。因此這兩點(diǎn)的位置與阻尼無關(guān)。在設(shè)計(jì)有阻尼動(dòng)力減振器時(shí)，應(yīng)保證減振器在整個(gè)頻率范圍內(nèi)

57、，都有較好效果，為此，應(yīng)使P、0兩點(diǎn)的縱坐標(biāo)相等，而且成為幅頻響應(yīng)曲線的最高點(diǎn)。如圖3-5所示。 根據(jù)以上公式，即可確定有阻尼動(dòng)力減振器各個(gè)參數(shù)的值。由式(3-7) 可以看出，增加質(zhì)量比U1，主系統(tǒng)的振幅4將減小，減振效果提高。 振鏜桿的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)限制了減振塊體積的上限。因此我們?cè)谠O(shè)計(jì)減振塊時(shí)，應(yīng)選擇密度大的材料，并在盡量使減振塊體積比較大的情況下合理選擇減振腔的結(jié)構(gòu)。根據(jù)減振腔的結(jié)構(gòu)確定減振塊的形狀，從而確定減振塊的質(zhì)量肌，。通過在ADAMS中對(duì)虛擬樣機(jī)進(jìn)行仿真并進(jìn)行頻域內(nèi)的分析，可求出減振鏜桿在研究點(diǎn)處的剛度k1與當(dāng)量質(zhì)量m1。由式(3-6)求出最佳固有頻率比，根據(jù)aop和

58、m2得減振器的彈簧剛度K2，再用式(3．5)算出最佳阻尼比Sop及相應(yīng)的阻尼系數(shù)c．還應(yīng)注意到一點(diǎn)，減振器安裝在鏜桿桿體內(nèi)，因此減振塊的運(yùn)動(dòng)方程受到客觀條件的限制，即減振塊和桿體的位移差不能大于減振鏜桿內(nèi)腔直徑與減振塊直徑差的一半。 第四章 多剛體動(dòng)力學(xué)模型的建立 鏜桿刀刃的徑向跳動(dòng)量是影響加工質(zhì)量的主要因素，因此必須研究鏜桿在外界激勵(lì)下的彈性變形。而徑向跳動(dòng)量的減小是通過鏜桿內(nèi)的減振單元與桿體的相互作用來實(shí)現(xiàn)的，所以對(duì)該減振系統(tǒng)的研究屬于多柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)范疇。針對(duì)該減振系統(tǒng)的特點(diǎn)，可選用有限元分析軟件ANSYS和多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS聯(lián)合建立減振系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)仿真模型。

59、 4．1多剛體動(dòng)力學(xué)模型的建立 4．1．1模型的坐標(biāo)系統(tǒng) ADAMS采用了兩種直角坐標(biāo)系：全局坐標(biāo)系和局部坐標(biāo)系，他們之間 通過關(guān)聯(lián)矩陣相互轉(zhuǎn)換。全局坐標(biāo)系是固定坐標(biāo)系，他不隨人和機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)。它是用來確定構(gòu)件的位移、速度、加速度等的參考系。局部坐標(biāo)系固定在構(gòu)件上，隨構(gòu)件一起運(yùn)動(dòng)。ADAMS自動(dòng)為每一個(gè)部件選擇一個(gè)基點(diǎn)。并自動(dòng)以此基點(diǎn)為原點(diǎn)建立一個(gè)局部坐標(biāo)系，構(gòu)件在空間運(yùn)動(dòng)時(shí)，其運(yùn)動(dòng)的線物理量(如線位移、線速度)可由局部坐標(biāo)系相對(duì)于總體坐標(biāo)系移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的相應(yīng)物理量確定。本模型的全局坐標(biāo)系以鏜桿桿體軸心線為z軸，其正方向?yàn)殓M桿的刀頭端，鏜桿桿體與機(jī)床的圓切面中心作為原點(diǎn)，Y軸方向

60、垂直向上。x，y，z三軸 構(gòu)成右手笛卡幾坐標(biāo)系。局部坐標(biāo)系則由ADAMS在每個(gè)部件上自動(dòng)建立。 4．1．2模型的建立 在建立模型前需做如下假設(shè)： 1．裝配間隙為零，制造誤差忽略不計(jì)； 2．橡膠圈和阻尼液由線性彈簧和線性阻尼代替； 3．除了彈性元件——鏜桿桿體外，各部件均視為剛體。 4．在切削過程中影響表面加工質(zhì)量的主要因素是刀刃的徑向跳動(dòng)量，所以在計(jì)算和仿真的時(shí)候，只考慮引起鏜桿徑向彎曲的正弦力。 經(jīng)過合理簡(jiǎn)化后，可以直接用動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS進(jìn)行多剛體動(dòng)力學(xué)模型的建立。所建模型如圖4．1所示。 這時(shí)，對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn)，會(huì)彈出如圖4-2所示的警告對(duì)話框。這是因?yàn)樗⒌?/p>

61、多剛體動(dòng)力學(xué)模型的自由度為0，而在ADAMS中的剛性形體又是不可變形的，因此，整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)不可動(dòng)的機(jī)械系統(tǒng)。這就需要引進(jìn)彈性體使鏜桿的桿體變“軟”． 4．2多柔體動(dòng)力學(xué)模型的建立 用動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS建立起來的模型為多剛體系統(tǒng)，要加入柔性的鏜桿桿體，使系統(tǒng)能夠在外部激勵(lì)下產(chǎn)生振動(dòng)，還必須輸入桿體的模態(tài)中性文件(．Mnf文件)。具體步驟如下： 1．進(jìn)入ANSYS程序，建立柔性體模型。并選擇適當(dāng)?shù)膯卧愋蛠韯澐謫卧? 2．在柔性體與剛性體的聯(lián)接處建立節(jié)點(diǎn)，此節(jié)點(diǎn)在ADAMS中將作為外部節(jié)點(diǎn)使用，如果在聯(lián)接處為空洞，則需在此處創(chuàng)建一個(gè)節(jié)點(diǎn)，并使用剛性區(qū)域處理此節(jié)點(diǎn)(外部節(jié)點(diǎn)

62、)與其周圍的節(jié)點(diǎn)； 3．選擇外部節(jié)點(diǎn)，運(yùn)行ANSYS的宏命令A(yù)DAMS生成ADAMS程序所需的模態(tài)中性文件； ． 4．進(jìn)入ADAMS程序，通過ADAMS／Flex模塊讀入模態(tài)中性文件(．mnf文件)以建立多柔性體模型； 5．指定柔性體與剛性體的連結(jié)方式，如有必要，需使用無質(zhì)量聯(lián)接物體，按照實(shí)際情況定義載荷和邊界條件． 4．2. 1模態(tài)中性文件的建立 在ADAMS／View中使用的模態(tài)中性文件(．mn政件)可以由各種有限元分析軟件來生成。目前可以生成．mn伎件的大型有限元分析軟件主要有ABAQUS、ANSYS、I-DEAS和MSC／NASTRAN等㈨．本文選用目前應(yīng)用最廣

63、泛的有限元分析軟件ANSYS來進(jìn)行J皿紋件的制作。 4．2．1．1有限元模型的建立方法及步驟 為了生成能夠恰當(dāng)?shù)孛枋瞿Ｐ蛶缀涡再|(zhì)的有限元模型，通常情況下需要首先建立幾何模型。建立幾何模型時(shí)，原則上應(yīng)盡量準(zhǔn)確地按照實(shí)際物體的幾何結(jié)構(gòu)來建立，但對(duì)于結(jié)構(gòu)形式非常復(fù)雜，而對(duì)于要分析的問題來講又不是很關(guān)鍵的局部位置，在建立幾何模型時(shí)可以根 據(jù)情況對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化，以便降低建模的難度，節(jié)約工作時(shí)間。ANSYS程序提供了以下3種生成模型的方法： 1．用ANsYS創(chuàng)建一個(gè)幾何模型； 2．利用直接生成方法： 3．輸入在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)系統(tǒng)創(chuàng)建的模型。 ANSYS提供了與其他CAD軟件和有限元分

64、析軟件的接口程序，這樣，用戶就可以在自己熟悉的CAD軟件中建立幾何模型，然后輸入到ANSYS中，作適當(dāng)?shù)男薷暮筠D(zhuǎn)化成ANSYS的幾何模型。這種建模方法適合過于復(fù)雜的幾何模型。本文利用ANSYS自身的建模功能進(jìn)行鏜桿桿體的幾何建模。 對(duì)建立的幾何模型劃分網(wǎng)格，生成包含節(jié)點(diǎn)和單元的有限元模型。有限元網(wǎng)格的劃分過程包括3個(gè)步驟： 1．定義單元屬性。包括指定單元類型、分配實(shí)常數(shù)或者截面屬性、分配材料屬性等。 2．設(shè)置網(wǎng)格控制。 3．生成網(wǎng)格。 4．2．1．1單元類型和材料參數(shù) 在有限元分析模型的建立過程中，首先要選擇單元類型和材料參數(shù)。我們首先選擇具有中間節(jié)點(diǎn)的耦合單元SOLID92，該單

65、元為10節(jié)點(diǎn)四面體單元，由于具有中間節(jié)點(diǎn)，特別適合于對(duì)不規(guī)則的實(shí)體(如通過各種CAD／CAM軟件建立的實(shí)體模型)進(jìn)行建模。而桿的兩端與剛性體的聯(lián)接處應(yīng)優(yōu)先考慮使用梁?jiǎn)卧⒌闹┲刖W(wǎng)狀的剛性區(qū)域。這是由于這種方法使力分布在整個(gè)受力面上，梁?jiǎn)卧梢蕴峁┝鶄€(gè)方向的自由度，并且可以傳遞瞬間載荷。這里我們選用適合于剮性區(qū)域建模的兩節(jié)點(diǎn)3D彈性梁?jiǎn)卧狟EAM4。 4．2．1．2定義單元實(shí)常數(shù) 單元實(shí)常數(shù)是依賴單元類型的單元特性，并不是所有的單元類型都需要實(shí)常數(shù)，在本文中需要為單元BEAM4定義實(shí)常數(shù)。對(duì)于梁和殼單元類型，ANSYS可以通過給定的截面直接計(jì)算出所需的實(shí)常數(shù)，而不需手工一一計(jì)算

66、和指定嘲。這里我們利用ANSYS軟件直接計(jì)算得出單元BEAM4的實(shí)常數(shù)。計(jì)算所得結(jié)果如圖4-4所示。 4．2．1．3有限元模型的建立 在ANSYS中進(jìn)行幾何建模并對(duì)模型進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分。在桿的兩端和研究點(diǎn)A處創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)，并分別使用剛性區(qū)域連接這三個(gè)節(jié)點(diǎn)與其周圍的節(jié)點(diǎn)?？傻玫饺鐖D4—6的有限元模型。 圖4-6有限元模型 Fig4-6 Finite element model 4．2．1．4模態(tài)中性文件(mnf)的輸出 運(yùn)行ANSYS的宏命令A(yù)DAMS，選擇三個(gè)外部節(jié)點(diǎn)，并設(shè)制單位，生成ADAMS程序所需的模態(tài)中性文件。 由于本文在ADAMS中的所有單位都采用國(guó)際單位，因此在．mnf文件的輸 出過程中必須指定ANSYS中所使用的單位系統(tǒng)。具體設(shè)置如圖4-7所示。 4．2．2 ADAMS與ANSYS的接口 通過ANSYS軟件與ADAMS軟件之間的雙向接口可以得到基于動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果的應(yīng)力應(yīng)變分析結(jié)果，提高計(jì)算精度。 在一般的整合程序中，CAD軟件的功能將被用來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕?，并將零部件的?shí)體模型組裝成系統(tǒng)的實(shí)體模型。此時(shí)，ADAMS將