大型复合材料结构强度有限元分析.
大型复合材料结构强度有限元分析
Massive composite structures Intension
Finite Element Analysis
王娟吴文科
(中国直升机设计研究所
摘要:本文选取一典型复合材料梯形梁结构,采用有限元计算程序MSC.Nastran,结合与理论分析相比拟的工程简化方法,对结构强度作简便、快捷地评估,用于指导结构的初步设计。通过对计算结果分析,突现出大型复合材料结构在静强度设计过程中的问题。
关键词:复合材料梯形梁有限元 MSC.Nastran 静强度
Abstract In the paper, We take the process of analyzing a typical massive composite structure for example to show the problems in analyzing massive composite structures’ static intension . When analyzing, we use the calculating software MSC.Nastran which base on the theory of finite element analysis.
Key words:massive composite structure, static intension, MSC.Nastran, finite element analysis
1 概述
随着航空工业的发展,人们对航空器的要求越来越高。为了增强市场竞争力,需要不断地提高航空器的性能,设法减轻结构重量,并提高结构的可靠性、维修性。在这种迫切的需求下,复合材料的出现日益显示出其得天独厚的优势和无穷的潜力。目前,复合材料在航空结构中的应用已逐渐从次结构过渡到了主结构,并进入主承力结构的设计。能否灵活准确地应用复合材料成为设计过程中的一个关键问题。在这个新兴的科目上,专家们已经作了大量的研究并取得了丰硕的成果,基础的复合材料
理论为复合材料的应用提供了理论依据。在此基础上,如何灵活的发挥是设计能力的一大考验点。一个行业的发展离不开其它行业的技术支持,各种大型计算软件在工程中的应用推动了整个世界向新时代的飞跃。基于有限元理论而编制的各种强度设计软件在强度设计中越来越占据重要地位,近年来在复合材料的设计中亦显示出强大的支持力。
复合材料结构在强度设计中考虑的破坏形式很多,在静强度设计方面主要考虑结构的屈曲破坏和纤维失效。采用有限元计算程序,结合与理论分析相比拟的工程简化方法能对结构强度作简便、快捷地评估,用于指导结构的初步设计,尤其对于大型复合材料结构更能发挥
其优越性。但在使用时仍需辅以典型的试验数据加以修正,而且计算方法仍大有可挖之处。以下是典型复合材料梯形梁结构的计算过程,采用MSC.Nastran大型通用有限元分析软件分析。该过程可大致体现有限元法在大型复合材料结构强度分析中的特点。
2 结构
选取典型复合材料梯形梁结构,结构局部三维图及详细数据如图1。
各材料参数如表1。
表1 材料参数
材料E11 E22 μ12G12 T11 T22C11 C22 S12 BS 5224/G827 130000 9400
0.0435200140050900200 98 95 5224/G803 66000 60000 0.0944600530500500450 110 66 5224/T300 140000 8600 0.04750001400501100180 99 97应力单位为MPA;长度单位为mm;力的单位为N。
图1.
3 目的
主要计算结构在集中载荷下的承弯能力,根据承载能力的分析情况指导结构设计。理论计算模型如图2,采用三点弯曲形式,载荷为作用在梁突缘中心的集中力,假定结构在施载过程中保持平面特性。
图2.
4 有限元模型
模型中所有单元为壳元。左角边线1约束Z 向位移,右角边线2约束向X 、Z 向位移,其余梁面周边线约束Y 向(梁腹板面法向位移。集中载荷作用在上突缘中心线上,载荷为任意初始值。有限元模型如图3。
计算结构的稳定性许用值和纤维失效许用值。
图3.
5 计算结果分析
结构位移云图如图4,纤维初始实效安全裕度云图如图5。
图 4.
1
角边线2
图5.
计算结果为:结构稳定性许用集中载荷为16116N;纤维初始失效许用集中载荷为6786.8N。
计算结果显示,结构在失稳破坏前就已经开始纤维破坏。按设计要求,在正常使用状态下,结构许用载荷只能定为6786.8N。而实际上,在结构纤维破坏的过程中结构承载能力仍能不断提高,同时结构的抗失稳破坏能力不断下降。这是因为设计中为增强结构稳定性而辅助加入了承载能力不高的“次”纤维,“次”纤维的存在干扰了主承力纤维的发挥。因“次”纤维的过度加入而导致整体承载能力估算值的下降——明显与设计初衷相悖。
情况1
2004 年 MSC.Software 中国用户论文集结构承载能力许用值（取两结构稳定性许用值曲线情况 2 曲线中的较小值）结构抗纤维破坏承载能力曲线结构最终破坏值点纤维完整区纤维初始破坏点纤维持续破坏区注：图中曲线仅作变化的升降示意，不代表其他意义。图6. 在其它特殊状态如坠毁状态下，可以允许纤维断裂，假定在结构抗纤维破坏承载曲线上升达到最大值前与抗失稳破坏的下降曲线相交，则该交点为结构的最终破坏值——设计中最理想的许用承载值（如图 6 中情况 1）。若结构抗纤维破坏承载曲线上升达到最大值时仍低于抗失稳破坏的许用值，则应取结构抗纤维破坏的最大值为许用承载值（如图 6 中情况 2）。通常用于计算结构纤维最终破坏值（即抗纤维破坏最大值）的方法对于简单板元件来
说比较方便，要计算出大型构件的最终破坏值却显得无从下手。从另一方面来看，若结构的稳定性许用值比纤维初始失效许用值大得多，则说明结构中存在一部分对结构承载能力无贡献的纤维铺层，徒费工费料——设计不合理。我们需要寻求一种求解更彻底、更优化的计算方法来指导设计。如何求得抗纤维破坏承载曲线与相应稳定性承载曲线的交点，或求得大型复合材料结构纤维的最终破坏值及相应破坏情况下的稳定性临界值是现在问题的关键。这一计算方法需要反复地叠代，反复地修改计算参数——依赖于有限元仿真的开发。希望这一功能早日出现！ 6 参考文献 [1] 中国航空研究所编《复合材料结构设计手册》航空工业出版社 2001 -7-
梁壳组合结构的有限元合理建模
２ 梁壳组合结构的有限元建模 ２．１ 单元类型的选择 对于需要混合使用多种类型单元的梁壳组合结构而言，为了在不同类型的单元间实现无缝连接，保证相互间载荷传递的正确性，根据所分析问题的要求选择合适的单元类型是非常重要的。要实现这一点，最基本的就是要保证所选梁单元和壳单元具有相同的结点自由度类型及数量，进一步的，对于一些特殊类型的结构保证单元具有相同的阶次或相近的形函数形式也是非常重要的。此外，为了保证加强板的作用能被充分考虑，加强板需要用多个单元离散，与之焊接的梁也相应的需要划分多个单元，这可能导致最终的梁单元为深梁，此时就应考虑选用计及剪切变形影响的梁单元。 ＡＮＳＹＳ提供了多种用于梁、壳建模的单元类型，以满足不同分析场合的要求。由于工程机械结构的重要性，在设计时不需要考虑其塑性的扩展和利用、其始终处于弹性阶段，因此对梁构件可选用ＢＥＡＭ１８８单元类型、壳体构件可选用ＳＨＥＬＬ４３单元类型。ＢＥＡＭ１８８单元与ＳＨＥＬＬ４３单元均为一次单元，每个单元结点均有６个自由度：三个平动自由度（ｕｘ，ｕｖ，ｕｚ）和三个转动自由度（θｘ ，θｖ，θｚ），可以保证受力的正确传递。Ｓｈｅｌｌ４３单元考虑了剪切变形的影响，适合于中等厚度的壳体建模。Ｂｅａｍ１８８单元是Ｔｉｍｏｓｈｅｎｋｏ梁单元，采用如下形式的形函数： （１） 式中：ｕｉ—某方向位移场；ｓ—ｕｉ方向的自然坐标； 梁壳组合结构的有限元合理建模 王强 贵州交通职业技术学院 ５５０００８ １ 引言 在当前实际应用的工程结构中，出于结构形式、连接条件、承载要求等方面的考虑，很多工程结构都采用梁壳组合结构的形式作为各种外加载荷的支撑件，如工程机械领域的港口起重机、动臂式塔机等的桁架吊臂往往在臂头和臂根焊接钢板以局部加强。此外，为了分析的需要或简化建模与计算，也往往将一些纯板壳焊接结构作为梁壳组合结构进行分析。 对梁壳组合结构进行力学分析以保证其强度和刚度满足使用要求是设计中必不可少的一环。显然要获得此类结构的理论解析解几乎是不可能的，在工程实际中往往要借助于有限元方法。有限元分析中最重要的步骤是有限元模型的建立和约束、载荷的施加，后者需要满足特定行业设计规范的要求，有一定的程式可循，而针对此类结构的特点，快速、合理建模问题还少有谈及。因此，本文以当前应用较为广泛的通用有限元软件ＡＮＳＹＳ为平台，探讨复杂梁壳组合结构有限元模型的快速、合理建模方法及在建模过程中应注意的问题，对同类结构的有限元建模提供一些可供借鉴的有益经验。 ｕｉＩ、ｕｉＪ—ｕｉ方向的单元始、终结点位移。与Ｅｕｌｅｒ－Ｂｅｒｎｏｕｌｌｉ梁相比，其计入了剪切变形对梁弯曲的影响，适合于短粗梁的有限元建模。 ２．２ 有限元模型的建立 ＡＮＳＹＳ提供了两种建模方式：一是首先建立结构的几何模型，通过对几何模型进行有限元网格离散而获得有限元模型；二是首先生成结点，随后由结点直接生成单元而获得有限元模型。至于具体使用何种建模方式或综合使用此两种建模方式应依据结构的实际情况灵活决定。 工程机械等领域中的梁壳组合结构往往以梁为主要承载构件，板壳仅起局部加强作用。有限元方法中的梁单元属线单元，当使用二结点线性梁单元时，其有限元模型的几何表现为一条直线，通常在其形心轴线位置上建立有限元模型。在梁壳组合结构中，梁是主要构件，且需要与其它构件相连，因此在其有限元建模时位置不能改变，即仍应按其形心轴线建模；板壳属附属构件，在对其进行有限元建模时，由于壳体构件需要使用许多单元离散，而通过结点生成单元的方式逐一生成这些单元无疑将非常烦琐，尤其是当加强板较多时，因此对壳体应采用第一种建模方式。 综合上述分析，工程机械中复杂梁壳组合结构的有限元建模有两种方法，本文通过图１（ａ）中所示结构为例加以说明，图中两根梁之间焊接了一块加强板，在此假设梁为圆管（工程机械的此类结构中的梁大部分为圆管，对其它截面形式的梁建模方法基本相同）。第一种建模方法的步骤如下： （１）在梁的形心线和加强板的中平面位 图３ 港口起重机桁架吊臂的有限元模型和分析结果 图１ 梁壳组合结构几何模型和有限元模型示意图图２ 梁壳组合结构及其有限元模型
精讲solidworks有限元分析步骤
2013-08-29 17:31 by:有限元来源:广州有道有限元 1. 软件形式： ㈠. SolidWorks的内置形式： ◆COSMOSXpress——只有对一些具有简单载荷和支撑类型的零件的静态分析。 ㈡. SolidWorks的插件形式： ◆COSMOSWorks Designer——对零件或装配体的静态分析。 ◆COSMOSWorks Professional——对零件或装配体的静态、热传导、扭曲、频率、掉落测试、优化、疲劳分析。 ◆COSMOSWorks Advanced Professional——在COSMOSWorks Professional的所有功能上增加了非线性和高级动力学分析。 ㈢. 单独发行形式： ◆COSMOS DesignSTAR——功能与COSMOSWorks Advanced Professional相同。 2. 使用FEA的一般步骤： FEA=Finite Element Analysis——是一种工程数值分析工具，但不是唯一的数值分析工具！其它的数值分析工具还有：有限差分法、边界元法、有限体积法… ①建立数学模型——有时，需要修改CAD几何模型以满足网格划分的需要， （即从CAD几何体→FEA几何体），共有下列三法： ▲特征消隐：指合并和消除在分析中认为不重要的几何特征，如外圆角、圆边、标志等。▲理想化：理想化是更具有积极意义的工作，如将一个薄壁模型用一个平面来代理（注：如果选中了“使用中面的壳网格”做为“网格类型”，COSMOSWorks会自动地创建曲面几何体）。 ▲清除：因为用于划分网格的几何模型必须满足比实体模型更高的要求。如模型中的细长面、多重实体、移动实体及其它质量问题会造成网格划分的困难甚至无法划分网格—这时我们可以使用CAD质量检查工具（即SW菜单: Tools→Check…）来检验问题所在，另外含有非常短的边或面、小的特征也必须清除掉（小特征是指其特征尺寸相对于整个模型尺寸非常小！但如果分析的目的是找出圆角附近的应力分布，那么此时非常小的内部圆角应该被保留）。 ②建立有限元模型——即FEA的预处理部分，包括五个步骤： ▲选择网格种类及定义分析类型（共有静态、热传导、频率…等八种类别）——这时将产生一个FEA算例，左侧浏览器中之算例名称之后的括号里是配置名称； ▲添加材料属性: 材料属性通常从材料库中选择，它不并考虑缺陷和表面条件等因素，与几何模型相比，它有更多的不确定性。
第二章 压电复合材料有限元分析方法 (恢复)
第二章压电复合材料有限元分析方法 2.1 1—3型压电复合材料常用的研究方法 第一、理论研究，包括利用细观力学和仿真软件进行数值分析的方法。人们对1-3型压电复合材料宏观等效特征参数进行研究时，从不同角度出发采用了形式多样的模型和理论，其中夹杂理论和均匀场理论具有代表性。夹杂理论的思想是，从细观力学出发，将1-3形压电复合材料的代表性体积单元（胞体）作为夹杂处理。求解过程中，使用的最著名的两个模型为：Dilute模型和Mori-Tanaka模型。夹杂理论的优点是其解析解能较好地反映材料的真实状况，解精度较高；缺点是其解题和计算过程烦琐，有时方程只能用数值方法求解。均匀场理论的思想是基于均匀场理论和混合定律，同时借助1-3型压电复合材料的细观力学模型导出其宏观等效特征参数。其基本的研究思路是：假设组成复合材料的每一相中力场和电场均匀分布，结合材料的本构方程得到1-3型压电复合材料的等效特征参数。Smith，Auld采用此理论研究了1-3型压电柱复合材料的弹性常数、电场、密度等等效特征参数。Gordon，John采用此理论研究了机电耦合系数、耗损因子、电学品质因子等等效特征参数。Bent, Hagood和Yoshikawa等基于此理论对交叉指形电极压电元件等效特征参数进行了研究。均匀场理论优点在于物理模型简单，物理概念清晰，计算也不复杂，并具有相当的精度和可靠性；不足在于其假设妨碍了两相分界面上的协调性。有限元作为一种广泛应用于解决实际问题的数值分析方法，将其引入压电复合材料研究中具有重要的意义。John，Gordon等用有限元方法分析了1-3型压电柱复合材料中压电柱为方形柱、圆形柱、二棱柱时的力电耦合系数及其波速特性，得到了压电柱在几何界面不同的情况下的等效力电耦合系数及等效波速曲线。 第二、实验研究。Helen，Gordon等对1-3型压电复合材料的宏观等效特征参数进行了理论和实验研究，结果表明两者符合良好；LVBT等运用了1-3型压电复合材料进行了声学方面的控制取得了良好的效果；John，Bent等对压电纤维复合材料的性能进行了深入的研究，结果显示压电纤维复合材料在高电场、大外载荷环境下具有优良的传感和作动性能。参数辨识研究是试验研究中重要的一种方法，基本思路是：分析1-3型压电纤维复合材料的响应特性，从中得到其等效宏观的模态和弹性波的传播特性参数。Guraja，Walter等采用的就是这种方法，他们研究了1-3型压电纤维复合材料薄板、厚板、变截面板的响应特性，得到了其相应的声波传播速度c，频率f,机械品质因素Q等参数的表达式，为1-3型压电纤维复合材料在超声波方面的应用提供了依据。 综合对比以上的研究方法，夹杂理论得出的结果比较接近实际结果，但是计算烦琐，而且对于高体积百分比的复合材料其计算结果跟实际相差较大；均匀场理论计算较为简单，但是模糊了两相材料之间的界面作用；实验研究方法是最接近实际的一种方法，但是由于实验条件、测试技术等一系列因素的制约使其不能广泛应用十实际中。由于交叉指形电极压电复合材料的复杂性，利用上面提到的夹杂理论和均匀场理论的方法，很难得到压电元件整体模型的性能状况。而数值研究有限元法，利用先进的分析软件ANSYS进行压电复合材料性能分析，可以超越目前现有的生产工艺和测试技术水平得到比较准确的分析结果，又可以减小压电元件的设计周期，减少实验制作压电元件的材料浪费和设备损耗。 2.2 有限元分析方法概述 有限元法（又称为有限单元法或有限元素法）是利用计算机进行数值模拟分析的方法。诞生于20世纪50年代初，最初只应用于力学领域中，现在广泛应用于结构、热、流体、电磁、声学等学科的设计分析及优化，有限元计算结果已成为各类工业产品设计和性能分析的
梁结构应力分布ANSYS分析汇总
J I A N G S U U N I V E R S I T Y 先进制造及模具设计制造实验 梁结构应力分布ANSYS分析 学院名称：机械工程学院 专业班级：研1402 学生姓名：XX 学生学号：S1403062 2015年5 月
梁结构应力分布ANSYS分析 （XX，S1403062，江苏大学） 摘要：本文比较典型地介绍了如何用有限元分析工具分析梁结构受到静力时的应力的分布状态。我们遵循对梁结构进行有限元分析的方法，建立了一个完整的有限元分析过程。首先是建立梁结构模型，然后进行网格划分，接着进行约束和加载，最后计算得出结论，输出各种图像供设计时参考。通过本论文，我们对有限元法在现代工程结构设计中的作用、使用方法有个初步的认识。 关键词：梁结构；应力状态；有限元分析；梁结构模型。 Beam structure stress distribution of ANSYS analysis （Dingrui, S1403062, Jiangsu university） Abstract: This article is typically introduced how to use the finite element analysis tool to analyze the stress of beam structure under static state distribution. We follow the beam structure finite element analysis method, established the finite element analysis of a complete process. Is good beam structure model is established first, and then to carry on the grid, then for constraint and load, calculated the final conclusion, the output of images for design reference. In this article, we have the role of the finite element method in modern engineering structural design, use method has a preliminary understanding. Key words: beam structure; Stress state; The finite element analysis; Beam structure model. 1引言 在现代机械工程设计中，梁是运用得比较多的一种结构。梁结构简单，当是受到复杂外力、力矩作用时，可以手动计算应力情况。手动计算虽然方法简单，但计算量大，不容易保证准确性。相比而言，有限元分析方法借助计算机，计算精度高，
机械零件有限元分析——实验报告
中南林业科技大学机械零件有限元分析 实验报告 专业：机械设计制造及其自动化 年级： 2013级 班级：机械一班 姓名：杨政 学号：20131461 I
一、实验目的 通过实验了解和掌握机械零件有限元分析的基本步骤；掌握在ANSYS 系统环境下，有限元模型的几何建模、单元属性的设置、有限元网格的划分、约束与载荷的施加、问题的求解、后处理及各种察看分析结果的方法。体会有限元分析方法的强大功能及其在机械设计领域中的作用。 二、实验内容 实验内容分为两个部分：一个是受内压作用的球体的有限元建模与分析，可从中学习如何处理轴对称问题的有限元求解；第二个是轴承座的实体建模、网格划分、加载、求解及后处理的综合练习，可以较全面地锻炼利用有限元分析软件对机械零件进行分析的能力。
实验一、受内压作用的球体的有限元建模与分析 对一承受均匀内压的空心球体进行线性静力学分析，球体承受的内压为 1.0×108Pa ，空 心球体的内径为 0.3m ，外径为 0.5m ，空心球体材料的属性：弹性模量 2.1×1011，泊松比 0.3。 承受内压：1.0×108 Pa 受均匀内压的球体计算分析模型（截面图） 1、进入 ANSYS →change the working directory into yours →input jobname: Sphere 2、选择单元类型 ANSYS Main Menu : Preprocessor →Element Type →Add/Edit/Delete →Add →select Solid Quad 4node 42 →OK (back to Element Types window)→ Options… →select K3: Axisymmetric →OK →Close (the Element Type window) 3、定义材料参数 ANSYS Main Menu : Preprocessor →Material Props →Material Models →Structural →Linear →Elastic →Isotropic →input EX:2.1e11, PRXY:0.3→ OK 4、生成几何模型生成特征点 ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling →Create →Keypoints →In Active CS →依次输入四个点的坐标：input ：1(0.3，0)，2(0.5，0)，3(0，0.5)，4(0，0.3)→OK 生成球体截面 ANSYS 命令菜单栏: Work Plane>Change Active CS to>Global Spherical ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling →Create →Lines →In ActiveCoord → 依次连接 1,2,3,4 点生成 4 条线→OK Preprocessor →Modeling →Create →Areas →Arbitrary →By Lines →依次拾取四条线→OK ANSYS 命令菜单栏: Work Plane>Change Active CS to>Global Cartesian 5、网格划分 ANSYS Main Menu : Preprocessor →Meshing →Mesh Tool →(Size Controls) lines: Set
★★★装配体有限元分析
基于ANSYS WORKBENCH的装配体有限元分析 模拟装配体的本质就是设置零件与零件之间的接触问题。 装配体的仿真所面临的问题包括： （1）模型的简化。这一步包含的问题最多。实际的装配体少的有十几个零件，多的有上百个零件。这些零件有的很大，如车门板；有的体积很小，如圆柱销；有的很细长，如密封条；有的很薄且形状极不规则，如车身；有的上面钻满了孔，如连接板；有的上面有很多小突起，如玩具的外壳。在对一个装配体进行分析时，所有的零件都应该包含进来吗？或者我们只分析某几个零件？对于每个零件，我们可以简化吗？如果可以简化，该如何简化？可以删除一些小倒角吗？如果删除了，是否会出现应力集中？是否可以删除小孔，如果删除，是否会刚好使得应力最大的地方被忽略？我们可以用中面来表达板件吗？如果可以，那么，各个中面之间如何连接？在一个杆件板件混合的装配体中，我们可以对杆件进行抽象吗？或者只是用实体模型？如果我们做了简化，那么这种简化对于结果造成了多大的影响，我们可以得到一个大致的误差范围吗？所有这些问题，都需要我们仔细考虑。 （2）零件之间的联接。装配体的一个主要特征，就是零件多，而在零件之间发生了关系。我们知道，如果零件之间不能发生相对运动，则直接可以使用绑定的方式来设置接触。如果零件之间可以发生相对运动，则至少可以有两种选择，或者我们用运动副来建模，或者，使用接触来建模。如果使用了运动副，那么这种建模方式对于零件的强度分析会造成多大的影响？在运动副的附近，我们所计算的应力其精确度大概有多少？什么时候需要使用接触呢？又应该使用哪一种接触形式呢？ （3）材料属性的考虑。在一个复杂的装配体中所有的零件，其材料属性多种多样。我们在初次分析的时候，可以只考虑其线弹性属性。但是对于高温，重载，高速情况下，材料的属性不再局限于线弹性属性。此时我们恐怕需要了解其中的每一种材料，它是超弹性的吗？是哪一种超弹性的？它发生了塑性变形吗？该使用哪一种塑性模型？它是粘性的吗？它是脆性的吗？它的属性随着温度而改变吗？它发生了蠕变吗？是否存在应力钢化问题？如此众多的零件，对于每一个零件，我们都需要考察其各种各样的力学属性，这真是一个丰富多彩的问题。（4）有限元网格的划分。我们知道，通过WORKBENCH，我们只需要按一个按钮，就可以得到一个粗糙的网格模型。但是如果从HYPERMESH的角度来看，ANSYS自动划分的网格，很多都是不合理的，质量较差而不能使用。那么对于装配体中的每个零件，我们该如何划分网格？对于每一个零件，我们是否要对之进行切割形成规则的几何体后，然后尽量使用六面体网格？如果
支座的有限元分析
支座的有限元分析 —基于UG8.0与ANSYS Workbench 摘要：采用三维软件UG8.0建立的支座模型，并将三维模型导入到ANSYS Workbench，在Workbench中，对其进行结构强度、刚度校核以及模态分析，得到其在工作载荷下的变形、应力和模态频率，并在结构尺寸上进行优化设计，使其在结构强度上得到改进与加强。关键词：支座；UG8.0；ANSYS Workbench；有限元 Abstract: using 3d software UG8.0 established contact ball bearing model, and the three dimensio nal model is imported to ANSYS Workbench, the Workbench, its structural strength, rigidity and modal analysis, get it under the working load of the deformation, stress and modal frequency, and carries on the optimization design on the structure size, in the structure strength is improved and st rengthened. Keywords：contact ball bearing；finite element ；UG8.0;ANANSYS Workbench 0引言 支座作为多向活动部件的连接装置，主要受来自复杂部件的随机变化载荷的作用力，由于载荷力复杂多变，且局部应力集中地现象存在，导致球形接触面产生不规则破坏。以前的设计方案基本是粗略的，对于结构尺寸不能做到很精确的设计，使用效果不怎么好。本文利用UG8.0三维设计软件对支座进行参数化建模，并运用UG与ANSYS Workbench软件间的接口，将模型导入到ANSYS Workbench中，对其进行结构强度、刚度校核以及模态分析。有限元是一种在工程分析工程中常用的解决复杂问题的近似的数值分析方法，ANSYS程序中加入了许多新的技术，非线性、子结构以及更多的单元类型被加入程序，从而使程序具有更强的通用性。同时，ANSYS还提供了强大和完整的联机说明系统详尽的联机帮助系统，使用户能够不断深入学习并完成一些深入的课题。并因在机械结构强度和刚度分析方面具有较高的计算精度而得到普遍应用。本文将分析在载荷的作用下，支座的变形，应力等，并显示强大的ANSYS的求解结果。
solidworks进行有限元分析的一般步骤
1.软件形式： ㈠. SolidWorks的内置形式： ◆COSMOSXpress——只有对一些具有简单载荷和支撑类型的零件的静态分析。 ㈡. SolidWorks的插件形式： ◆COSMOSWorks Designer——对零件或装配体的静态分析。 ◆COSMOSWorks Professional——对零件或装配体的静态、热传导、扭曲、频率、掉落测试、优化、疲劳分析。 ◆COSMOSWorks Advanced Professional——在COSMOSWorks Professional的所有功能上增加了非线性和高级动力学分析。 ㈢. 单独发行形式： ◆COSMOS DesignSTAR——功能与COSMOSWorks Advanced Professional相同。 2.使用FEA的一般步骤： FEA=Finite Element Analysis——是一种工程数值分析工具，但不是唯一的数值分析工具！其它的数值分析工具还有：有限差分法、边界元法、有限体积法… ①建立数学模型——有时，需要修改CAD几何模型以满足网格划分的需要， （即从CAD几何体→FEA几何体），共有下列三法： ▲特征消隐：指合并和消除在分析中认为不重要的几何特征，如外圆角、圆边、标志等。▲理想化：理想化是更具有积极意义的工作，如将一个薄壁模型用一个平面来代理（注：如果选中了“使用中面的壳网格”做为“网格类型”，COSMOSWorks会自动地创建曲面几何体）。▲清除：因为用于划分网格的几何模型必须满足比实体模型更高的要求。如模型中的细长面、多重实体、移动实体及其它质量问题会造成网格划分的困难甚至无法划分网格—这时我们可以使用CAD质量检查工具（即SW菜单: Tools→Check…）来检验问题所在，另外含有非常短的边或面、小的特征也必须清除掉（小特征是指其特征尺寸相对于整个模型尺寸非常小！但如果分析的目的是找出圆角附近的应力分布，那么此时非常小的内部圆角应该被保留）。 ②建立有限元模型——即FEA的预处理部分，包括五个步骤： ▲选择网格种类及定义分析类型（共有静态、热传导、频率…等八种类别）——这时将产生一个FEA算例，左侧浏览器中之算例名称之后的括号里是配置名称； ▲添加材料属性: 材料属性通常从材料库中选择，它不并考虑缺陷和表面条件等因素，与几何模型相比，它有更多的不确定性。 ◇右键单击“实体文件夹”并选择“应用材料到所有”——所有零部件将被赋予相同的材料属性。 ◇右键单击“实体文件夹”下的某个具体零件文件夹并选择“应用材料到所有实体”——某个零件的所有实体(多实体)将被赋予指定的材料属性。 ◇右键单击“实体文件夹”下具体零件的某个“Body”并选择“应用材料到实体”——只有
第二章 有限元法及其软件ANSYS在压电复合材料分析中的应用
第二章有限元法及其软件ANSYS在压电复合材料分析中的应用2.1 有限元法概述 在工程技术领域中有许多力学问题和场问题，例如固体力学中的应力应变场和位移场分析以及电磁学中的电磁场分析、振动模态分析等，都可以看作是在一定的边界条件下求解其基本微分方程的问题。虽然人们已经建立了它们的基本方程和边界条件，但只有少数简单的问题才能求出其解析解。。对于那些数学方程比较复杂，物力边界形状又不规则，承受任意载荷的问题，采用解析法求解在数学上往往会遇到难于克服的困难。通常对于这类问题，往往采用各种行之有效的数值计算方法来获得工程需要的数值解，比如有限元法。 有限元法的基本思想最早出现在20世纪40年代初 期，但是直到1960年，美国的Clough.R.W在一篇论文 中首次使用“有限元法”这个名词。在20世纪60年代 末70年代初，有限元法在理论上已基本成熟，并开始 出现商业化的有限元分析软件，如ANSYS等。 有限元发的基本思想是将连续的结构离散成有限 个单元，并在每一个单元中设定有限个节点，将连续体 看作是只在节点处相连接的一组单元的集合体；同时选 定场函数的节点值作为基本未知量，并在每一个单元中 假设一近似插值函数以表示单元中场函数的分布规律； 进而利用力学中某些变分原理去建立节点未知量的有 限元法方程，从而将一个连续域中的无限自由度问 题化为离散域中的有限自由度问题。一经求解就可以利 用解得的节点值和设定的插值函数确定单元上以致整 个集合体上的场函数。有限元求解程序的内部过程如图 2-1所示。 2.2 压电复合材料的有限元分析方法 传统上我们一般采用常用的细观力学方法分析压电复合材料的有效性能，主要目的是建立材料的宏观有效性能，包括弹性、压电和介电性能，与细观结构的定量关系，以指导材料的设计和制造。但是对于一般的细观力学方法来说，例如Dilute模型，自洽方法，Mori-Tanaka 模型和微分方法等，其建立起来的力学模型中涉及了大量复杂的积分和微分公式，用普通的解析法一般无法准确的求出正确解。例如Dunn和Taya使用常用的细观力学模型自洽方法，Mori-Tanaka模型和微分方法对压电复合材料的压电系数进行了预报，并与实验数据进行比较。结果表明：除了体积分数较小时，这些方法给出了比较接近的数值结果；但是当体积分数较大时，其数值结果就跟实验结果有很大的差别。 而压电复合材料作为两种和两种以上组成的宏观非均匀材料可以用合适的具有某种周期分布的微结构材料来表示，这样针对某一周期的非均匀材料单元，利用通常的有限元及边界元方法，可以数值上求得纤维、基体及界面处的应力分布，在此基础上可以预报复合材料的有效性能。这弥补了应用常规细观力学方法无法预报纤维或高体积分数及具有复杂微分结构材料等情况的不足。 2.2.1 基本耦合公式 压电线性理论的基本耦合公式（Tiersten，1969）如下：
复合材料结构三维有限元分析的材料参数(精)
2010年7月第36卷第7期 北京航空航天大学学报 J o u r n a l o fB e i j i n g U n i v e r s i t y o fA e r o n a u t i c s a n dA s t r o n a u t i c s J u l y 2010V o l . 36 No . 7 收稿日期:2009-05-15 基金项目:国家自然科学基金资助项目(10902004 作者简介:赵丽滨(1976- , 女, 副教授, 黑龙江肇东人, l b z h a o @b u a a . e d u . c n . 复合材料结构三维有限元分析的材料参数 赵丽滨秦田亮李嘉玺 (北京航空航天大学宇航学院, 北京100191 付月 (北京航空航天大学航空科学与工程学院, 北京100191 摘要:在调研现有文献复合材料结构三维数值分析中材料参数的基础上, 阐述了基于单层板材料性能数据建立复合材料三维材料参数的方法. 通过对复合材料π接头结构的三维数值模拟和试验, 研究了三维材料参数中不确定参数对结构刚度预测的影响; 分别采用三维修正的最大应力准则二最大应变准则二蔡-胡准则和H a s h i n 准则评价π接头的初始破坏, 结合试验数据, 研究不同失效准则对复合材料π接头结构的适用范围以及材料参数对初始破坏强度预测的影响. 研究工作
可为一般层合复合材料结构的三维建模提供参考, 并为深入理解复合材料π接头结构力学性能二准确预测其破坏强度提供理论支持. 关键词:复合材料; 胶接接头; 参数研究; 强度中图分类号:V214; V229+. 9 文献标识码:A 文章编号:1001-5965(2010 07-0789-05 M a t e r i a l p a r a m e t e r s i n 3D f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s o f c o m p o s i t e s t r u c t u r e Z h a oL i b i n Qi nT i a n l i a n g Li J i a x i (S c h o o l o fA s t r o n a u t i c s , B e i j i n g U n i v e r s i t y o fA e r o n a u t i c s a n dA s t r o n a u t i c s , B e i j i n g 1 00191, C h i n a F uY u e (S c h o o l o fA e r o n a u t i c S c i e n c e a n dE n g i n e e r i n g , B e i j i n g U n i v e r s i t y o fA e r o n a u t i c s a n dA s t r o n a u t i c s , B e i j i n g 1 00191, C h i n a A b s t r a c t :T h e m e t h o dt od e t e r m i n e3Dc o m p o s i t e m a t e r i a l p r o p e r t i e sb y m e a n so fe n g i n e e r i n g c o n s t a n t s o f c o m p o s i t e l a m i n aw a s s u mm a r i z e db y i n v e s t i g a t i n g l o t s o f e x i s t e d l i t e r a t u r e s . T h e e f f e c t o f u n c e r t a i nv a r i a b l e s i n m a t e r i a l p a r a m e t e r su p o nt h e s t i f f n e s s p r e d i c t i o nw a s r e s e a r c h e db y 3Dn u -m e r i c a l s i m u l a t i o n a n d t h e c o r r e s p o n d i n g e x p e r i m e n t s o f c o m p o s i t e πj o i n t s t r u c t u r e . F u r t h e r , t h e i n i -t i a l f a i l u r eo f c o m p o s i t eπ j o i n t s t r u c t u r ew a sa s s e s s e db y t h e m o d i f i e d m a x i m u ms t r e s sa n ds t r a i n , T s a i -H ua n dH a s h i n f a i l u r e c r i t e r i a . T h e d a m a g e o n s e t l o a d sw i t hd i f f e r e n t f a i l u r e c r i t e r i a a n dm a t e r i - a l p a r a m e t e rm o d e lw e r e c o m p a r e d a n d t h e i n f l u e n c e o fm a t e r i a l p
碳环氧树脂复合材料吸湿行为的有限元分析
碳/环氧树脂复合材料吸湿行为的有限元分析 李刚，黄远，万怡灶，何芳，王玉林 天津大学材料科学与工程学院，天津（300072） E-mail ：ligang615@https://www.docsj.com/doc/e613048398.html, 摘 要：应用ABAQUS 有限元分析软件的质量扩散模块，采用纤维随机分布模型对环境温度T =37 ℃，相对湿度为RH=100%的碳纤维增强环氧树脂基（CF L /EP ）复合材料进行了吸湿后水分浓度场的分析计算，结果表明：有限元分析方法能够较好的模拟复合材料的吸湿行为；采用随机模型的有限元分析结果比标准六边模型更接近试验值，误差减小，从而为后续的湿热应力分析打下基础。 关键词：CFL/EP 复合材料；ABAQUS 有限元软件；质量扩散；纤维随机分布模型 1．引言 复合材料因具有优良的综合性能，在国民经济、国防建设等各个领域获得了广泛应用。特别是碳纤维增强环氧树脂基复合材料（CF L /EP ）已经成为航空航天飞行器结构件中的重要材料[1, 2]。但由于其在服役过程中常常受到各种环境因素的影响，尤其是湿热环境的影响，使材料吸湿，内部产生应力[3-6]，使其强度和使用寿命大大降低，造成很大损失。因此，研究复合材料在湿热环境中由吸湿所导致的湿热残余应力及其演化规律对提高材料性能和延长材料寿命有着重要意义。为了克服试验手段带来的不便，本文采用ABAQUS 有限元分析软件对CF L /EP 复合材料的吸湿过程进行模拟计算，该软件可模拟静力学、动力学、热传导、质量扩散等领域的各种问题[7,8]。天津大学的孙丽[9]等人应用ABAQUS 软件，通过建立标准六边形纤维模型对CF L /EP 复合材料进行了吸湿质量扩散模拟，在本文的计算中，将运用其质量扩散模块，并建立相对误差较小的纤维随机分布模型，对碳纤维增强环氧树脂基（CFL/EP ）复合材料进行吸湿后水分浓度场的分析计算，并对二者进行比较，为后续的湿热应力分析打下基础。 2．实验 本实验所需试样采用RTM 工艺进行制备，所用复合材料为自制，基体材料为E-51（618）环氧树脂，增强相是高强型聚丙烯腈基碳纤维，纤维体积分数V f ＝30%。将尺寸为60 mm×12 mm×2mm 的试样洗净，烘干至重量不再减少，然后置于37 ℃蒸馏水中进行吸湿试验，每隔一定时间取出，用滤纸擦干表面水分，迅速用电子天平称其重量变化，称重后立即放回烧杯中，按照公式（1）计算吸湿量： 1000 ×?= W W W M t t （1） 式中：W 0为吸湿前试样的原始质量（g ）；W t 为t 时刻的试样质量（g ）；M t 为t 时刻的试样吸湿量（％）。 影响材料吸湿的主要参数有平衡吸湿量M ∞和扩散系数D [10]。 M ∞的大小取决于环境的相对湿度；扩散系数D 主要受环境温度的影响。在材料吸湿初始阶段，常用Fick 第二定律来描述水的扩散行为[11]，即满足： 2 2x M D t M ??=?? （2）
workbench大型机械装配体有限元计算(工作经验总结)
大型机械装配体的有限元分析步骤 1.模型简化： 由于模型较大，建议将模型分成几个模块去简化，简化后的模型试画网格，能完成则初步证明模型合格。 （1）其中对于不重要的小孔，小倒角能去就去，螺纹孔必须去掉，否则严重影响网格划分； （2）复杂的标准件，螺栓可简化为去螺纹的螺柱，或直接去掉； （3）焊缝处理，除非专门校核焊缝强度，一般将焊缝等同于母体材料； （4）焊缝坡口，间隙必须填满，这才符合实际。 2.模型的检查： 简化模型后需要检查干涉，检查模型有无间隙，有无干涉，有无多余的线、面。 （1）干涉处理：重新修改模型，如果通过布尔求和，干涉部位消失可不处理；（2）间隙处理：通过三维软件进行剖视图检查，或者通过布尔求和，有间隙部件则不能求和。 3.模型的快速网格划分： 在此推荐先采用默认网格进行划分。采用默认网格划分的优点是速度特别快，这样非常有利于发现问题，便于进一步修改模型。 但是也有特例：如果模型比较大，且有很多小特征，比如倒角、倒圆，则不容易划分成功，需要设置小的sizing进行处理。 4.网格划分失败针对策略： 网格划分失败的千差万别，必须仔细分析，这也是有限元分析的乐趣之一。原因主要如下； （1）模型不准确。模型存在干涉、间隙、多余的线、面等。 （2）划分网格方法不当，重新设置sizing，设置新的网格划分方法等。 5.网格数量与内存匹配 网格比较耗内存，一般100万网格，需要10G内存。普通的笔记本4G-8G，能计算的网格也就在40万-80万左右，超过此数值则计算非常耗时，有时甚至不能计算。
对此可采用如下策略： （1）对称模型：进行二分之一，或者四分之一的计算； （2）不对称模型：建议粗化网格，或者采用局部模型分析； 6.网格质量分析： （1）skewness越小越好，一般＜0.7可以接受； （2）element quality 越大越好，最好为1； （3）雅克比比率：Jacobian Ratio，越小越好，最好为1； （4） aspect ratio。最好的值为1。值越大单元越差。 （5）warping factor。0说明单元位于一个平面上，值越大说明单元翘曲越厉害。网格模型一般都为0； （6）parallel deviation。0最好。网格模型一般都为0。 参数中前4项比较重量，多次修改网格后尽量达到标准。 7.载荷和约束的施加 这是很关键的一步，必须对模型的受力有准确的分析，否则结果不正确。过约束，计算结果小；欠约束，计算结果大。 （1）学会理论力学、材料力学； （2）对于特别小的面施加力，网格比较很小，否则力传递不下去； 8.结果分析 最好有试验进行对比，没有试验有之前的经验值也可。如果都没有，那么需要仔细分析结果。 （1）应力集中点：对于单独的应力特别大的点，可以忽略，或者用子模型法进行重新计算； （2）对于大型模型，在workbench中有2中计算方法：1）整体布尔求和后求解，2）单个部件通过Form new part 进行求和。通常情况下，用布尔求和的方法，计算的应力要小些； （3）最好设置不同的sizing，多计算几次，如果结果比较接近，则证明计算结果比较准确；
基于有限元软件ABAQUS的组合结构分析
基于有限元软件ABAQUS的组合结构分析 摘要：本文通过大型有限元工程模拟软件ABAQUS对波纹钢腹板组合梁建立有限元模型，并与试验数据作对比，检验有限元分析的正确性。 关键词：组合梁、有限元 Abstract: this paper through the large finite ABAQUS software engineering simulation of the corrugated steel beams webs, a finite element model and with the test data as compared to test the validity of the finite element analysis. Key words: the composite beams, finite element 0引言 有限元数值分析方法起源于20世纪50年代飞机结构分析，并由其理论依据的普遍性己被推广到其它很多领域。在结构分析领域，几乎所有的弹塑性结构静、动力学问题都可以用它求得满意的数值结果。桥梁结构作为众多结构中的一种，利用有限元数值方法分析其力学特性同样可以得到很好的数值分析结果。 波纹钢腹板预应力组合箱梁桥是20世纪80年代起源于法国的一种新型组合桥梁，此类新型结构与传统的混凝土箱梁相比有以下优点：(1) 自重降低，抗震性能好。腹板采用较轻的波形钢板，其桥梁自重与一般的预应力混凝土箱梁桥相比大为减轻，地震激励作用效果显著降低，抗震性能获得一定的提高。(2) 改善结构性能，提高预应力效率。波形钢腹板的纵向刚度较小，几乎不抵抗轴向力，因而在导入预应力时不受抵抗，从而有效地提高预应力效率。(3)充分发挥各种材料特性。在波形钢腹板预应力箱梁桥中，混凝土用来抗弯，而波形钢腹板用来抗剪，几乎所有的弯矩与剪力分别由上、下混凝土翼缘板和波形钢腹板承担，而且其腹板内的应力分布近似为均布图形，有利于材料发挥作用。[1-5] 本文通过大型有限元工程模拟软件ABAQUS对波纹钢腹板试验梁建立有限元模型，并与试验数据作对比，检验有限元分析的正确性。 1 有限元建模 1.1单元选择 有限元工程模拟软件的实体单元库包含二维和三维的一阶插值单元和二阶插值单元，积分方式有完全积分和减缩积分。三维实体单元有四面体和六面体。四面体单元有4节点12自由度和10节点30自由度的四面体单元，六面体单元
大型复合材料结构强度有限元分析.
大型复合材料结构强度有限元分析 Massive composite structures Intension Finite Element Analysis 王娟吴文科 (中国直升机设计研究所 摘要:本文选取一典型复合材料梯形梁结构,采用有限元计算程序MSC.Nastran,结合与理论分析相比拟的工程简化方法,对结构强度作简便、快捷地评估,用于指导结构的初步设计。通过对计算结果分析,突现出大型复合材料结构在静强度设计过程中的问题。 关键词:复合材料梯形梁有限元 MSC.Nastran 静强度 Abstract In the paper, We take the process of analyzing a typical massive composite structure for example to show the problems in analyzing massive composite structures’ static intension . When analyzing, we use the calculating software MSC.Nastran which base on the theory of finite element analysis. Key words:massive composite structure, static intension, MSC.Nastran, finite element analysis 1 概述 随着航空工业的发展,人们对航空器的要求越来越高。为了增强市场竞争力,需要不断地提高航空器的性能,设法减轻结构重量,并提高结构的可靠性、维修性。在这种迫切的需求下,复合材料的出现日益显示出其得天独厚的优势和无穷的潜力。目前,复合材料在航空结构中的应用已逐渐从次结构过渡到了主结构,并进入主承力结构的设计。能否灵活准确地应用复合材料成为设计过程中的一个关键问题。在这个新兴的科目上,专家们已经作了大量的研究并取得了丰硕的成果,基础的复合材料