工藝夾具畢業(yè)設(shè)計(jì)16畢業(yè)設(shè)計(jì)鉆夾頭夾爪螺母設(shè)計(jì)與強(qiáng)度分析

河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - I - 摘 要 隨著有限元理論的不斷發(fā)展和成熟，以及計(jì)算機(jī)處理能力的不斷提高，有限元分析方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，已成為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)的重要組成部分，一些大型通用和專用的有限元軟件也相繼投入實(shí)際應(yīng)用。 本文 采用結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)方法建立了含有復(fù)雜螺旋曲面特征的鉆夾頭參數(shù)化有限元模型 ;探討和解決了鉆夾頭夾緊強(qiáng)度分析中夾爪與螺母接觸分析參數(shù)的選擇、約束邊界和載荷處理、分析流程文件創(chuàng)建等關(guān)鍵技術(shù)問題。綜合運(yùn)用 ANSYS 提供的二次開發(fā)語言 APDL， 建立 鉆夾頭 夾爪螺母 有限元強(qiáng)度 接觸 分析 模型 。 并 利用該 模型 對鉆夾 頭進(jìn)行了強(qiáng) 度分析。 為 避免重復(fù)工作和 提高分析效率，本文結(jié)合 ANSYS 提供的二次開發(fā)參數(shù)化設(shè)計(jì)語言 APDL,實(shí)現(xiàn) 了 對有限元分析軟件 ANSYS 命令流的調(diào)用 ， 解決 了 通用程序與專業(yè)需求之間的矛盾， 完成了鉆夾頭有限元參數(shù)化程序 分析 ，對鉆夾頭的強(qiáng)度性能進(jìn)行了分析和仿真；模擬鉆夾頭實(shí)際生成過程中的性能 測試試驗(yàn)，探討加工誤差引起的不同裝配角度等參數(shù)對鉆夾頭強(qiáng)度 性能的影響 。 關(guān)健詞 :有限元；鉆夾頭強(qiáng)度分析 ； 有限元建模 ； 接觸分析 ； 參數(shù)化設(shè)計(jì) ； APDL 河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - II - ABSTRACT Along with the development of computer technology, the method of FEM (Finite Element Method) is used to the analysis and calculation of engineering comprehensively, which occupies an important part in Computer Aided Engineering (CAE). Some finite element analysis software has been inputted into the practical project applications. Based on the idea of the structure parametric design method, the parametric finite element model of drill chuck with complicated spiral surface character was established. The related key technologies of drill chucks strength analysis were discussed and solved, such as the contact analysis parameters selection, the boundary conditions and the load processing, ANSYS command 一 string building and so on. A high efficiency drill chuck strength analysis system was developed by using APDL that is a secondary development parameter design language provided by ANSYS. The results of an actual drill chuck strength analyzed by The de-veloped system are more coincident with those achieved in experiment。 In order to avoid repeating job in the most extent and improve efficiency of design, using the idea of structure parametric design. Based on APDL, the FEA drill chuck model can be easily created by adjust several geometric parametric and the process of FEA is automatically executed This paper discusses the affections of different parameters for the stress capability of drill chuck. The high efficiency drill chuck strength analysis system can help designer develop new products. Keywords: FEA; Strength analysis of drill chuck; Finite element modeling; Contact analysis; Parametric design; APDL 河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - III - 目錄 摘 要 . III ABSTRACT . III 第一章 緒 論 . 1 1.1 鉆夾頭概述 . 1 1.2 選題背景和研究意義 . 2 1.3 有限元分析法在工程結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用 . 4 1.4 參數(shù)化技術(shù)及其在有限元領(lǐng)域的應(yīng)用 . 5 1.5 本文的主要研究工作 . 8 第二章 ANSYS簡介 以及 ANSYS 分析系統(tǒng)概述 . 8 2.1 ANSYS及其參數(shù)化設(shè)計(jì)語言簡介 . 8 2.1.1有限元分析軟件 ANSYS 概述 . 9 2.1.2 ANSYS 軟件的組成與特點(diǎn) . 9 2.1.3 ANSYS的二次開發(fā)功能 . 12 2.2 ANSYS 分析系統(tǒng)概述 . 14 2.2.1 ANSYS 分析過程 . 14 2.2.2 ANSYS 軟件的主要模塊介紹 . 15 2.2.3 ANSYS 的操作方式 . 19 2.3本章小結(jié) . 19 第三章 鉆夾頭 夾爪螺母 參數(shù)化有限元建模 . 20 3.1參數(shù)化有限元技術(shù) . 20 3.1.1 參數(shù)化設(shè)計(jì)方法及分類 . 20 3.1.2 參數(shù)化有限元分析簡介 . 22 3.1.3 參數(shù)化前處理過程 . 24 3.1.4 參數(shù)化后處理過程 . 29 3.2鉆夾頭 夾爪螺母 參數(shù)化有限元建模 . 30 3.2.1 幾何特征參數(shù)化 . 30 3.2.2 建立螺母實(shí)體模型 . 31 建立螺旋線 . 31 建立螺母 . 34 3.2.3 建立夾爪實(shí)體模型 . 35 3.2.4 網(wǎng)格劃分 . 37 3.3本章小結(jié) . 39 河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - IV - 第四章 鉆夾頭 夾爪螺母 強(qiáng)度分析 . 40 4.1 鉆夾頭 夾爪螺母 三維接觸分析 . 39 4.1.1 鉆夾頭 夾爪螺母 接觸分析模型 . 40 4.2 鉆夾頭 夾爪螺母 強(qiáng)度分析 . 47 4.2.1 邊界條件的設(shè)定 . 47 4.2.2 不同工況下載荷施加 . 49 4.2.3 強(qiáng)度分析實(shí)常數(shù)設(shè)置 . 51 4.2.4 加工誤差對接觸分析應(yīng)力的影響 . 52 4.3 結(jié)果對比 . 54 4.4 本章小結(jié) . 54 第五章 總 結(jié) . 54 5.1 論文總結(jié) . 54 5.2 工作展望 . 55 參考文獻(xiàn) . 56 致 謝 . 57 附 錄 . 58 河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 1 - 第一章 緒 論 鉆夾頭是電動(dòng)工具 手電鉆和機(jī)床臺鉆上常用的配件，主要用于夾緊鉆頭進(jìn)行鉆孔加工，其關(guān)鍵零部件主要由鉆體、夾爪和螺母等組成。夾爪和螺母的強(qiáng)度對鉆夾頭的使用性能和壽命都有重要的影響，對其進(jìn)行強(qiáng)度分析十分必要。 1.1 鉆夾頭概述 目前國內(nèi)電動(dòng)工具及機(jī)床附件行業(yè)迅速發(fā)展，出口量連年遞增，而電鉆系列是這一行業(yè)發(fā)展比較迅猛的產(chǎn)品之一。作為 電動(dòng)工具手電鉆和機(jī)床臺鉆上 主要部件的鉆夾頭的需求量也在不斷增大。 鉆夾頭 關(guān)鍵零部件主要有 外套、鉆體、螺母、夾爪、扳輪、扳柄 等。鉆夾頭實(shí)現(xiàn)夾緊功能的 原理和結(jié)構(gòu)都相對 比較 簡單 ，一般通過螺紋傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)夾緊功能。 其結(jié)構(gòu)如圖 1.1所示，圖中 a和 b分別為手緊式和扳手式鉆夾頭示意圖。從國外標(biāo)準(zhǔn)來看， DIN ISO 10887-2003 Key type three-jaw drill chucks是比較全面和先進(jìn)的鉆夾頭標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)將鉆夾頭按用途不同分為三種型式： H型 重型鉆夾頭，主要用于鉆床和重負(fù)荷加工； M型 中型鉆夾頭，主要用于手持式工業(yè)用電鉆和便攜式工具； L 型 輕型鉆夾頭，主要用于家用鉆具和輕負(fù)荷加工。每種型式的鉆夾頭都有多種聯(lián)接方式，如錐孔聯(lián)接和螺紋孔聯(lián)接。另外，按照結(jié)構(gòu)形式的不同，通常又分為扳手式鉆夾 頭，手緊式鉆夾頭和自緊式鉆夾頭等。常用的扳手鉆夾頭結(jié)構(gòu)如圖 1.1b 所示，其上的齒圈是主要的受力件之一，當(dāng)用扳手帶動(dòng)含有錐齒的螺母時(shí)，內(nèi)孔的錐形螺紋通過螺紋傳動(dòng)，則帶動(dòng)夾爪在鉆體孔內(nèi)上下運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對工件的夾緊，齒形和內(nèi)螺紋承受相當(dāng)?shù)呢?fù)荷并受到?jīng)_擊。鉆夾頭關(guān)鍵零部件夾爪和螺母螺紋強(qiáng)度，以及扳輪扳柄對鉆夾頭的夾緊和使用性能都有很大的影響；夾爪和螺母螺紋之間的面面接觸，以及夾爪和鉆頭直接的接觸磨損與振動(dòng)，加工制造誤差引起的裝配角度不同等都會對鉆夾頭的夾緊性能有一河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 2 - 定的影響。通常企業(yè)通過制造昂貴的物理樣機(jī)和性能測試 來檢驗(yàn)鉆夾頭的使用性能，如落錘實(shí)驗(yàn)，跌落測試，超扭力測試等。 在鉆夾頭的研究方面，大部分是集中于開發(fā)新的工藝和生產(chǎn)方法上面，而很少涉足于對鉆夾頭結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析以及使用過程中夾緊力性能進(jìn)行分析的。文獻(xiàn) 1,2對鉆夾頭齒圈粉末冶金產(chǎn)品的開發(fā)分析，討論了粉末冶金結(jié)構(gòu)件開發(fā)中遇到的一些問題和處理方法，并比較了將粉末冶金用于齒圈生產(chǎn)的幾種工藝方案。文獻(xiàn) 3根據(jù)鉆夾頭的工作原理，對其進(jìn)行了力學(xué)分析和計(jì)算，分析了一些參數(shù)對鉆夾頭夾緊力和輸出夾緊力矩的影響。 縱觀近年來國內(nèi)外鉆夾頭的發(fā)展，可以看出，在夾緊原理上并沒有新的突 破，但在傳動(dòng)方式和總體結(jié)構(gòu)上采用了一些新方法和新工藝。 a 手緊鉆夾頭 b 扳手鉆夾頭 圖 1.1 鉆夾頭結(jié)構(gòu)圖 1-鉆體 2-前套 3-螺母 4-夾爪 5-擋圈 6-軸承 7-螺母套組件 8-后套 9-裝飾套 1.2 選題背景和研究意義 鉆夾頭 工作 原理和結(jié)構(gòu)相對 比較 簡單 ，通過螺紋傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)夾緊功能，對于扳手河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 3 - 鉆夾頭，其上的齒圈，夾爪和扳手等是主要的受力件。目前鉆夾頭的設(shè)計(jì)主要采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，即按規(guī)范設(shè)計(jì)，經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。常做的鉆夾頭性能測試實(shí)驗(yàn) 主要有落錘實(shí)驗(yàn)，跌落測試，超扭力測試，沖擊實(shí)驗(yàn)等。實(shí)驗(yàn)的主要目的是檢驗(yàn)螺母、夾爪螺紋有無斷裂；扳手以及扳手齒圈有無出現(xiàn)斷齒，即檢驗(yàn)關(guān)鍵零部件的強(qiáng)度是否滿足設(shè)計(jì)要求，根據(jù)鉆頭是否脫落、松動(dòng)，檢驗(yàn)鉆夾頭的夾持能力。 實(shí)驗(yàn)方法要求設(shè)計(jì)人員必須制造出不同的實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品，然后進(jìn)行測試和評估，通過實(shí)驗(yàn)查找設(shè)計(jì)中的不足并不斷的改進(jìn)，其周期比較長，人為因素以及實(shí)驗(yàn)的隨機(jī)性和誤差等不可確定性因素比較多，使實(shí)驗(yàn)的正確性和成功率難以得到保證，另外實(shí)驗(yàn)和模型的費(fèi)用也比較昂貴。 CAE 即計(jì)算機(jī)輔助工程，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中根據(jù)提出的產(chǎn)品原型 建立相應(yīng)的計(jì)算機(jī)仿真模型和虛擬工作環(huán)境，利用計(jì)算機(jī)仿真程序檢驗(yàn)產(chǎn)品的各種功能特性，測試產(chǎn)品能否實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能。通過對工程和產(chǎn)品進(jìn)行加工，性能和安全可靠性的模擬，可以及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷，快速對新設(shè)計(jì)進(jìn)行校核，便于方案比較，在某種程度上可以代替昂貴的物理樣機(jī)制造。利用仿真分析技術(shù)作為產(chǎn)品鉆夾頭設(shè)計(jì)的輔助設(shè)計(jì)、系統(tǒng)分析研究的重要手段，可以進(jìn)行開發(fā)前期的全面評價(jià)，將設(shè)計(jì)錯(cuò)誤和設(shè)計(jì)缺陷盡量在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段消除。隨著有限元理論的不斷發(fā)展和高性能計(jì)算機(jī)的普及，CAE 技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，其理論基礎(chǔ)主要是有限元、邊界元法等現(xiàn)代 計(jì)算力學(xué)方法。有限元方法己成為應(yīng)用最廣泛、最有效的數(shù)值方法之一，有限元法的主要優(yōu)點(diǎn)是物理概念清晰，容易理解和掌握，適用性強(qiáng)，應(yīng)用范圍廣泛，許多復(fù)雜的工況和邊界條件都可靈活地加以考慮。常用的有限元分析軟件有 ANSYS，MSC/NASTRAN,ABAQUS,ALGOR 等，在眾多通用和專用有限元軟件中， ANSYS是最為通用和有效的商用有限元軟件之一，用戶也最為廣泛。大多數(shù)有限元分析軟件都提供了友好的用戶界面、強(qiáng)大的計(jì)算分析功能和前后處理功能，并與多種圖形軟件提供了接口，如 UG,I-DEAS,CATIA, PRO/E 等，有的軟件還為用戶提供了二次開發(fā)接口，方便用戶開發(fā)適用于本專業(yè)的專用有限元分析模板。 河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 4 - 然而，采用通用有限元軟件對鉆夾頭進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析還存在著很多問題，例如有限元建模的參數(shù)化程度不高，生成的模型不便于修改；通用有限元程序由于其復(fù)雜性不易被快速掌握，這在一定程度上影響了通用有限元程序的應(yīng)用普及。在結(jié)構(gòu)有限元分析過程中，首要的任務(wù)是根據(jù)結(jié)構(gòu)的物理模型建立離散化的有限元模型，即有限元建?；蚯疤幚?。有限元建模是有限元分析所必須的數(shù)據(jù)前置處理過程 ,也是有限元方法在實(shí)際應(yīng)用中的主要困難。經(jīng)有限元模型的建立和數(shù)據(jù)輸入 (即 前處理 )約占有限元分析各階段所用時(shí)間的 40%-50%，分析結(jié)果的判讀和評定 (即后處理 )約占50%-55%，而分析計(jì)算只占 5%左右。對于同類型的鉆夾頭模型，其在結(jié)構(gòu)上形式相似，在結(jié)構(gòu)尺寸上形成了一個(gè)系列。對于這類設(shè)計(jì)任務(wù)，在進(jìn)行有限元結(jié)構(gòu)分析中，如果逐一地進(jìn)行建模與分析，重復(fù)工作量將相當(dāng)龐大，也無謂地延長了設(shè)計(jì)周期 ,影響到設(shè)計(jì)分析的效率。另外，鉆夾頭的設(shè)計(jì)常需要反復(fù)進(jìn)行“設(shè)計(jì) 建模分析修改設(shè)計(jì)再建模再分析”的過程，對于重復(fù)進(jìn)行的再分析，存在著大量的重復(fù)性工作，影響設(shè)計(jì)分析效率。為克服這些問題，在有限元 建模和分析過程中，利用結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)思想，使有限元建模和分析以及結(jié)果后處理實(shí)現(xiàn)參數(shù)化。 APDL是對 ANSYS 進(jìn)行定制和二次開發(fā) 的基礎(chǔ)，作為一種解釋性語言，可以用來自動(dòng)完成一些通用性強(qiáng)的任務(wù)。 1.3 有限元分析法在 工程結(jié)構(gòu)分析中 的應(yīng)用 近幾十年來，結(jié)構(gòu)有限元分析法在 CAE 工程中應(yīng)用越來越廣泛 ，例如在汽車行業(yè)，航空航天等都得到了廣泛的應(yīng)用。有限元分析軟件在結(jié)構(gòu)分析上的應(yīng)用，可以幫助我們明確結(jié)構(gòu)性能，為確定理想的設(shè)計(jì)方案提供基礎(chǔ)。從 60年代開始，有限元結(jié)構(gòu)分析軟件逐步由原來專用的程序發(fā)展成大型、通用的有限元 結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)，相繼出現(xiàn)了許多結(jié)構(gòu)分析軟件， 這些軟件功能越來越完善，不僅包含多種條件下的有限元分析程序而且?guī)в泄δ軓?qiáng)大的前處理和后處理程序。由于使用方便、計(jì)算精度高等特點(diǎn)，有限元分析計(jì)算結(jié)果已成為各類工程結(jié)構(gòu)分析的可靠依據(jù) 。 在 汽車結(jié)構(gòu)分析中，由于有限元法能夠解決結(jié)構(gòu)形狀和邊界條件都非常任意的河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 5 - 力學(xué)問題的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用。各種汽車結(jié)構(gòu)件都可應(yīng)用有限元法進(jìn)行靜態(tài)分析、固有特性分析和動(dòng)態(tài)分析，并且從原來對實(shí)際問題的靜態(tài)分析為主轉(zhuǎn)化為要求以模態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析為主。具體主要體現(xiàn)在：能夠在汽車設(shè)計(jì)中對所有的結(jié)構(gòu)件，及 主要機(jī)械零部件進(jìn)行剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性分析；在汽車的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)中，可以用有限元法作為結(jié)構(gòu)分析的工具；對汽車結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，可以在計(jì)算機(jī)上直觀地再現(xiàn)各構(gòu)件的振動(dòng)模態(tài)，計(jì)算出各構(gòu)件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，較真實(shí)地描繪出動(dòng)態(tài)過程，為結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)提供方便有效的工具。另外，汽車碰撞過程的計(jì)算機(jī)模擬是一個(gè)難度很大的非線性工程計(jì)算問題，這也是有限元分析在汽車結(jié)構(gòu)應(yīng)用上的重要內(nèi)容之一。 在航空工業(yè)領(lǐng)域，結(jié)構(gòu)分析軟件得到了廣泛的應(yīng)用，可以分析飛機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)性能，也可以分析飛機(jī)零部件的結(jié)構(gòu)性能。從整機(jī)模型分析到零件分析都可 以使用有限元方法，分析的目的主要是確定由外部環(huán)境引起的載荷在飛機(jī)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的分布情況。 隨著有限元分析技術(shù)和計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的發(fā)展，有限元的應(yīng)用得到了極大的擴(kuò)展，其發(fā)展的趨勢和特點(diǎn)主要體現(xiàn)在：應(yīng)用領(lǐng)域越來越寬；軟件功能越來越強(qiáng)：從單一的 CAE功能轉(zhuǎn)向 CAD/CAE/CAT一體化，尤其是設(shè)計(jì) /分析一體化；專業(yè)融合：把分析 (CAE)與試驗(yàn) (CAT)結(jié)臺在一起使用，形成一種更為廣泛的“廣義 CAE”技術(shù)。 通常設(shè)計(jì)者常用一些理想化的方法來進(jìn)行大規(guī)模的結(jié)構(gòu)分析工作，而理想化的東西會帶來很多錯(cuò)誤，一些特別重要的區(qū)域涉及到結(jié) 構(gòu)動(dòng)力學(xué)，如碰撞，振動(dòng)，以及聲場分析，建立這些問題的模型很困難，而且在多數(shù)情況下，其工況的描述也是困難的 ,一些局部特性如螺栓節(jié)點(diǎn)、耦合節(jié)點(diǎn)、鉆孔公差、接頭等，每一種工況都有其復(fù)雜性，如何合理有效地將這些小范圍的工況引進(jìn)較大規(guī)模的分析中去，更加完整地表達(dá)一個(gè)結(jié)構(gòu)，是研究的一個(gè)難點(diǎn)。 1.4 參數(shù)化技術(shù)及其在有限元領(lǐng)域的應(yīng)用 參數(shù)化建模包涵面很廣，通常主要是指參數(shù)化造型。它是一種使用重要幾何參河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 6 - 數(shù)快速構(gòu)造和修改幾何模型的造型方法，這些重要的幾何參數(shù)包括控制形體大小的尺寸和定位形體的方向矢量等。參數(shù)化建模包括由應(yīng)用 軟件生成的圖形具有參數(shù)化的功能，具體可理解為圖形的所有尺寸是參數(shù)化的，可以動(dòng)態(tài)修改。參數(shù)化建模是實(shí)現(xiàn)分析計(jì)算自動(dòng)化的主要手段之一。 現(xiàn)今比較成熟的參數(shù)化方法主要有以下幾種 : 1)編程參數(shù)化方法。這是實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)的一種最簡單的方法 , 通過分析模型的特點(diǎn)，確定各尺寸之間的數(shù)字關(guān)系，給定輸入?yún)?shù)，然后確定其它參數(shù)的值，并用高級語言在 CAD系統(tǒng)中加以實(shí)現(xiàn)。這種方法明顯的缺點(diǎn)就是參數(shù)的數(shù)目和范圍受到很大的限制，而且模型一旦建立完成，它便不能夠被修改，改變模型的唯一方法就是再次運(yùn)行程序，建立新的模型。 2)人機(jī)交互參數(shù) 化。主要有基于幾何約束的變量幾何法、基于幾何推理的人工智能方法、基于構(gòu)造過程的參數(shù)化方法、基于輔助線的參數(shù)化方法、基于圖形的參數(shù)化方法等幾種。 近年來國內(nèi)的一些機(jī)構(gòu)和單位對參數(shù)化的研究也取得了較大的進(jìn)展，并自主開發(fā)了一些較高水平的商品化軟件，如北京航空航天大學(xué)的金銀花 CAD軟件。對參數(shù)化的理論研究也有了較深入的進(jìn)展，如浙江大學(xué)機(jī)械所潘雙夏、張帥、馮培恩提出的基于工程約束的參數(shù)化設(shè)計(jì)，將參數(shù)化設(shè)計(jì)從幾何層面提高到工程領(lǐng)域，使之真正面向工程設(shè)計(jì)。華中科技大學(xué)程才、王啟付提出的基于知識的參數(shù)化建模方法研究等。 在 有限元應(yīng)用領(lǐng)域，參數(shù)化技術(shù)的使用 還 是 比較 有限 和局部的 ，多數(shù)的應(yīng)用都集中在有限元建模 參數(shù)化建模方面， 主要的應(yīng)用方向?yàn)橛脜?shù)化技術(shù)解決形狀優(yōu)化中設(shè)計(jì)模型的自動(dòng)生成問題 。阻礙有限元參數(shù)化從理論走向工程應(yīng)用的一個(gè)主要困難就是缺乏有效地自動(dòng)生成及更新設(shè)計(jì)模型， Botkin將這一困難歸結(jié)為兩個(gè)方面，一方面比較缺乏對設(shè)計(jì)模型幾何特征的參數(shù)化描述手段；另一方面是全自動(dòng)的網(wǎng)格生成器還不夠完善。隨著 CAD和 CAE技術(shù)的發(fā)展，上述兩方面的難點(diǎn)逐漸得以解決，一些全自動(dòng)的設(shè)計(jì)模型生成方法也得到相應(yīng)的提出。 河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 7 - 隨著幾何造型軟件和有限元分 析軟件的相互融合，模型數(shù)據(jù)在軟件之間的交換問題已得到比較好的解決，如 ANSYS與 PROE之間等可以實(shí)現(xiàn)比較好的數(shù)據(jù)傳遞。目前，一些通用有限元軟件為有限元模型的參數(shù)化提供了功能全面的二次開發(fā)工具和開放式的開發(fā)環(huán)境，如 ANSYS的提供的 APDL語言、 MSC. PATRAN的提供的 PLC語言，它們類似 C, FORTAN語言，可供用戶開發(fā)自編程序，完成有限元計(jì)算的參數(shù)化。 一般有限元分析過程包括三部分，即前處理 (建立幾何模型，定義材料，網(wǎng)格劃分，載荷及邊界加載 )，求解計(jì)算和后處理 (結(jié)果查看，顯示變形及應(yīng)力值等 )。在 ANSYS軟件中建立的有限元分析模型往往是單向式建模，即模型一旦建成，便不能進(jìn)行的修改。在求解完之后就沒什么用處了，即使遇到下一個(gè)計(jì)算模型很類似，也必須得重新建模，造成了時(shí)間和精力的浪費(fèi)。針對結(jié)構(gòu)相似的模型，如果能利用參數(shù)化設(shè)計(jì)思想，提煉模型的參數(shù)，使得能夠通過修改其中的參數(shù)，就能建立不同的模型，可以提高建模效率。 在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、制造及仿真領(lǐng)域即 CAD/CAM/CAE，參數(shù)化技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用都很快，是當(dāng)前該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。通常有限元軟件都自帶有幾種開發(fā)工具或提供接口，也可以利用其他開發(fā)工具，如 Visual C+ Visual Basic.NET Visual Fortran等進(jìn)行二次開發(fā)。利用二次開發(fā)編寫的軟件包，不僅能實(shí)現(xiàn)有限元分析的參數(shù)模塊化，而且具有操作界面簡單易用，對使用人員的專業(yè)知識要求也有降低，方便非專業(yè)人士的使用。 國內(nèi)外有相當(dāng)多領(lǐng)域機(jī)構(gòu)和個(gè)人進(jìn)行了該方面的研究與開發(fā)應(yīng)用。 這種方法避免了大量重復(fù)的有限元建模與前、后處理操作，明顯提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率。 綜上所述，在有限元分析中采用參數(shù)化有限元和模塊化技術(shù)，能有效地減少計(jì)算工作量，并能保證較好的計(jì)算精度。 并且通過編寫用戶界面，使專業(yè)程度較高 的有限元計(jì)算過程只需在簡單的界面上填寫參數(shù)就能實(shí)現(xiàn)有限元分析，大大方便了非專業(yè)人員地使用。 河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 8 - 1.5 本文的主要研究工作 本文 以鉆夾頭為對象，開發(fā)方便易用的鉆夾頭強(qiáng)度分析系統(tǒng)，輔助企業(yè)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)和分析，使用戶不必掌握 ANSYS軟件就可以很方便地使用 ANSYS進(jìn)行分析， 主要工作包括以下幾個(gè)方面 : 1、 對鉆夾頭夾爪螺母進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析 ，探討因加工誤差引起的不同裝配角度等因素對鉆夾頭結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和夾緊性能的影響，分析實(shí)際工作中夾緊力不足產(chǎn)生的原因 。 2、 采用參數(shù)化有限元技術(shù)建立含有復(fù)雜螺旋曲面特征的鉆夾頭 參數(shù)化有限元模型，解決夾爪與螺母接觸分析參數(shù)選擇、約束邊界和載荷處理、分析流程文件創(chuàng)建等關(guān)鍵技術(shù)問題 。針對鉆夾頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)行合理簡化提煉模型參數(shù)。采用 ANSYS提供的二次開發(fā)語言 APDL語言編寫模型的各個(gè)模塊，主要包括幾何模型，材料定義，網(wǎng)格劃分，求解和后處理等模塊。 3、 建立鉆夾頭接觸分析模型時(shí)為了簡化問題，針對不同的強(qiáng)度性能實(shí)驗(yàn)測試，建立對應(yīng)的合理簡化模型。對于 鉆夾頭模型幾何特征參數(shù)，利用 ANSYS有限元分析軟件提供的二次開發(fā)語言 APDL， 建立鉆夾頭關(guān)鍵零部件夾爪螺母的參數(shù)化有限元模型。針對具體的實(shí) 驗(yàn)?zāi)Ｐ停?確定邊界條件， 建立與實(shí)驗(yàn)相符的有限元計(jì)算模型 。 第二章 ANSYS 簡介以及 ANSYS 分析系統(tǒng)概述 2.1 ANSYS及其參數(shù)化設(shè)計(jì)語言簡介 ANSYS軟件 擁有豐富和完善的單元庫、材料模型庫和求解器，保證了它能高效地求解各類結(jié)構(gòu)的靜力、動(dòng)力、振動(dòng)、線性和非線性問題，穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)熱分析及熱結(jié)構(gòu)耦合問題，壓縮和不可壓縮的流體問題。其友好的圖形界面和程序結(jié)構(gòu)，交互式的前后處理和圖形軟件，大大地減輕了用戶在實(shí)際工程問題中創(chuàng)建模型、有限元求河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 9 - 解以及結(jié)果分析和評價(jià)的工作量。它的統(tǒng)一集中式的數(shù)據(jù)庫保證了各模塊之間的有效可靠地集成，并實(shí)現(xiàn)了與多個(gè) CAD/CAE軟件的友好連接。 2.1.1 有限元分析軟件 ANSYS 概述 ANSYS 軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場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 ANSYS 開發(fā)，它能與多數(shù) CAD 軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如 Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, I DEAS, AutoCAD 等，是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級 CAD 工具之一。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。前處理模塊提 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；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、 電磁場分析、 聲場分析、 壓電分析以及多物理場的耦合分析， 可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用， 具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力； 后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、 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， 也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、 曲線形式顯示或輸出。 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。 該軟件有多種不同版本， 可以運(yùn)行在從個(gè)人機(jī)到大型機(jī)的多種計(jì)算機(jī)設(shè)備上， 如 PC ， SGI ， HP， SUN， DEC ， IBM， CRAY 等。 2.1.2 ANSYS 軟件的組成與特點(diǎn) 1、組成 （ 1） 用戶界面 盡管 ANSYS 程序功能強(qiáng)大， 涉及范圍廣， 但它友好的圖形用戶界面（ GUI）及其優(yōu)秀的程序構(gòu)架使其易學(xué)易用。 該程序使用了基于 Motif 標(biāo)準(zhǔn)的易于理解的GUI。 通過 GUI 可方便地交互訪問程序的各種功能， 命令， 用戶手冊和參考材料，并可 一步一步地完成整個(gè)分析， 因而使 ANSYS 易于使用。 同時(shí)， 該程序提供河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 10 - 了完整的在線說明和狀態(tài)途徑的超文本幫助系統(tǒng)， 以協(xié)助有經(jīng)驗(yàn)的用戶進(jìn)行高級應(yīng)用。 圖 2.1 ANSYS 用戶界面 在用戶界面中 ANSYS 程序提供了四種通用方法輸入命令 菜單； 對話框； 工具桿； 直接輸入命令。 菜單由運(yùn)行 ANSYS 程序時(shí)相關(guān)的命令和操作功能組成， 位于各自的窗口中。ANSYS 命令根據(jù)其功能分組， 保證了用戶快速訪問到合適的命令。 ANSYS 共有七個(gè)菜單窗口， 具體包括：實(shí)用菜單 ， 主菜單 ， 輸入窗口 ， 圖形窗口 ， 輸出窗口 ， 工具桿 ， 對話框 。 （ 2） 圖形 完全交互式圖形是 ANSYS 程序不可分割的組成部分， 圖形對于效驗(yàn)前處理數(shù)據(jù)和在后處理中檢查求解結(jié)果都是非常重要的。 河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 11 - ANSYS 的 PowerGraphics 能夠迅速完成 ANSYS 幾何圖形及計(jì)算結(jié)果的顯示，在于其幾何圖形是以對象而不是以需重新組合的數(shù)據(jù)來貯存的。 PowerGraphics 的顯示特性保證了單元和等值線的顯示， 并且既可用于 p 單元也可用于 h 單元。PowerGraphics 的顯示特性加速了等值面顯示， 斷面 /覆蓋 /Q-切片 顯示以及在 Q-切片中的顯示。 （ 3） 處理器 圖 2.2 ANSYS 集中式數(shù)據(jù)庫關(guān)系圖 ANSYS 按功能分為若干個(gè)處理器； 包括一個(gè)前處理器， 一個(gè)求解器， 兩個(gè)后處理器， 幾個(gè)輔助處理器如設(shè)計(jì)優(yōu)化器等。 ANSYS 前處理器用于生成有限元模型，指定隨后求解中所需的選擇項(xiàng)； ANSYS 求解器用于施加載荷及邊界條件， 然后完成求解運(yùn)算； ANSYS 后處理器用于獲取并檢查求解結(jié)果， 以對模型做出評價(jià)， 進(jìn)而進(jìn)行其他感興趣的計(jì)算。 （ 4） 數(shù)據(jù)庫 ANSYS 程序使用統(tǒng)一的集中式數(shù)據(jù)庫來儲存所有模型數(shù)據(jù)及求解結(jié)果如圖2.2 模型數(shù)據(jù) （包括實(shí)體模型和有限元模型， 材料等） 通過前處理器寫入數(shù)據(jù)庫；載荷和求解結(jié)果通過求解器寫入數(shù)據(jù)庫； 后處理結(jié)果通過后處理器寫入數(shù)據(jù)庫。數(shù)Graphics Displays 河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 12 - 據(jù)一旦通過某一處理器寫入數(shù)據(jù)庫中， 如需要， 即可為其他處理器所用。 （ 5） 文件格式 文件可用于將數(shù)據(jù)從程序的一部分傳輸?shù)搅硪徊糠?，存儲?shù)據(jù)庫以及存儲程序輸出。 這些文件包括數(shù)據(jù)庫文件， 計(jì)算結(jié)果文件， 圖形文件等等。 2、特點(diǎn) ANSYS程序是一個(gè)功能強(qiáng)大的設(shè)計(jì)分析及優(yōu)化軟件包，其特 點(diǎn)主要體現(xiàn)在： (1)數(shù)據(jù)統(tǒng)一。 ANSYS使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫來存儲模型數(shù)據(jù)及求解結(jié)果，實(shí)現(xiàn)前后處理、分析求解及多場分析的數(shù)據(jù)統(tǒng)一。 (2)強(qiáng)大的建模能力。 (3)強(qiáng)大的求解功能。 ANSYS提供了數(shù)種求解器，用戶可以根據(jù)分析要求選擇合適的求解器。 (4)強(qiáng)大的非線性分析功能。 ANSYS具有強(qiáng)大的非線性分析功能，可進(jìn)行幾何非線性、材料非線性及狀態(tài)非線性分析。 (5)智能網(wǎng)格劃分。 ANSYS具有智能網(wǎng)格劃分功能，根據(jù)模型的特點(diǎn)自動(dòng)生成有限元網(wǎng)格。 (6)良好的用戶開發(fā)環(huán)境。允許用戶在 ANSYS系統(tǒng)上進(jìn)行二次開發(fā)和擴(kuò) 展新的用戶功能。包括在用戶程序中調(diào)用 ANSYS系統(tǒng)、開發(fā)新的用戶單元、在 ANSYS系統(tǒng)中調(diào)用用戶子程序、建立用戶蠕變準(zhǔn)則等等。 2.1.3 ANSYS的二次開發(fā)功能 標(biāo)準(zhǔn) ANSYS程序是一個(gè)功能強(qiáng)大、通用性好的有限元分析程序，同時(shí)它還具 有良好的開放性，用戶可以根據(jù)自身的需要在標(biāo)準(zhǔn) ANSYS版本上進(jìn)行功能擴(kuò)充和 系統(tǒng)集成，生成具有行業(yè)分析特點(diǎn)和符合用戶需要的用戶版本的 ANSYS程序。開 發(fā)功能包括三個(gè)組成部分 : 1. 參數(shù)化設(shè)計(jì)語言 (APDL) 參數(shù)化設(shè)計(jì)語言實(shí)質(zhì)上由類似于 FORTRAN” 的程序設(shè)計(jì)語言部 分和 1000多條河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 13 - ANSYS命令組成。其中，程序設(shè)計(jì)語言部分與其它編程語言一樣，具有參數(shù)、數(shù)組表達(dá)式、函數(shù)、流程控制 (循環(huán)與分支 )、重復(fù)執(zhí)行命令、縮寫、宏以及用戶程 序等。標(biāo)準(zhǔn)的 ANSYS程序運(yùn)行是由 1000多條命令驅(qū)動(dòng)的，這些命令可以寫進(jìn)程序 設(shè)計(jì)語言編寫的程序，命令的參數(shù)可以賦確定值，也可以通過表達(dá)式的結(jié)果或參數(shù)的方式進(jìn)行賦值。從 ANSYS命令的功能上講，它們分別對應(yīng) ANSYS分析過程中的 定義幾何模型、劃分單元網(wǎng)格、材料定義、添加載荷和邊界條件、控制和執(zhí)行求解和后處理計(jì)算結(jié)果等指令。 用戶可以利用設(shè)計(jì)語 言將 ANSYS命令組織起來，編寫出參數(shù)化的用戶程序，從而實(shí)現(xiàn)有限元分析的全過程，即建立參數(shù)化的 CAD模型、參數(shù)化的網(wǎng)格劃分與 控制、參數(shù)化的材料定義、參數(shù)化的載荷和邊界條件定義、參數(shù)化的分析控制和求解以及參數(shù)化的后處理。 宏是具有某種特殊功能的命令組合，實(shí)質(zhì)上是參數(shù)化的用戶小程序，可以當(dāng)作ANSYS的命令處理，可以有輸入?yún)?shù)或沒有輸入?yún)?shù)。 縮寫是某條命令或宏的替代名稱，它與被替代命令或宏存在一一對應(yīng)的關(guān)系，在 ANSYS中二者是完全等同的，但縮寫更符合用戶習(xí)慣，更易于記憶，減少敲擊鍵盤的次數(shù)。 ANSYS工具 條就是一個(gè)很好的縮寫例子。 2. 用戶界面設(shè)計(jì)語言 (UIDL) 標(biāo)準(zhǔn) ANSYS交互圖形界面可以驅(qū)動(dòng) ANSYS命令，提供命令的各類輸入?yún)?shù)接口和控制開關(guān)，用戶在圖形驅(qū)動(dòng)的級別上進(jìn)行有限元分析，整個(gè)過程變得直觀輕松。 用戶圖形界面設(shè)計(jì)語言 (UIDL)就是編寫或改造 ANSYS圖形界面的專用設(shè)計(jì)語言，主要完成以下三種圖形界面的設(shè)計(jì) : 主菜單系統(tǒng)及菜單項(xiàng) 對話框和拾取對話框 幫助系統(tǒng) 通過用戶界面設(shè)計(jì)語言 (UIDL)，用戶可以在擴(kuò)充 ANSYS功能的同時(shí)建立起對應(yīng)的河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 14 - 圖形驅(qū)動(dòng)界面，如在主菜單的某位置增加菜單項(xiàng)，設(shè)計(jì)對應(yīng)的 對話框、拾取對話框，實(shí)現(xiàn)參數(shù)的輸入和其它程序運(yùn)行的控制，同時(shí)提供相應(yīng)的聯(lián)機(jī)幫助，使操作者能方便地獲取系統(tǒng)幫助。 3. 用戶程序特性 (UPFs) 用戶程序特性 (UPFs)向用戶提供豐富的 FORTRAN77用戶程序開發(fā)子程序和函數(shù)，用戶利用它們從開發(fā)程序源代碼的級別上擴(kuò)充 ANSYS的功能。使用這些子程序和函數(shù)，編寫用戶功能的源代碼程序，在與 ANSYS版本要錄匹配的 FORTRAN或 C+編譯器上重新編譯和連接，生成用戶版本的 ANSYS程序。另外，還提供了外部命令功能，允許用戶創(chuàng)建 ANSYS可以利用的共享庫。 2.2 ANSYS 分析系統(tǒng)概述 2.2.1 ANSYS 分析過程 有限元分析是對物理現(xiàn)象（幾何及載荷工況）的模擬， 是對真實(shí)情況的數(shù)值近似。 通過對對象劃分網(wǎng)格， 求解有限個(gè)數(shù)值來近似模擬真實(shí)環(huán)境的無限個(gè)未知量。 ANSYS 分析過程包括三個(gè)主要的步驟： 1. 創(chuàng)建實(shí)體模型及有限元模型 前處理 現(xiàn)在大部分的有限元分析模型都是用實(shí)體模型建模。 類似 CAD ， ANSYS 以數(shù)學(xué)的方式表達(dá)結(jié)構(gòu)的幾何形狀， 用于在里面劃分結(jié)點(diǎn)和單元， 還可在幾何模型邊界上方便地施加載荷， 但實(shí)體模型并不參與有限元分析。 所有施加 在幾何實(shí)體上的載荷或約束最終必須傳遞到有限元模型上 （結(jié)點(diǎn)或單元上） 進(jìn)行求解。 (1）創(chuàng)建或讀入幾何模型。 (2) 定義材料屬性。 (3) 劃分網(wǎng)格 (結(jié)點(diǎn)及單元 )。 2. 施加載荷并求解 求解器 求解器的功能是求解關(guān)于結(jié)構(gòu)自由度的聯(lián)立線性方程組 . ANSYS 提供了兩個(gè)直接求解器波前求解器 , 稀疏矩陣求解器 , 同時(shí) , 提供了三個(gè)迭代求解器： PCG， JCG， 河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 15 - ICCG； 兩個(gè)直接求解器和 PCG 求解器均可用于非線性問題； 對于模態(tài)分析 ANSYS 提供了六種不同的特征值提取法。 （ 1） 施加載荷及載荷 選項(xiàng) 設(shè)定約束條件。 （ 2） 求解。 3. 查看結(jié)果 后處理器 ANSYS 有兩個(gè)后處理器， 通用后處理器（ POST1）只能觀看整個(gè)模型在某一時(shí)刻的結(jié)果； 時(shí)間 歷程后處理器（ POST26）可觀看模型在不同時(shí)間段或子步歷程上的結(jié)果， 常用于處理瞬態(tài)和 /或動(dòng)力分析結(jié)果。 （ 1） 查看分析結(jié)果。 （ 2） 檢驗(yàn)結(jié)果。 分析流程如圖 2.3 所示。 圖 2.3 ANSYS分析過程流程圖 2.2.2 ANSYS軟件的主要模塊介紹 ANSYS軟件含有多種有限元的分析能力，包括從簡單線形靜態(tài)分析到復(fù)雜非線性動(dòng)態(tài)分析。 ANSYS軟件功能的強(qiáng)大與其有著很多的模塊應(yīng)用是分不開的， ANSYS的模塊化結(jié)構(gòu)如圖 2.4所示。 提取并分析結(jié)果： 1通過位移圖，應(yīng)力圖及對應(yīng)的數(shù)值分布 2重點(diǎn)關(guān)注局部的應(yīng)力極值狀態(tài) 針對問題，確定以下內(nèi)容： 1分析類型（結(jié)構(gòu)，流體，熱分析等） 2材料屬性（彈 性模量，泊松比，密度等） 3分析幾何尺寸，邊界條件、作用載荷 確定實(shí)體模型： 1選定單元類型并輸入相應(yīng)材料屬性 2劃分單元網(wǎng)格 3設(shè)定邊界約束，施加外力載荷 求解（選擇求解器，設(shè)定載荷步等） 后處理 是否合理？ 前處理 修改數(shù)據(jù) 根據(jù)求解結(jié)果確定合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案 是 否 河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 16 - 在有限元的分析過程中，程序通常使用以下三個(gè)部分 :前處理模塊 (PREP7),分析求解模塊 (SOLUTION)和后處理模塊 (POST1和 POST26)。前處理模塊為一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模和網(wǎng)格劃分工具，通過這個(gè)模塊用戶可以建立自己想要的工程有限元模型。分析求解模塊即是對已建立好的模型在一定的載荷和邊界條件下進(jìn)行有限元計(jì)算，求解平衡微分方程。包括結(jié)構(gòu)分析、流體動(dòng)力分析、聲場分析、電磁場分析、壓電分析和多物理場的 藕合分析 (熱一應(yīng)力禍合、流一固藕合以及電一磁一熱一應(yīng)力藕合 )等。后處理模型是對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理，可將結(jié)果以等值線、梯度、矢量、粒子流及云圖等圖形方式顯示出來。也可以用圖表、曲線的方式輸出 181下面 對 ANSYS軟件三種模塊的功能進(jìn)行一下簡要的介紹 : 圖 2. 4 ANSYS程序的模塊化結(jié)構(gòu) 1. 前處理模塊 (PREP7) ANSYS軟件的前處理模塊主要實(shí)現(xiàn)三種功能 :參數(shù)定義、實(shí)體建模和網(wǎng)格劃分。 (1 )參數(shù)定義 ANSYS程序在進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模的過程中，首先要對 所有被建模型的材料進(jìn)行參數(shù)定義。包括定義使用單位制，定義所使用單元的類型，定義單元的實(shí)常數(shù)，定義材料的特性及使用材料庫文件等。 河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 17 - 在 單 位制 的制定中， ANSYS并沒有為分析指定固定的系統(tǒng)單位。除了磁場分析外，可以使用任意一種單位制，只要保證輸入的所有數(shù)據(jù)都是使用同一單位制里的單位即可。 單元類型的定義是結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分的必要前提， ANSYS程序根據(jù)所定義的單元類型進(jìn)行實(shí)際的網(wǎng)格劃分。而單元實(shí)常數(shù)的確定也依賴于單元類型的特性。 材料的特性是針對每一種材料的性質(zhì)參數(shù)。例如在對材料進(jìn)行線性分析的過程中，首先要知 道這種材料的彈性模量和泊松比。在一個(gè)分析過程中，可能有多個(gè)材料特性組，每一組材料特性有一個(gè)材料參考號， ANSYS通過獨(dú)特的參考號碼來識別每一個(gè)材料特性組。 (2 )實(shí)體建模 在實(shí)體建模過程中， ANSYS程序提供了兩種方法 :從高級到低級的建模與從低級到高級的建模。 對于一個(gè)有限元模型，圖元的等級從低到高分別是 :點(diǎn)、線、面和體。 ANSYS 程序提供了很多高級圖元的建立，如球體、圓柱等。當(dāng)用戶直接構(gòu)建高級圖元時(shí)，程序則自動(dòng)定義相關(guān)的低級圖元 (面、線和點(diǎn) )。此外，用戶也可以先定義點(diǎn)、線、 面，然后由所定義的圖元生成 體。無論用戶采用哪種方式進(jìn)行建模，都需要進(jìn)行布爾操作來組合結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，以構(gòu)建用戶想要得到的模型。例如加運(yùn)算、減運(yùn)算、相交、刪除、重疊和粘貼等。 (3 ) 網(wǎng)格劃分 ANSYS系統(tǒng)的網(wǎng)格劃分功能十分強(qiáng)大，使用起來十分便捷。從使用選擇的角度來講，程序的網(wǎng)格劃分可以分為系統(tǒng)智能劃分和人工選擇劃分兩種。從網(wǎng)格劃分的功能來講，則包括四種劃分方式 :延伸劃分、映像劃分、自由劃分和自適應(yīng)劃分。延伸劃分時(shí)將一個(gè)二維網(wǎng)格延伸成一個(gè)三維網(wǎng)格單元。映像網(wǎng)格劃分是將一個(gè)幾何模型分解成為幾部分，然后選擇合適的單元屬性和網(wǎng)格控制，分別加以 劃分生成映像網(wǎng)格。 ANSYS程序提供了六面體、四面體和三角形的映像網(wǎng)格劃分。自由網(wǎng)格劃分是由河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 18 - ANSYS程序的網(wǎng)格自由劃分器來實(shí)現(xiàn)的，通過這種劃分可以避免不同組件在裝配過程中網(wǎng)格不匹配帶來的問題。自適應(yīng)網(wǎng)格劃分是在生成了具有邊界條件的實(shí)體模型以后，用戶指示程序自動(dòng)產(chǎn)生有限元網(wǎng)格，分析、估計(jì)網(wǎng)格的離散誤差，然后重新定義網(wǎng)格的大小，再次分析計(jì)算、估計(jì)網(wǎng)格的離散誤差，直至誤差低于用戶定義的值或者達(dá)到用戶定義的求解次數(shù)。 2. 求解模