哈工大-機械有限元實驗報告.docx

哈爾濱工業(yè)大學機電工程學院實 驗 報 告姓名學號課程名稱機械結構有限元分析實驗名稱機械結構有限元分析實驗實驗室名稱機械制造及自動化實驗室實驗時間2014年11月15日同組成員實驗準備（10%）評語：簽字： 成績：實驗過程（60%）評語：簽字： 成績：實驗報告（30%）評語：簽字： 成績：特別加分評語：簽字： 成績：總成績教師簽字 年 月 日哈爾濱工業(yè)大學機電工程學院 2012年06月一、實驗的目的和意義“機械結構有限元分析”實驗是機械設計制造及其自動化專業(yè)開設的專業(yè)限選課實驗，是有限元分析教學的一個重要的實踐性環(huán)節(jié)。學生通過該課程及其實驗教學，使學生掌握現(xiàn)代機械設計的一些基本原理和方法，具有一定的利用已有的有限元分析軟件對機械結構進行靜、動態(tài)特性分析的能力。掌握機械結構靜、動態(tài)特性測試的原理、方法和相關的儀器、設備的操作，培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際和動手操作的能力。二、實驗的內(nèi)容與原理1.典型機械部件的動態(tài)測試實驗采用一種典型的振動模態(tài)測試方法測試具有不同截面形狀的懸臂梁的模態(tài)參數(shù)（自振頻率和主振型）。2.有限元分析軟件上機實驗測量隔振平臺系統(tǒng)的固有頻率。改變空氣彈簧的剛度，平臺的質(zhì)量（加質(zhì)量塊）測量平臺系統(tǒng)固有頻率的變化。計算平臺的隔振效率。自振模態(tài)測試原理瞬態(tài)激勵方法理論基礎：脈沖激勵的理論基礎是采用單位脈沖函數(shù)對被測結構對象激勵。其脈沖的持續(xù)時間t-0，則其頻率范圍為無限大，且是連續(xù)的。在脈沖力寬頻信號的激勵下，就能把試驗對象的所有各階固有頻率都激發(fā)出來。所以，脈沖激勵法是一種寬頻激勵。把脈沖力和激發(fā)出來的響應信號同時輸入數(shù)字信號處理分析系統(tǒng)的兩個通道中，進行模/數(shù)轉換及濾波后，就可做快速富里葉變換（FFT），分析出它們各自的幅值譜、相位譜和互譜密度函數(shù)。再經(jīng)計算，得出它們的傳遞函數(shù)和相干函數(shù)。捶擊法是一種最簡便的激勵方法。激勵工具僅為一只帶有力傳感器的敲擊錘，一般由人工進行操作，憑借試驗者熟練的敲擊手法，就能對被測試件進行脈沖激勵。該方法的優(yōu)點：激勵十分簡單易行，無需價格昂貴的儀器設備；試驗時不會對試件產(chǎn)生附加質(zhì)量、附加剛度等副作用；激勵點的選擇不受敲擊錘本身結構的限制，可以在不能安裝激振器的部位實現(xiàn)激振；能很方便地在生產(chǎn)現(xiàn)場，實施在線診斷的試驗；試驗數(shù)據(jù)獲得速度快，效率高。三、實驗方法和步驟1.自振模態(tài)測試方法根據(jù)實驗原理可知，脈沖激勵法是一種寬頻激勵。脈沖力寬頻信號的激勵能把試驗對象的所有各階固有頻率都激發(fā)出來。所以，把脈沖力和激發(fā)出來的響應信號同時輸入數(shù)字信號處理分析系統(tǒng)的兩個通道中，進行模/數(shù)轉換及濾波后，就可做快速富里葉變換（FFT），分析出它們各自的幅值譜、相位譜。再經(jīng)計算，可以得出它們的傳遞函數(shù)和相干函數(shù)。實驗中采用帶有力傳感器的敲擊錘作為脈沖源，對懸臂梁結構進行激勵，同時采用模態(tài)參數(shù)識別動畫過程，獲得懸臂梁結構自振頻率和振型。實驗中應用了北京波譜世紀科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的USB接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如圖1和圖2所示。圖1 錘擊測振系統(tǒng)主要設備 圖2錘擊測振系統(tǒng)程序主界面瞬態(tài)激勵方法測試模態(tài)的實驗原理如圖3所示：圖3 瞬態(tài)激勵測試模態(tài)原理圖實驗中，首先對某一種截面形狀的懸臂梁進行模態(tài)測試。按照原理圖連接實驗所需要的儀器和設備。將懸臂梁沿著軸向均分，標記均分的刻度（如：分成10等分）。然后啟動錘擊測振系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集軟件，給定力錘敲擊的方向和采樣頻率和均分點的個數(shù)等參數(shù)。用力錘在懸臂梁進行敲擊第1點，一點可以敲擊多次，并計算平均值。采用軟件記錄其幅頻和相頻特性曲線。找出共振點的位置，并記錄當前的頻率值。按照這種方法，順次以后的幾點。最后，獲得各點的相對振幅，利用模型動畫軟件，可以在計算機屏幕上顯示該階振動的振動狀態(tài)。2.有限元分析軟件上機實驗本上機實驗是利用ANSYS有限元分析軟件對3個不同截面形狀懸臂梁試件的靜、動態(tài)特性進行分析，分析采用SOLID92實體單元。試驗件的二維圖如圖3-1和圖3-2所示。圖4 三個不同截面試驗件圖5試驗件安裝尺寸軟件介紹ANSYS是一種廣泛性的商業(yè)套裝工程分析軟件，主要用于機械結構系統(tǒng)受到外力負載后所出現(xiàn)的狀態(tài)，如位移、應力和振動狀態(tài)等。ANSYS有限元分析軟件在機械、電機、土木、電子及航空等不同領域得到了相當廣泛的應用，已經(jīng)成為設計人員不可缺少的工具之一。ANSYS的使用有兩個模式，一是交互模式（Interactive Mode），另一是非交互模式（Batch Mode），初學者及大部分使用者都采用交互模式。ANSYS軟件用戶界面如圖3-3所示。圖3-3 ANSYS軟件用戶界面ANSYS軟件是融結構、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。由美國ANSYS公司開發(fā)，它能與多數(shù)CAD軟件接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Pro/Engineer， NASTRAN，Alogor，UG，AutoCAD等，是現(xiàn)代產(chǎn)品開發(fā)中的高級計算機輔助工具之一。軟件主要包括三個部分：前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個強大的實體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構造有限元模型；分析計算模塊包括結構分析（可進行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動力學分析、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；后處理模塊可將計算結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（可看到結構內(nèi)部）等圖形方式顯示出來，也可將計算結果以圖表、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構和材料。3.1.2 有限元模型的建立利用ANSYS有限元分析軟件的前處理功能建立圖3-1和圖3-2所示實驗件的有限元實體模型，定義材料屬性。具體步驟如下： （1）啟動ANSYS。以交互模式進入ANSYS，定義工作文件名；（2）創(chuàng)建基本模型；（3）存儲ANSYS數(shù)據(jù)庫；（4）設定分析模塊；（5）設定單元類型。對于任何分析，必須在單元庫中選擇一個或幾個適合分析的單元類型，單元類型決定了輔加的自由度，許多單元還要設置一些單元選項，諸如單元特性和假設。對于本問題，只需選擇SOLID92實體單元并默認單元選項即可；（6）定義材料屬性。材料屬性是與結構無關的本構屬性，例如揚氏模量、密度等，一個分析中可以定義多種材料，每種材料設定一個材料編號。對于本問題，只需定義一種材料；（7）保存ANSYS數(shù)據(jù)庫文件。3.1.3 對有限元模型的網(wǎng)格劃分ANSYS程序提供了使用便捷、高質(zhì)量的對CAD模型進行網(wǎng)格劃分的功能。包括四種網(wǎng)格劃分方法：延伸劃分、映像劃分、自由劃分和自適應劃分。延伸網(wǎng)格劃分可將一個二維網(wǎng)格延伸成一個三維網(wǎng)格。映像網(wǎng)格劃分允許用戶將幾何模型分解成簡單的幾部分，然后選擇合適的單元屬性和網(wǎng)格控制，生成映像網(wǎng)格。ANSYS程序的自由網(wǎng)格劃分器功能是十分強大的，可對復雜模型直接劃分，避免了用戶對各個部分分別劃分然后進行組裝時各部分網(wǎng)格不匹配帶來的麻煩。自適應網(wǎng)格劃分是在生成了具有邊界條件的實體模型以后，用戶指示程序自動地生成有限元網(wǎng)格，分析、估計網(wǎng)格的離散誤差，然后重新定義網(wǎng)格大小，再次分析計算、估計網(wǎng)格的離散誤差，直至誤差低于用戶定義的值或達到用戶定義的求解次數(shù)。本實驗中網(wǎng)格劃分主要包括以下四個步驟：（1）確定所要劃分網(wǎng)格的單元屬性。對于本問題，由于只有一種單元，已經(jīng)默認；（2）設定網(wǎng)格尺寸控制。ANSYS網(wǎng)格劃分中有許多不同的單元尺寸控制方法，如智能網(wǎng)格劃分“Smart sizing”、總體尺寸單元、給定關鍵點附近的單元尺寸控制和網(wǎng)格細化等，本實驗采用“Smart sizing”；（2）網(wǎng)格劃分以前保存數(shù)據(jù)庫；（2）執(zhí)行網(wǎng)格劃分；劃分后網(wǎng)格圖如圖3-4所示。 圖3-4 網(wǎng)格圖3.1.4 結構的靜力分析靜力分析是用于求解靜力載荷作用下結構的位移和應力等。靜力分析包括線性和非線性分析。而非線性分析涉及塑性，應力剛化，大變形，大應變，超彈性，接觸面和蠕變，本實驗是線性分析。靜力分析計算在固定不變的載荷作用下結構的效應，它不考慮慣性和阻尼的影響，如結構受隨時間變化載荷的情況。可是，靜力分析可以計算那些固定不變的慣性載荷對結構的影響（如重力和離心力），以及那些可以近似為等價靜力作用的隨時間變化載荷分析前要對模型施加載荷，本試驗施加的載荷為集中載荷，大小、方向和位置與力學測試實驗相同。3.1.5 結構的模態(tài)分析模態(tài)分析是用于計算結構的固有頻率和模態(tài)。通過計算得出實驗件的前兩階固有頻率和振型?？梢垣@得懸臂梁振型圖，如圖3-16所示。3.1.6 結構后處理計算完成后要對分析結果以圖片的方式存儲打印出來，附在實驗報告后面。ANSYS有兩個后處理器：通用后處理器和時間歷程后處理器。前者只能觀看整個模型在莫一時刻的結果，后者可觀看模型在不同時間的結果。對于靜力分析，后處理的步驟主要包括：（1）繪變形圖：繪出結構在靜力作用下的變形結果；（2）動畫：以動畫方式模擬結構在靜力作用下的變形過程；（3）支反力列表：在任一方向，支反力總和必等于再此方向的載荷總和；（4）繪應力等值線：應力等值線可清晰描述一種結果在整個模型中的變化，可以快速確定模型中的“危險區(qū)域”；（5）應力等值線動畫。對于模態(tài)分析，得出各階國有頻率下幅值變化的動畫四、實驗結果1.瞬態(tài)激勵方法一階固有頻率值： 105.124 Hz表1 一階固有頻率下的相對振幅值節(jié)點123456789相對振幅值-0.6460.6610.1760.5940.4790.6000.5250.3050圖9 振型草圖2.有限元分析法1).模型圖2).網(wǎng)格