哈工大——机械有限元实验报告.docx

哈尔滨工业大学机电工程学院实 验 报 告姓名学号课程名称机械结构有限元分析实验名称机械结构有限元分析实验实验室名称机械制造及自动化实验室实验时间2014年11月15日同组成员实验准备（10%）评语：签字： 成绩：实验过程（60%）评语：签字： 成绩：实验报告（30%）评语：签字： 成绩：特别加分评语：签字： 成绩：总成绩教师签字 年 月 日哈尔滨工业大学机电工程学院 2012年06月一、实验的目的和意义“机械结构有限元分析”实验是机械设计制造及其自动化专业开设的专业限选课实验，是有限元分析教学的一个重要的实践性环节。学生通过该课程及其实验教学，使学生掌握现代机械设计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软件对机械结构进行静、动态特性分析的能力。掌握机械结构静、动态特性测试的原理、方法和相关的仪器、设备的操作，培养学生理论联系实际和动手操作的能力。二、实验的内容与原理1.典型机械部件的动态测试实验采用一种典型的振动模态测试方法测试具有不同截面形状的悬臂梁的模态参数（自振频率和主振型）。2.有限元分析软件上机实验测量隔振平台系统的固有频率。改变空气弹簧的刚度，平台的质量（加质量块）测量平台系统固有频率的变化。计算平台的隔振效率。自振模态测试原理瞬态激励方法理论基础：脉冲激励的理论基础是采用单位脉冲函数对被测结构对象激励。其脉冲的持续时间t->0，则其频率范围为无限大，且是连续的。在脉冲力宽频信号的激励下，就能把试验对象的所有各阶固有频率都激发出来。所以，脉冲激励法是一种宽频激励。把脉冲力和激发出来的响应信号同时输入数字信号处理分析系统的两个通道中，进行模/数转换及滤波后，就可做快速富里叶变换（FFT），分析出它们各自的幅值谱、相位谱和互谱密度函数。再经计算，得出它们的传递函数和相干函数。捶击法是一种最简便的激励方法。激励工具仅为一只带有力传感器的敲击锤，一般由人工进行操作，凭借试验者熟练的敲击手法，就能对被测试件进行脉冲激励。该方法的优点：激励十分简单易行，无需价格昂贵的仪器设备；试验时不会对试件产生附加质量、附加刚度等副作用；激励点的选择不受敲击锤本身结构的限制，可以在不能安装激振器的部位实现激振；能很方便地在生产现场，实施在线诊断的试验；试验数据获得速度快，效率高。三、实验方法和步骤1.自振模态测试方法根据实验原理可知，脉冲激励法是一种宽频激励。脉冲力宽频信号的激励能把试验对象的所有各阶固有频率都激发出来。所以，把脉冲力和激发出来的响应信号同时输入数字信号处理分析系统的两个通道中，进行模/数转换及滤波后，就可做快速富里叶变换（FFT），分析出它们各自的幅值谱、相位谱。再经计算，可以得出它们的传递函数和相干函数。实验中采用带有力传感器的敲击锤作为脉冲源，对悬臂梁结构进行激励，同时采用模态参数识别动画过程，获得悬臂梁结构自振频率和振型。实验中应用了北京波谱世纪科技发展有限公司生产的USB接口的数据采集系统，如图1和图2所示。图1 锤击测振系统主要设备 图2锤击测振系统程序主界面瞬态激励方法测试模态的实验原理如图3所示：图3 瞬态激励测试模态原理图实验中，首先对某一种截面形状的悬臂梁进行模态测试。按照原理图连接实验所需要的仪器和设备。将悬臂梁沿着轴向均分，标记均分的刻度（如：分成10等分）。然后启动锤击测振系统数据采集软件，给定力锤敲击的方向和采样频率和均分点的个数等参数。用力锤在悬臂梁进行敲击第1点，一点可以敲击多次，并计算平均值。采用软件记录其幅频和相频特性曲线。找出共振点的位置，并记录当前的频率值。按照这种方法，顺次以后的几点。最后，获得各点的相对振幅，利用模型动画软件，可以在计算机屏幕上显示该阶振动的振动状态。2.有限元分析软件上机实验本上机实验是利用ANSYS有限元分析软件对3个不同截面形状悬臂梁试件的静、动态特性进行分析，分析采用SOLID92实体单元。试验件的二维图如图3-1和图3-2所示。图4 三个不同截面试验件图5试验件安装尺寸软件介绍ANSYS是一种广泛性的商业套装工程分析软件，主要用于机械结构系统受到外力负载后所出现的状态，如位移、应力和振动状态等。ANSYS有限元分析软件在机械、电机、土木、电子及航空等不同领域得到了相当广泛的应用，已经成为设计人员不可缺少的工具之一。ANSYS的使用有两个模式，一是交互模式（Interactive Mode），另一是非交互模式（Batch Mode），初学者及大部分使用者都采用交互模式。ANSYS软件用户界面如图3-3所示。图3-3 ANSYS软件用户界面ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由美国ANSYS公司开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer， NASTRAN，Alogor，UG，AutoCAD等，是现代产品开发中的高级计算机辅助工具之一。软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。3.1.2 有限元模型的建立利用ANSYS有限元分析软件的前处理功能建立图3-1和图3-2所示实验件的有限元实体模型，定义材料属性。具体步骤如下： （1）启动ANSYS。以交互模式进入ANSYS，定义工作文件名；（2）创建基本模型；（3）存储ANSYS数据库；（4）设定分析模块；（5）设定单元类型。对于任何分析，必须在单元库中选择一个或几个适合分析的单元类型，单元类型决定了辅加的自由度，许多单元还要设置一些单元选项，诸如单元特性和假设。对于本问题，只需选择SOLID92实体单元并默认单元选项即可；（6）定义材料属性。材料属性是与结构无关的本构属性，例如扬氏模量、密度等，一个分析中可以定义多种材料，每种材料设定一个材料编号。对于本问题，只需定义一种材料；（7）保存ANSYS数据库文件。3.1.3 对有限元模型的网格划分ANSYS程序提供了使用便捷、高质量的对CAD模型进行网格划分的功能。包括四种网格划分方法：延伸划分、映像划分、自由划分和自适应划分。延伸网格划分可将一个二维网格延伸成一个三维网格。映像网格划分允许用户将几何模型分解成简单的几部分，然后选择合适的单元属性和网格控制，生成映像网格。ANSYS程序的自由网格划分器功能是十分强大的，可对复杂模型直接划分，避免了用户对各个部分分别划分然后进行组装时各部分网格不匹配带来的麻烦。自适应网格划分是在生成了具有边界条件的实体模型以后，用户指示程序自动地生成有限元网格，分析、估计网格的离散误差，然后重新定义网格大小，再次分析计算、估计网格的离散误差，直至误差低于用户定义的值或达到用户定义的求解次数。本实验中网格划分主要包括以下四个步骤：（1）确定所要划分网格的单元属性。对于本问题，由于只有一种单元，已经默认；（2）设定网格尺寸控制。ANSYS网格划分中有许多不同的单元尺寸控制方法，如智能网格划分“Smart sizing”、总体尺寸单元、给定关键点附近的单元尺寸控制和网格细化等，本实验采用“Smart sizing”；（2）网格划分以前保存数据库；（2）执行网格划分；划分后网格图如图3-4所示。 图3-4 网格图3.1.4 结构的静力分析静力分析是用于求解静力载荷作用下结构的位移和应力等。静力分析包括线性和非线性分析。而非线性分析涉及塑性，应力刚化，大变形，大应变，超弹性，接触面和蠕变，本实验是线性分析。静力分析计算在固定不变的载荷作用下结构的效应，它不考虑惯性和阻尼的影响，如结构受随时间变化载荷的情况。可是，静力分析可以计算那些固定不变的惯性载荷对结构的影响（如重力和离心力），以及那些可以近似为等价静力作用的随时间变化载荷分析前要对模型施加载荷，本试验施加的载荷为集中载荷，大小、方向和位置与力学测试实验相同。3.1.5 结构的模态分析模态分析是用于计算结构的固有频率和模态。通过计算得出实验件的前两阶固有频率和振型。可以获得悬臂梁振型图，如图3-16所示。3.1.6 结构后处理计算完成后要对分析结果以图片的方式存储打印出来，附在实验报告后面。ANSYS有两个后处理器：通用后处理器和时间历程后处理器。前者只能观看整个模型在莫一时刻的结果，后者可观看模型在不同时间的结果。对于静力分析，后处理的步骤主要包括：（1）绘变形图：绘出结构在静力作用下的变形结果；（2）动画：以动画方式模拟结构在静力作用下的变形过程；（3）支反力列表：在任一方向，支反力总和必等于再此方向的载荷总和；（4）绘应力等值线：应力等值线可清晰描述一种结果在整个模型中的变化，可以快速确定模型中的“危险区域”；（5）应力等值线动画。对于模态分析，得出各阶国有频率下幅值变化的动画四、实验结果1.瞬态激励方法一阶固有频率值： 105.124 Hz表1 一阶固有频率下的相对振幅值节点123456789相对振幅值-0.6460.6610.1760.5940.4790.6000.5250.3050图9 振型草图2.有限元分析法1).模型图2).网格图3).应力图4).应变图5).一阶模态图6).二阶模态图五、理论计算与实验结果分析有限元理论分析所得一阶固有频率与动态测试实验所得结果有较大差异，大约30Hz左右。在有限元分析实验中，为快速建模分析，我们建立的模型结构较实际简化，尺寸较实际值也不精确。因此，差异较大。除此之外，造成误差的原因还有：1. 动态测试实验仪器的误差；2. 有限元分析计算时假设材料是线性的；3. 有限元分析时密度、刚度及泊松比选取不精确。