1、畢業設計說明書彈性膠泥緩沖器打壓裝置設計及有限元分析學生姓名： 學號： 學 院： 專 業： 機械設計制造及其自動化 指導教師： 年 月彈性膠泥緩沖器打壓裝置設計及有限元分析摘要:緩沖器是各種車輛及機械設備重要的零件，是吸收沖擊能，緩和不必要的沖擊的必裝置，緩沖器質量直接影響到車輛的安全和機器的穩定。在本設計中我們首先通過查閱資料等各種途徑對彈性緩沖器的工作原理以及發展現狀進行了熟悉。彈性膠泥緩沖器的的填充是一個十分重要的技術環節，在此基礎上我們對緩沖器的打壓裝置進行了分析研究，通過對緩沖器的壓力分析，計算出打壓機構所需要的各種數據，并根據此來對打壓裝置進行設計計算，設計出合理的打壓裝置。此外，

2、我們要對所設計的打壓裝置進行強度和剛度的分析。因此，我們應用有限元軟件ANSYS對打壓裝置進行了位移，應力，應變分析。并與設計計算的數據進行對比，確保彈性膠泥緩沖器打壓機構的安全性。關鍵字：緩沖器，打壓裝置，有限元，ANSYSSuppression Device Design of Flexibility Clay Buffer and Finite Element AnalysisAbstract: Buffer is an important parts of various vehicles and machinery and equipment , is unnecessary dev

3、ices to absorb impact energy, and alleviate the impact of the buffer directly affects the quality of vehicle safety and machine stability. In this design, we first access to information through various channels such as the working principle of the elastic buffer and the development status of the fam

4、iliar.Flexibility buffer filling clay is a very important technical aspect, on this basis, we suppress the device buffer were analyzed by the pressure of the buffer is calculated to suppress all kinds of data needed for institutions, According to this calculation of the suppression device design, de

5、sign a reasonable suppression devices. In addition, we want to suppress the device designed by the strength and stiffness analysis. Therefore, we apply the finite element software ansys suppression device for the displacement, stress and strain analysis. Design calculations with comparisons of data

6、obtained of flexibility buffer to suppress body clay is safe institutions.Keywords: Buffers, Suppressing Device, Finite Element, ANSYS目錄1 緒論11.1 選題的背景的和意義11.2 緩沖器研究現狀分析11.2.1 膠泥緩沖器國內外研究動態11.2.2 膠泥緩沖器的工作特性研究21.2.3 膠泥材料特性研究21.2.4 膠泥緩沖器的模型31.3 膠泥緩沖器的工作原理51.4 有限元法的基本思想62 緩沖器膠泥裝填機構結構設計82.1 膠泥緩沖器膠泥裝填機構工作原

7、理82.2 缸體壁厚的設計計算82.3 活塞桿的設計92.4 活塞的設計92.5 缸蓋的設計102.5.1 前缸蓋的設計102.5.2 后缸蓋設計102.6 缸體長度103 填充裝置活塞桿的有限元分析123.1建立模型123.1.1設定分析作業名和標題123.2.2定義單元類型133.1.3定義實常數143.1.4定義材料屬性143.1.5建立活塞的三維實體模型163.1.6劃分網格193.2定義邊界條件并求解203.2.1活塞的底部施加位移約束203.2.2活塞的頂部施加載荷213.3進行求解223.4查看結果243.4.1查看變形243.4.2查看應力273.4.3查看應變293.5本章小

8、結314裝填裝置缸體的有限元分析324.1 建立模型324.1.1設定分析作業名和標題334.1.2定義單元類型334.1.3定義實常數344.1.4定義材料屬性344.1.5建立活塞的三維實體模型364.1.6劃分網格404.2定義邊界條件并求解424.2.1活塞的底部施加位移約束424.2.2在缸體的內圓柱面施加載荷434.3 進行求解444.4 查看結果464.4.1查看變形494.4.2查看應力494.3.3查看應變514.5 本章小結535 總結54參考文獻55致謝57 1 緒論1.1 選題的背景的和意義彈性膠泥緩沖器是各種車輛及機械設備中的重要零部件，填充物為彈性膠泥，其主要由聚硅

9、氧烷、填充劑、抗壓劑、增塑劑和著色劑等組成的未交聯共混物8。這種材料的分子螺旋結構決定了其具有很大的可壓縮性、粘稠流動性和高彈性，其它液體不可比擬的可壓縮性和高彈性決定了這種材料用作緩沖器研究的理想優勢。彈性膠泥緩沖器同普通緩沖器性能比較而言2，有如下主要優點：容量大、阻抗力小、體積小、質量輕、檢修周期長(據有關資料報道，波蘭產品可以使用10年,免維護),它兼有液壓和橡膠緩沖器兩者的優點，同時克服了液壓緩沖器制造比較復雜、密封困難和橡膠緩沖器吸收率低等缺點23。因此，世界各國爭相研制了各國需要的系列產品，我國也有這種產品生產。膠泥打壓機是一種填充裝置，他的主要目的是將膠泥通過高壓注射到膠泥緩沖

10、器中，其基本結構缸體、活塞、活塞桿、缸蓋、密封圈等組成。特點是:壓力范圍最廣,效率高。本課題研究的目的是在現階段彈性膠泥緩沖器的大量應用的前提下,對緩沖器的填充問題變得日益重要,為了能夠使緩沖器變得更加的適用于現代社會的需要,本課題主要準對彈性膠泥緩沖器的填充做出研究。1.2 緩沖器研究現狀分析1.2.1 膠泥緩沖器國內外研究動態國外對膠泥及其緩沖器的研究始于20世紀60年代,法國Domange-Jarret公司率先推出了以膠泥為主體材料的緩沖產品，JARRET公司的產品容量（所吸收的沖擊能量）從0.05 kJ到3000 kJ，行程從1 mm到200 mm。并很快在建筑上、鐵路上得到應用，如線

11、路端或維修站的起保護作用的車擋緩沖器、車輛間連接緩沖的車鉤緩沖器等。到80年代初，波蘭華沙工學院試制出新型的膠泥材料，加快了膠泥緩沖器在鐵路車輛上的應用，波蘭的KAMAKC公司利用這種材料技術并開發出系列緩沖器產品應用于鐵路車輛的緩沖。國際鐵路聯盟(UIC)在1981年制定了UIC 5261標準，并在1985年進行了修訂，規范和批準了用于貨車的A、B、C三級膠泥緩沖餅產品，A級容量為30 KJ，B級容量為50 KJ，C級容量為70 KJ，緩沖器的行程為105 mm。國際鐵路聯盟(UIC)1992年7月又通過了行程為130 mm和150 mm的貨車用緩沖餅的生產，并制定了UIC5263標準規范。

12、該系列標準的制定為膠泥緩沖器更廣泛的應用奠定了基礎，推動了緩沖器在其它車輛的上的應用。1.2.2 膠泥緩沖器的工作特性研究波蘭的KAMAKC公司將其膠泥緩沖餅和傳統性緩沖餅裝在重80t的車輛上左沖撞試驗（80t對80t），試驗發現在58 km/h的速度下，傳統性的緩沖餅的行程已到極限，而彈性膠泥緩沖餅大約在15 km/h的速度下才到極限，顯然彈性膠泥緩沖餅對車輛的保護會比傳統性的緩沖餅好。修理廠的資料表明：95的車輛端梁破壞事故發生在裝有傳統性的緩沖餅的車輛上，只有5發生在裝有彈性膠泥緩沖餅的車輛上。并且試驗表明在-40和+50范圍內，彈性膠泥緩沖餅作用可靠。同時還檢驗了彈性膠泥緩沖餅的耐久性

13、，試驗發現緩沖餅的接受容量至少達到容量的80。俄羅斯鐵道部門對KZE-5-C型膠泥緩沖器進行了初步試驗研究。在車輛以不同方式沖撞，車輛上以不同方式配置膠泥緩沖器的情況下，試驗結果表明，無論在平穩性和吸收能量方面，還是在沖擊力和加速度的大量減小方面，彈性膠泥緩沖器均優于摩擦式緩沖器。1991年俄羅斯研制了一種膠泥緩沖器，該緩沖器10-15年免修，總的使用壽命30-32年。試驗時用總重100t的車輛以15 km/h以下的速度沖撞時，車輛和其運送的貨車均能受到保護5。1.2.3 膠泥材料特性研究膠泥緩沖器研究的緩沖介質粘彈性膠泥材料，是一種高粘度、可流動的、未經硫化的有機硅化合物為基體的合成材料，是

14、由聚硅氧烷、填充劑、抗壓劑、增塑劑和著色劑等組成的未交聯共混物。其中，主體材料聚硅氧烷是決定彈性膠泥減震性能的主要因素126。根據減震器對彈性膠泥的性能要求，彈性膠泥主體材料只能選用高聚合度線形聚硅氧烷混煉型硅橡膠和烴基硅油。其中，硅橡膠主要為甲基硅橡膠、甲基乙烯基硅橡膠和甲基苯基乙烯基硅橡膠,烴基硅油主要為二甲基硅油和甲基苯彈性膠泥中添加增塑劑和填充劑的目的一是調節粘度、體積壓縮率和阻尼值，二是降低成本，添加抗壓劑的目的是為在金屬緩沖器表面形成穩定的保護膜，以減輕彈性膠泥對金屬表面的摩擦磨損2。彈性膠泥的特性1高阻尼性和粘彈性彈性膠泥具有高阻尼和粘彈性的原因是硅橡膠和烴基硅油分子的結構單元含

15、有較多對稱的側甲基，且硅橡膠和烴基硅油分子的聚合度較大時，其粘彈性和阻尼效應較顯著。同時，硅橡膠和烴基硅油分子的側基數目較多、結構對稱性好，分子鏈和鏈段運動的內摩擦阻力較大，彈性膠泥的阻尼效應較顯著，減震性能較好。2體積壓縮性彈性膠泥具有體積壓縮性的原因是硅橡膠和烴基硅油的分子鏈呈螺旋狀結構，受外力作用時分子鏈的側基(甲基)會向外排列并繞硅-氧鍵旋轉，從而引起材料體積變小。彈性膠泥的體積壓縮率隨著硅橡膠和烴基硅油的相對分子質量提高而減小，而且還與側基的品種和數量有關。一般情況下,壓力達到500 MPa時，彈性膠泥的體積壓縮率會超過17%。外力去除后,彈性膠泥會自行膨脹至體積復原。3流動性彈性膠

16、泥具有流動性的原因是硅橡膠和烴基硅油分子主鏈的硅-氧鍵易內旋轉，分子鏈柔順性好，內聚能密度和分子間作用力小，分子易滑移。彈性膠泥的流動粘度應根據減震器的容量(能量)要求調節。彈性膠泥抗剪切流動性(在高壓作用下流經窄縫時粘度變化很小，流過窄縫并除去外力后粘度又可恢復)好的原因是烴基硅油和硅橡膠分子的硅-氧鍵鍵能高，分子鏈柔順性好，硅-氧-硅鍵角可變化。4耐高低溫性能彈性膠泥具有優異高溫性能的原因是硅橡膠和烴基硅油的分子主鏈完全是由高鍵能的硅-氧鍵組成，彈性膠泥具有很好的耐低溫性能的原因是硅橡膠和烴基硅油分子主鏈的硅-氧鍵易內旋轉，分子鏈柔順性好，內聚能密度小，側基為非極性基團，分子間作用力小。另

17、外，彈性膠泥的耐老化性和化學穩定性極好。彈性膠泥在-70+250范圍內穩定性極好，使用壽命可達30年17。1.2.4 膠泥緩沖器的模型法國的DangeJarret公司為法國先進的高速列車代TGV開發兩種型號的膠泥緩沖器，型號分別是BC20S60B和L7AM3，其容量分別達到了62.5KJ和58 KJ。德國的ICE高速列車也使用了膠泥緩沖器，其容量不小于20 KJ。在俄羅斯，全俄鐵道科學院牽頭進行了膠泥緩沖器的應用研究，并于20世紀90年代初開發了應用于100 t貨車的膠泥緩沖器，其容量達到60 KJ，阻抗達2000 kN，能滿足車輛15 km/h的調車連掛速度。全俄鐵道科學研究院與波蘭KAMA

18、KC公司合作開發了用于罐車的73ZW型膠泥緩沖器，容量達到70 KJ，行程90 mm。膠泥緩沖器在美國、日本、南非、澳大利亞等國鐵路部門也進行了應用研究。膠泥緩沖器以其容量大、阻抗低、結構輕巧、檢修周期長以及其特殊的特性曲線特點在鐵路車輛上得到重視和推廣應用，目前在歐洲鐵路使用的膠泥緩沖器產品在50萬套以上，檢修周期一般在10年以上5。歐洲國家的膠泥緩沖器生產技術已相當成熟,且膠泥緩沖器已在航空、橋梁、鐵路機車車輛、軍事和工程機械等領域廣泛應用。我國最早在上個世紀80年代進口的軍艦上發現膠泥緩沖器，用來緩和艦炮的沖擊，后來在進口汽車上也發現這種膠泥緩沖器。1988年機電部上海材料研究所受機電部

19、一重廠委托承擔了膠泥緩沖器這種新技術產品的消化吸收，并開發出了型號521、522、307等幾個型號的緩沖器產品，其中最大的容量已達到20 KJ，阻抗力僅670 KN，行程僅45 mm。后來該單位還陸續研制了用于雷達和坦克的膠泥緩沖器，取得了較好的應用效果45。在冶金行業目前批量使用著膠泥的緩沖器和緩沖餅產品，北京的冶金自動化研究院批量的生產用于冶金機械的各類緩沖產品，在膠泥緩沖器技術上有一定的積累。鐵道部從上個世紀的80年代末開始關注該項技術，并對該技術研究提供了專項技術資金資助，1989年鐵道部科技司以資助性開發課題形式下達任務，由原鐵道部四方車輛研究所承擔客車膠泥緩沖器研制。到1994年1

20、0月，四方所開始與波蘭的KAMAKC公司以及波蘭的華沙鐵道科學院進行膠泥緩沖器方面的技術交流，上世紀90年代末四方所與KAMAKC公司加強了技術合作并成立合資公司，專門開發鐵路用車鉤緩沖器，推出了幾個型號產品進行試驗和試用，目前仍在裝車試用和效果考核中，由于核心技術仍然由外方掌握，并未進行轉讓，所以致使膠泥產品的研制開發的進展較慢8。 膠泥緩沖器是將具有粘彈性、流動性和體積可壓縮性的膠泥置于密閉容器中，用一定的機械結構來實現其減震、平衡、緩沖功能。緩沖器采用不同的結構和材料，可以滿足不同的工作需要。既可以設計成粘彈型的緩沖器，也可以設計成粘滯型的緩沖器，還可以設計成彈性緩沖器。膠泥緩沖器工作原

21、理是：將彈性膠泥材料裝進一個能夠承受一定壓力的緩沖器活塞缸體內，根據實際應用的需要增加一定的預壓縮力，當彈性膠泥緩沖器活塞柱受到一定的壓力(靜壓力或沖擊力)時，活塞利用活塞缸內節流孔或節流間隙以及彈性膠泥材料本身體積被壓縮后反作用力產生一定的阻抗力。當彈性膠泥材料受到的預壓縮力越大和活塞的運動速度越快，則產生的阻抗力也越大，這有利于提高緩沖器在大沖擊下的容量。當緩沖器的活塞被壓縮后，緩沖器體內的彈性膠泥處于壓縮狀態，當作用在活塞柱上外力撤消后，彈性膠泥的體積則會自行產生膨脹，將活塞推回到原始位置，在這個過程中彈性膠泥材料以較慢的速度通過節流孔或節流間隙流回原位，這樣就實現了緩沖器的回程運作。

22、圖1-3單出桿式膠泥緩沖器 圖1-4雙出桿式膠泥緩沖器根據不同配方配制的膠泥，所具有的黏性、彈性、蠕變與松弛等特性均不同。由于膠泥材料的多變性，以及膠泥緩沖器結構的多樣性(通常是單出桿和雙出桿兩種，見圖1-3和圖1-4)，膠泥緩沖器的工作特性就不同。單出桿式的膠泥緩沖器大多是粘彈型緩沖器，雙出桿式緩沖器多是粘滯性的緩沖器。1.3 膠泥緩沖器的工作原理膠泥緩沖器主要由活塞和活塞桿、缸蓋、缸體、充料閥等組成，將彈性膠泥裝入密閉容器中，根據需要使之產生一定的預壓力。其工作過程分為壓縮階段和恢復原階段：當活塞柱受到的外壓力小于預壓力時，活塞柱靜止不動；當外壓力大于預壓力時，活塞柱向容器內移動，部份活塞

23、柱進入容器內，此時彈性膠泥被壓縮，體積縮小，并對活塞柱產生一定反作用力，直至與外壓力相等，在這一過程中由于活塞的環形間隙(或節流孔)的節流作用和彈性膠泥材料的壓縮變形吸收沖擊能量，摩擦部分將沖擊能量的部份以摩擦熱和彈性體組成阻尼耗能的形式消耗掉，彈性膠泥接收部分外力動能并轉化為膠泥的彈性勢能；剩余部份則轉化為彈性體組成的彈性勢能；由于膠泥材料的特性，當彈性膠泥的預壓力和活塞的運動速度越大，阻抗也就越大，這有利于提高緩沖器在大沖擊下的容量，即沖擊越大，緩沖器的容量就越大；沖擊小，緩沖器的容量就越小。在恢復階段中，彈性體組成將所吸收的能量釋放出來，其中一部分又以摩擦熱和彈性體組成阻尼耗能的形式散失

24、掉，當外力減小或撤消后，彈性膠泥自行體積膨脹，將活塞推回原位。在這個過程中彈性膠泥材料以較慢的速度通過活塞的環形間隙(或節流孔)流回原位，實現緩沖器的回程動作。緩沖器性能是否優良，主要看性能參數是否與車輛的使用要求相匹配，能否最大限度地降低車輛垂直方向上的加速度和動行程1。1.4 有限元法的基本思想 有限元法是把要分析的連續體假想地分割成有限個單元所組成的組合體，簡稱離散化。這些單元僅在頂角處相互聯接，稱這些聯接點為結點。離散化的組合體與真實彈性體的區別在于：組合體中單元與單元之間的聯接除了結點之外再無任何關聯。但是這種聯接要滿足變形協調條件，即不能出現裂縫，也不允許發生重疊。顯然，單元之間只

25、能通過結點來傳遞內力。通過結點來傳遞的內力稱為結點力，作用在結點上的荷載稱為結點荷載。當連續體受到外力作用發生變形時，組成它的各個單元也將發生變形，因而各個結點要產生不同程度的位移，這種位移稱為結點位移。在有限元中，常以結點位移作為基本未知量。并對每個單元根據分塊近似的思想，假設一個簡單的函數近似地表示單元內位移的分布規律，再利用力學理論中的變分原理或其他方法，建立結點力與位移之間的力學特性關系，得到一組以結點位移為未知量的代數方程，從而求解結點的位移分量。然后利用插值函數確定單元集合體上的場函數。顯然，如果單元滿足問題的收斂性要求，那么隨著縮小單元的尺寸，增加求解區域內單元的數目，解的近似程

26、度將不斷改進，近似解最終將收斂于精確解。用有限元法求解問題的計算步驟比較繁多，其中最主要的計算步驟為：1）連續體離散化。首先，應根據連續體的形狀選擇最能完滿地描述連續體形狀的單元。常見的單元有：桿單元，梁單元，三角形單元，矩形單元，四邊形單元，曲邊四邊形單元，四面體單元，六面體單元以及曲面六面體單元等等。其次，進行單元劃分，單元劃分完畢后，要將全部單元和結點按一定順序編號，每個單元所受的荷載均按靜力等效原理移植到結點上，并在位移受約束的結點上根據實際情況設置約束條件。2）單元分析。所謂單元分析，就是建立各個單元的結點位移和結點力之間的關系式。現以三角形單元為例說明單元分析的過程。 3）整體分析

27、。整體分析是對各個單元組成的整體進行分析。它的目的是要建立起一個線性方程組，來揭示結點外荷載與結點位移的關系，從而用來求解結點位移。 用有限元法不僅可以求結構體的位移和應力，還可以對結構體進行穩定性分析和動力分析。另一方面，在處理大型結構分析中（如飛機、橋梁等），普遍采用子結構法、p型或h型有限元模型以及邊界元法，從而提高了計算速度，降低了計算工作量。2 彈性膠泥緩沖器的填充裝置的結構設計2.1 膠泥緩沖器膠泥裝填機構工作原理膠泥緩沖器膠泥裝填機構工作原理：將彈性膠泥裝入膠泥裝填機構中，給裝填機構一個外力的作用，當裝填機構中的壓強超過膠泥緩沖器中的壓強時，彈性膠泥壓入膠泥緩沖器中。2.2 缸體

28、壁厚的設計計算緩沖器的容積為197立方厘米，所以先設計缸筒有效高度為116，這樣它的容積為275立方厘米，當壓力為15Mpa時其壓縮率是小于10%的。就是按10%算2750.9=247.5立方厘米，它滿足容積要求。膠泥裝填機構的缸體在工作時需承受較大的壓力，這就要求缸體壁厚需滿足一定的條件，已知機器所給最大壓力為4噸，能施加的最大壓力：內徑為55mm承受壓強： 得出最大壓強為16.8Mpa。取安全系數為 ； Pmax=16.8Mpa，Rn=27.5mm，缸體材料：45鋼，經過調制處理，主要目的增加材料硬度和強度等機械性能，許用應力=370/1.25=296Mpa，調質45鋼的屈服強度為370M

29、pa。根據第三個強度理論，材料的屈服極限以及設計壓強計算出的缸體外徑為（加厚主要考慮加工和誤差影響）： 采用第三強度理論（最大剪應力手則）推導出的外徑計算公式為： （t為厚度）， ，按第三強度理論 可得 t=1.61mm，在這里我們取12.5mm遠遠高于許用值。按第四強度理論 所以壁厚一定滿足要求。2.3 活塞桿的設計活塞桿的工作環境需承受較大的軸向力，需考慮活塞桿的強度和剛度要求，因此，選取活塞桿的材料為硬度高、耐腐蝕、耐高溫、耐磨性好的40。查材料手冊得40的屈服極限為785，安全系數為。活塞桿所受的軸向應力： 由于受軸向應力，則活塞桿的強度條件為： 式中：活塞桿的直徑 軸向工作載荷 活塞

30、桿的許用應力： 活塞桿的強度需滿足的條件為： 即 則桿的直徑應該滿足： 所以選定活塞桿的直徑為20mm。2.4 活塞的設計在膠泥裝填機構中，要考慮到缸體的密封問題，膠泥裝填機構對密封性要求較高，因此在考慮活塞強度要求的同時，最重要的是要有完好的密封性，優先考慮密封件的選擇，通過查詢機械設計手冊液壓活塞動密封溝槽各個尺寸，最后確定活塞尺寸，。 圖2-1 1-密封塊 2-螺母 3-壓環 4-中擋板 5-O型圈 6-后擋板2.5 缸蓋的設計 2.5.1 前缸蓋的設計膠泥裝填機構前缸蓋的選擇需要考慮裝配問題，活塞桿和缸蓋的密封問題，為了減少結構體積，前缸蓋的缸體之間采用螺紋聯接，螺紋聯接選用螺紋尺寸為

31、，嚙合尺寸為10mm。 2.5.2 后缸蓋設計后缸蓋和缸體的連接用螺栓聯接，螺栓的規格為，采用四個螺栓。2.6 缸體長度確定缸體的長度為126mm。圖2-2 打壓裝置的裝配圖3 填充裝置活塞桿的有限元分析 3.1 建立模型 3.1.1設定分析作業名和標題 1)從實體菜單中選擇Utility Menu: FileChange Jobname命令,將打開Change Jobname(修改文件名)對話框，如圖3-1所示。 圖 3-1 修改文件名對話框 2）在Enter new jobname（輸入新的文件名）文本框中輸入文字“畢業設計活塞有限元分析”作為數據庫文件名。3）單擊OK按鈕，完成文件名的修

32、改。4）從實用菜單中選擇Utility Menu：FileChange Title命令，將打開Change Title（修改標題）對話框，如圖3-2所示。 圖3-2 修改標題對話框5）在Enter new title（輸入新標題）文本框中輸入文字“static anylysis of an piston”，作為標題名。6）單擊OK按鈕，完成對標題名的指定。7）從實用菜單中選擇PlotRelot命令，指定的標題“活塞靜力分析”將顯示在圖形窗口的左下角。8）從主菜單中選擇Preference命令，將打開Preference of GUI Filtering（菜單過濾參數選擇）對話框，選中Struc

33、tural復選框，單擊OK按鈕確定。 圖3-3 選擇分析模型3.1.2定義單元類型1）從主菜單中選擇Main Menu: PreferenceElement TypeAdd/Edit/Delete命令，將打開Element Type（單元類型）對話框。2）單擊ADD按鈕，將打開Library of Element Type（單元類型庫），如圖3-3所示。 圖3-4 單元類型庫對話框3）選擇Solid選項，選擇實體單元類型。4）在列表中選擇Tet 10Node 92選項，選擇十字節點四面體實體結構單元Tet 10Node 92.5）單擊OK按鈕，將Tet 10Node 92 單元添加，并關閉單元

34、類型對話框，同時返回到第1）步打開的單元類型對話框，如圖3-5所示。 3-5關閉單元類型對話框6）該單元不需要進行單元選項設置，單擊Close按鈕，關閉單元類型對話框，結束單元類型的添加架。3.1.3定義實常數本設計中選用十節點四面體實體結構單元Tet 10Node 92 單元，不需要設置實常數。3.1.4定義材料屬性考慮慣性力的靜力分析中必須定義材料的彈性模量和密度。具體步驟如下：1）從主菜單中選擇Main Menu：PreprocessorMaterial PropsMateria Model命令，將打開Define Material Model Behavior（定義材料模型屬性）窗口，

35、如圖3-6所示。 圖3-6 線性各向同性材料的彈性模量和泊松比2）依次單擊StructuralLinearElasticIsotropic，展開材料屬性的樹形結構。將打開1號材料的彈性模量EX和泊松比PRXY的定義對話框，如圖3-7所示。圖3-7定義材料模型屬性窗口3）在對話框的EX文本框中輸入彈性模量2.2e11，在PRXY文本框中輸入泊松比0.3.4)單擊StructuralDensity,打開定義材料密度對話框,如圖3-8所示。 圖3-8 定義材料密度對話框5）單擊OK按鈕,關閉對話框，并返回到定義材料模型屬性窗口，在此窗口的左邊一欄出現剛剛定義的參考號為1的材料屬性。6）在Define

36、 Material Model Behavior窗口中，從菜單選擇MaterialExit命令，或者單擊右上角X按鈕，退出定義材料模型屬性窗口，完成對材料模型屬性的定義。3.1.5建立活塞的三維實體模型1）創建圓柱體從主菜單中選擇Main Menu: PreprocessorModelingCreateVolumesCylinderSolid Cylinder。在打開的創建圓柱體對話框中，WP X輸入0，WP Y輸入0，Radius輸入10，Depth輸入128，點擊Apply。 圖3-9創建圓柱體接著在輸入0,WP Y輸入0,Radius中輸入27.5，Depth中輸入33，點擊Apply。

37、圖3-10創建另一個圓柱體接著在輸入0,WP Y輸入0,Radius中輸入13，Depth中輸入42，點擊OK按鈕。 圖3-11創建圓柱體生成結果如下圖所示。圖3-12形成圓柱體2）進行布爾運算。從主菜單中選擇Main Menu：ProprecessorModelingAddVolumes。彈出實體加的對話框。點擊Pick All按鈕。 圖3-13布爾運算拾取框得到如下圖所示。 圖3-14生成模型3.1.6劃分網格 本模型采用Tet 10Node 92單元對三維實體劃分自由網格。1）從主菜單中選擇Main Menu：ProprecessorMeshingMesh Tool命令，打開Mesh T

38、ool（網格工具），如圖3-7所示。2）單擊Global域中的Set按鈕，彈出Global Element Sizes對話框，在SIZE Element edge lenth文本框中輸入5，單擊OK按鈕.如下圖所示。 圖3-15網格劃分圖框 在對話框中選擇Volumes，單擊Mesh，打開體選擇對話框，要求選擇要劃分數的體。單擊Pick All按鈕，得到如圖所示。 3-16網格劃分結果3.2 定義邊界條件并求解3.2.1活塞的底部施加位移約束從主菜單中選擇Main Menu：SolutionDefine LoadsApplyStructuralDisplacementOn Areas。拾取活塞

39、的大端面，單擊OK，如圖所示。 3-17拾取低面對話框3）選擇UZ作為約束自由度,單擊OK按鈕,如下圖所示. 圖3-18施加Z方向位移3.2.2活塞的頂部施加載荷1)從主菜單中選擇Main Menu：SolutionDefine LoadsApplyStructuralPressureOn Areas。2)選擇活塞的頂部平面,單擊OK,如圖所示. 圖3-19拾取活塞頂面對話框然后打開Apply PRES on reas對話框,在Load PERS value 文本框中輸入127e6,單擊OK,如圖所示.圖3-20定義壓力的大小4）加載荷后如圖所示。 圖3-21加載后的圖形3.3 進行求解1)從

40、主菜單中選擇Main Menu：SolutionSovleCurrent LS命令,打開一個確認對話框和狀態列表,如圖所示,要求查看列出的求解選項.2)查看列表中的信息確認無誤之后，單擊OK按鈕，開始求解。求解過程中會有進度的顯示，如圖所示。 圖3-22求解當前載荷步確認對話框3）求解過程中會出現如圖所示的求解進度的提示框。 圖3-23進度顯示4）求解完成后打開如圖3-所示的提示求解結束對話框。單擊Close按鈕，關閉提示求解結束對話框。 圖3-24求解完成結果如圖所示. 圖3-25求解后的圖形3.4 查看結果3.4.1查看變形1)從主菜單中選擇Main Menu：General Postpr

41、ocPlot ResultContour PlotNodal Solu命令，打開Contour Nodal Solution Data（等值線顯示節點解數據）對話框，如圖所示。 圖3-26等值線顯示節點解數據對話框2）在Item to be contoured （等值線顯示結果項）域中選擇DOF solution（自由度解）選項。3）在列表框中選擇X-Component of displacement （X向位移）選項。4）選擇Deformed shape with undeformed edge（變形后和未變形輪廓線）單選按鈕。5）單擊OK按鈕，在圖形窗口中顯示出變形圖，包括變形前的輪廓線，

42、如圖所示，圖中下方的色譜表明不同的顏色對應的數值（帶符號）。 圖3-27 X方向的位移6）用同樣的方法查看Y方向的位移，如圖所示。 圖3-28 Y方向的位移7）用同樣的方法查看Z方向的位移，如圖所示。 圖3-29 Z方向的位移8）用同樣的方法查看總的位移，如圖所示。 圖3-30 總的位移3.4.2查看應力1）從主菜單中選擇Main Menu：General PostprocPlot ResultContour PlotNodal Solu命令，打開Contour Nodal Solution Data（等值線顯示節點解數據）對話框，如圖所示。 圖3-31等值線顯示應力數據對話框2）在Item

43、to be contoured （等值線顯示結果項）域中選擇Stress（應力）選項。3）在列表中選擇X-Component of stress （X方向應力）選項。4）選擇性Deformed shape only （僅顯示變形后的模型）單元選擇按鈕。5）單擊OK按鈕，圖形窗口中顯示出X方向（徑向）應力分布圖，如圖所示。圖3-31 X方向的位移6）用同樣的方法查看Y方向上的應力，如圖所示。 圖3-32 Y方向的應力7）用同樣的方法查看Z方向上的應力，如圖所示。 圖3-33 Z方向的應力3.4.3查看應變1）從主菜單中選擇Main Menu：General PostprocPlot Result

44、 Contour PlotNodal Solu命令，打開Contour Nodal Solution Data（等 值線顯示應變解數據）對話框，如圖所示。 圖3-34 等值線顯示應變解數據2）在Item to be contoured （等值線顯示結果項）域中選擇Total Strain（總應變）選項。3）在列表中選擇X-Component of total strain （X方向總應變）選項。4）選擇Deformed shape with undeformed edge（變形后和未變形輪廓線）單選按鈕。5）單擊OK按鈕，圖形窗口中顯示出X方向總應變分布圖，如圖所示。 圖3-35 X方向應變6

45、）用同樣的方法查看Y方向上的總應變，如圖所示。 圖3-36 Y方向應變7）用同樣的方法查看Z方向上的總應變，如圖所示。 圖3-37 Z方向應變4.5 本章小結 通過有限元軟件ansys對填充裝置活塞桿進行分析了強度和剛度的分析，在分析的過程中對有限元的分析思想和算法有了更加深刻理解，對軟件的運用也有了更深一步的認識。對活塞桿零件的分析，其應力應變都與計算的結果相近，說明所分析的結果是正確的。4 裝填裝置缸體的有限元分析4.1 建立模型 4.1.1設定分析作業名和標題1)從實體菜單中選擇Utility Menu: FileChange Jobname命令,將打開Change Jobname(修改

46、文件名)對話框，如圖3-所示。 圖 4-1 修改文件名對話框2）在Enter new jobname（輸入新的文件名）文本框中輸入文字“畢業設計缸體有限元分析”作為數據庫文件名。3）單擊OK按鈕，完成文件名的修改。4）從實用菜單中選擇Utility Menu：FileChange Title命令，將打開Change Title（修改標題）對話框，如圖3-所示。圖4-2 修改標題對話框5）在Enter new title（輸入新標題）文本框中輸入文字“static anylysis of an cylinder”，作為標題名。6）單擊OK按鈕，完成對標題名的指定。7）從實用菜單中選擇PlotRelot命令，指定的標題“static anylysis of an c