基于ANSYS软件对棒球棒的疲劳的有限元分析报告

基于ANSYS软件对棒球棒的疲劳的有限元分析报告
一、概述
本次大作业主要利用ANSYS软件对棒球棒的疲劳进行分析,计算出棒球棒的最大寿命。

然后与实际情况进行比较,证明分析的正确性,从而为棒球棒的优化分析提供了充分的理论依据，并且通过对ANSYS软件的实际操作深刻体会有限元分析方法的基本思想，对有限元分析方法的实际应用有一个大致的认识。

二、问题分析
如下图所示为某棒球棒三维模型，自定义尺寸建立几何模型，材料为铝合金，假设每打一次球，等效在棒球棒端部施加1000N载荷，试分析棒球棒的寿命。

图1 棒球棒
三、有限元建模
寿命分析之前需要进行强度分析，在Windows“开始”菜单中执行ANSYS—Workbench 命令。

创建项目A，进行静力学分析，双击左侧的static structure即可
图 2 强度分析项目
如图 3所示，采用材料默认的结构铝合金即可，材料的杨氏模量为7.1e10Pa，泊松比为0.33，密度2770kg/m3，端部黑色部分为护套，采用橡胶材料。

图 3 材料定义
双击Geometry进入几何模型建立模块，进行几何建模。

棒球棒为圆周对称模型，所以需要建立截面进行旋转，截面草绘如下：
旋转后几何模型如下所示：
再在端面建立厚度为2mm的橡胶环，同样通过旋转方式建立，如下所示：
进入Workbench进行材料设置，其中螺栓和棒球棒分别设置材料为结构钢。

进行网格划分，设置网格尺寸为2mm，最终有限元网格模型如下图所示：
图7 网格设置
图8 网格模型
模拟实际情况，橡胶外表面固定，棒球棒右端施加1000N载荷，如下图所示
图9 载荷约束
四、有限元计算结果
（1）位移变化，如图12所示，结果最大变形为6.5mm，
图12 位移云图
（2）等效应力计算结果，如图3所示，最大等效应力为88.015MPa
图13 等效应力云图
添加Fatigue tool进行疲劳分析，Fatigue设置如下
寿命云图如下所示，应力最大区域，寿命最小，该棒球棒最多可以使用1e5次，此后便会发生裂纹破坏。

五、结果正确性分析
通过计算结果来看，理论结果显示与实际情况基本一致，可以初步认定结果正确，所采用的基本假设和力的施加方式等没有出现问题。

六、改进分析
棒球棒和橡胶采用绑定接触连接，认为棒球棒和橡胶之间无相对滑移，实际情况棒球棒在手握有可能存在滑动，而绑定接触不考虑滑动，所以可以将此处的接触改进为摩擦接触进行改进分析。

七、总结及体会
通过本次大作业，我了解了ANSYS软件的界面和基本功能，初步掌握了使用ANSYS软件求解问题基本步骤；初步掌握了使用ANSYS软件求解各种基本结构类型的静力学问题的方法。

通过使用有限元分析法可以变连续结构为离散结构,取代了传统的理论分析。

通过ANSYS软件可以比较精确地反映结构各位置的受力情况，对于复杂模型很难通过理论计算进行校核所有区域的强度，而有限元可以很好的实现这一情况，可以为实际工程设计提供指导帮助。