有限元课程设计

湖北理工学院课程设计
题目有限元分析课程设计
教学院机电工程学院
专业机械设计制造及其自动化
班级本机制3班
姓名雷奇红
指导教师陶晶周华祥
2013 年11 月22 日
目录
一、设计任务书 (3)
二、前言 (7)
三、创建3D有限元模型 (8)
四、加载、求解、结果后处理 (8)
五、高级建模技术 (13)
六、分析结果评价 (13)
七、设计小结 (14)
八、参考资料 (15)
一、课程设计任务书
一、课程设计目的
课程目的和任务旨在使学生了解有限元分析的基本方法，通过使用计算机计算工程力学中的若干问题，进一步加深工程力学课程中的基本概念和基本理论，培养学生解决一些简单的工程实际问题的能力，为学生在今后的机械课程设计和毕业设计中对机械构件进行力学分析打下扎实的基础。

二、课程设计内容
1．ANSYS有限元分析软件简介、功能概览和分析案例；
2．ANSYS图形用户界面及基本操作方法；
3．创建3D有限元模型
4．加载、求解、结果后处理
5．高级建模技术
6．分析结果评价
考虑的是当活塞处于上顶点时，活塞顶部所受的压力P为3MPa,活塞销孔与活塞销作用起支撑作用。

附：
设计计算说明书内容
0、封面（题目、班级、姓名、学号、指导老师、时间）
1、目录（标题、页次）
2、设计任务书（装订原发的设计任务书）
3、前言（题目分析、设计方案的拟订等）
4、创建3D有限元模型
5、加载、求解、结果后处理
6、高级建模技术
7、分析结果评价
8、设计小结（设计体会、本次设计的优缺点及改进意见等）
9、参考资料（资料的编号[ ]，作者，书名，出版单位和出版年、月）
三、进度安排
第11周周一学习ANSYS图形用户界面和分析的基本步骤；
周二创建有限元模型；
周三加载_求解_后处理；
周四使用多媒体课件，理论教学与上机练习；
周五上机练习分析，设计计算，及辅导；
第12周周一教师布置题目和内容；
周二学生查阅收集相关资料进行计算；
周三结果分析汇总；
周四编写课程设计说明书；课程设计总结；
周五答辩
四、基本要求
1. 了解有限元分析的基本原理和方法；
2. 熟悉有限元分析软件（ANSYS）的图形用户界面和菜单；
3. 能熟练创建二维和三维有限元分析模型；
4. 会使用指定的单元对有限元分析模型进行网格划分，也能对一些简单的有限元分析模型选择合适的单元进行网格划分；
5. 能熟练使用工程力学的知识来确定模型的约束条件和受力的类型；
6. 会使用有限元分析软件对有限元分析模型进行计算；
7. 能熟练掌握有限元分析后处理过程，并对计算结果作出正确的评价；
8. 掌握使用有限元分析方法对机械构件进行优化设计的过程；
车辆与交通教研室
2013-11-7
二、前言
1 活塞具备的基本条件：
活塞是发动机的重要部件之一，与连杆构成发动机的心脏，活塞通过运动将燃气压力传递给连杆再至曲轴输出，工作时受力非常复杂。

随着发动机向高速度、低能耗方向发展，采用优异的活塞材料尤为重要。

目前车用发动机活塞材料以铝合金为主，其他还有铸铁、铸钢、陶瓷材料等。

铝合金的突出优点是密度小，可降低活塞质量及往复运动惯性，因此铝合金活塞常用于中、小缸径的中、高速发动机上。

与铸铁活塞相比，铝合金活塞导热性好，工作表面温度低，顶部的积碳也较少。

活塞由活塞顶、头部、群部构成。

活塞顶的形状分为平顶、凸顶、凹顶。

平顶活塞结构简单、制造容易、受热面积小、应力分布较均匀、多用在汽油机上；凸顶活塞顶部突起成球状、顶部强度高、起导向作用、有利于改善换气过程。

凹顶活塞可改变可燃混合气的形成和燃烧，还可以调节压缩比。

活塞工作时温度很高，顶部可达600 ~700K，且温度分布很不均匀；活塞顶部承受的气体压力很大，特别是作功行程压力最大，柴油机活塞顶燃烧最高压力5～9Mpa，这就使活塞产生冲击和侧压力的作用；根据活塞实际最大爆发压力工况添加边界条件，选用压力为5MPa
便于做有限元分析，此方案采用圆顶活塞，用于发动机。

2 活塞的尺寸：
a=φ31 b=φ8 c=8 d=25 e=12 P=3 Mpa
三、创建3D有限元模型
在proe中建立3D模型，模型如下：
图1
并保存副本，格式为IGES。

注意副本不要保存在桌面上。

四、加载、求解、结果后处理
4.1 单元类型设置
（1）Main Menu→Preprocessor→Element Type→Add/Edit/Delete→Add→Solid→te 10node92
（2） Main Menu→Preprocessor→Meshing→Size Cntrls→Manualsize→Global→size
在弹出的Global Element sizes的对话框中的SIZE Element edge length的选项中输入3，并点击OK.
4.2 材料属性
活塞材料及其属性：铝合金，弹性模量为71GMP，泊松比为0.28，密度为2.7E-6Kg/mm3
Main Menu→Preprocessor→ Meterial Props→Material Models→Density DENS=2.7E-6
Main Menu→Preprocessor→ Meterial Props→Material Models→structure→linear→elastic→isotropic EX=7.1E4 PRXY=0.28
4.3 划分网格
Main Menu→Preprocessor→Meshing→Meshtool,打开Meshtool对话框，勾选Smart Size，设定为4，点击“Mesh”按钮，选择活塞模型进行自由网格划分，如图：
图2
4.4 定义求解类型
Main Menu→Solution→Analysis Type→New Analysis，设定分析类型为SteadyState
4.5 施加载荷
（1）施加两孔的约束：
Main Menu→Solution→Define Loads→Apply→structure→displacement→On Areas。

（2）施加面载荷：
Main Menu→Solution→Define Loads→Apply→structure→pressure→On Areas。

输入各项数据后，得到如下图所示的模型，如图：
图3
4.6 求解
Main Menu→Solution → Solve → Current LS，求解完成后，进行后处理
4.7 结果后处理
4.7.1 变形
（1）y方向的变形：
图4 （2）总的变形：
图5
4.7.2 应力
（1）y方向的应力：
图6 （2）总的应力：
图7
五、高级建模技术
建模是三维制作的开端，学习3DSMax，建模就是你首先要掌握的。

3DSMax建模可以分为初级建模与高级建模，但高级建模的方法相对复杂，所以很多人都找不到学习的门径。

NURBS建模是高级建模的一种，它的非均匀性是建模的一个难度。

NURBS建模简步：
1、建立模型轮廓，由面片物体转化或直接由NURBS曲线轮廓围成曲面；
2、进入变动（Modify）命令面板在次级物体层级勾画出模型细部；
3、在形成模型大样后，再进一步制作之前要把外形调整准确，否则会带来很多麻烦；
4、如果模型上有很多凹面，那么我们就可以通过选择Face，隐藏其它物体。

然后在Curve层级选择曲线利用FlipTrim命令进行翻转剪切；
5、模型完成后就可以再进行一些耐心的修饰，并加入材质，最后进行渲染就可以
了。

六、分析结果评价
本次设计的活塞用的是，查表得它的屈服极限为135Mpa。

本实验中活塞受到的最大的应力为31.548Mpa,最大的应变为0.005165mm,而且活塞变形量也非常小，在允许的范围内；所以该活塞是安全的。

我们可以减少活塞的壁厚和选用抗拉强度低些的便宜的材料制作活塞，以达到节约成本和材料的目地。

七、设计小结
两周的课程设计结束了，通过这次课程设计，我对ansys软件有了更加深刻的认识。

以前只是学习相关理论方面的知识，在学习的过程中，认识到ansys建模有点不熟练，而且这个软件全英文界面，也给我们增加了学习难度。

还好有老师的细心指导 , 我们的学习效率提高了很多 .在做课程设计的过程中, 大家都有很高的积极性, 与同学分工协作，和同学们相互探讨，相互学习，共同摸索。

学会了合作，学会了宽容，学会了理解，也懂得了什么是团队精神。

本次实习使我更熟练地掌握了ansys软件，对于设计过程中的预处理，建模，网格划分，加载，计算，等步骤有了更深层次的了解。

在本次实践过程中，我不仅更加了解了软件的使用，对零件设计的知识有了更深的理解，而且还培养了自己的动手能力、对事物的观察能力以及细心程度。

实习，不仅仅是为了完成教学计划，更重要的是，它给我们踏入社会奠定了基础，让我们对以后的工作有一定的了解，使我们在未来能走的更高更远。

这次实习很感谢陶晶老师和周华祥老师对我们认真仔细的讲解，对我们很多不懂的地方讲解的很透彻，使我们能更好的掌握这些基本的知识。

通过实践和书本上的知识联系起来，为我们下一步的学习打下了坚实的基础。

我想这对我以后的学习和工作都将会有很大的帮助。

尽管实习很短暂，但是我们都有所收获，再次感谢老师细心的指导，为了明天我会更加努力的奋斗！
八、参考资料
【1】张洪信、管殿柱主编，《有限元基础理论与ANSYS11.0应用》，机械工业出版社，2009.10.
【2】邓凡平主编，《ANSYS10.0有限元分析自学手册》，人民邮电出版社，2007.1. 【3】刘涛、杨凤鹏主编，《精通ANSYS》，清华大学出版社，2004.
【4】朱伯芳主编，《有限单元法》，中国水利水电出版社，1998.。