机械性能仿真_2018zzyltylpfok
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要求研究局部网格加细变化对接触应力和弯曲 应力分析精度的影响。
齿轮啮合应力图
齿轮啮合应力局部放大图
齿轮啮合位移图
5 电子结构随机振动分析
• 航空航天电子设备环境振动的研究背景 • 磁、热、振
有限元模型： zhengti -motai.db用于校准确认；zhengti -suiji.db 用于随机响应计算
临界转速以及涡动频率计算
• 首先要在tools=>modeling=>rotor dynamics中建立稳态转子
• 其次分析采用复特征值分析，subcase中 参数设置勾选rotor dynamics，指定旋转 属性，选择synchronous计算临界转速， 选择asynchronous计算指定转速下的涡动 频率。
4一对齿轮啮合接触和齿根弯曲 应力分析
大齿轮 Z＝50 m＝4mm
b=30 小齿轮 Z＝25 m＝4mm
b=30
一对齿轮啮合接触和齿根弯曲应力分析
传递扭矩＝ 500 Nm、 1000 Nm、1500 Nm 、 2000 Nm （齿顶圆上的集中力按此扭矩计算）， 按照材料45号钢许用弯曲疲劳强度（190Mpa） 许用接触疲劳强度（550Mpa），安全系数1.5， 判断是否满足强度要求。
上图是用范成法加工出来的渐开线齿轮的一个齿槽的端 面图形，它由五段曲线组成。其主要参数为：刀具齿数 27，圆柱齿轮齿数25，模数4mm，压力角20°，其它为 标准参数。
选择Task Icons中的（曲线函数） 如下图所示。 在打开的对话框中选择 Algebraic Equation 选项，分别输入五 段曲线的函数,并且输入齿轮的齿顶圆，点击Ok返回上一个界 面，然后选中要操作的函数名，点击OK，则在图形窗口中即 可画出函数的图形。
1.2在NASTRAN中建立齿轮的有限元模型
1.3结果分析
最大主应力云图
要求与机械设计经验公式的求解结果比较
1.4思考
使用6面体实体单元的模型
2. 一个悬臂梁的静力分析和计算模 态分析
如图所示，求解在力P作用下的 最大应力，已知条件如下： 作用力P = 1000 N
泊松比 0.3
梁的长度L = 2000 mm 弹性模量E = 2.068 E11 横截面积 A = 30×50 (mm)
在练习之后，数值解将与用弹性梁理论计算的解析解进行对比.
模态分析结果
3.螺栓联接结构模态分析和MAC
螺栓联接框架模型由两块1600×70×3.5mm长钢板，两块 600×70×3.5mm短钢板，四块120×120×6mm的角钢以及16个标 准M10螺栓组合而成，重量为11.13Kg。在长钢板、短钢板以及角 钢上相应的位置加工螺栓孔，并通过螺栓联接成一个矩形框架。
1直齿圆柱齿轮建模和齿根弯曲应 力分析实验
• 模数m=4mm，齿数z=25，齿宽b=30mm • 传递扭矩＝ 500 Nm、 1000 Nm、1500
Nm 、2000 Nm （齿顶圆上的集中力按 此扭矩计算），按照材料45号钢许用弯 曲疲劳强度（190Mpa），安全系数1.5， 判断是否满足强度要求。 • 要求使用2种以上的网格精度（单元数量 ，单元类型不同）
螺栓联接框架 几何尺寸
螺栓联接框架有限元 模型
矩形框架也可以 使用梁单元，或其它单元 螺栓连接结构建模？要求固支和BUSH 单元
整体螺栓联接框架前7阶模态频率及误差
模态 有限 实验值 阶次 元 （Hz）
（Hz）
1 5.58 2 10.12 3 15.31 4 24.65 5 26.87 6 43.11 7 64.43 平均误差
• 参考张保强《磁轴承-转子系统的有限元模型修正及相关问题研究》，
实验报告要求
1. 基本步骤和基本建模模型 2. 载荷处理和其它边界条件 3.与理论解析解的比较，与物理实
验结果的比较。不同网格精度， 不同建模方法的比较。对结果的 总评价。 4.讨论时间（6月1-25）26日 5.完成时间（8月25日前）
各曲线段的方程为： CC Section （参数u范围为1.42815～4.33991） ns=27 n2=ns-2 m=4 k=180/pi apf=20/k apf1=pi/2-apf r2=m*n2/2.0 cc=0.25 rr=cc*m/(1-sin(apf)) cck=tan(apf1) h=m b=-h-rr*tan(apf1)*sin(apf1) x1=u y1=cck*x1+b phai2=(x1+y1*cck)/r2 x=x1*cos(phai2)+y1*sin(phai2)+r2*(sin(phai2)-phai2*cos(phai2)) y=-x1*sin(phai2)+y1*cos(phai2)+r2*(cos(phai2)+phai2*sin(phai2))
zhengti -suiji.db比三维模型两端多了L型角钢，使机箱方便通过压 条紧固在水平振动台上，进行随机试验。其中有两个质量点是模 拟传感器的重量的，如下图：
模拟两个传 感器重量， 不表示参数
印制板参数
铝框架
图5. 13 组件1仿真振型和试验振型对比图
K2tr
组件2连接参数校准前后结果对比
1.使用IDEAS （ProE） 和ANSYS进行直齿圆柱齿轮 建模和弯曲应力分析
本部分将利用I-DEAS绘制渐开线圆柱齿轮，阐 述如何通过函数曲线来建立渐开线圆柱齿轮的 端面，然后挤塑成单个的齿体，通过阵列以及 布尔运算产生圆柱齿轮，然后转入ANSYS中， 求解齿轮的弯曲应力。
1.1 齿轮几何建模
1 2
1.2在ANSYS中对齿轮进行有限元分析
划分网格
定义边界条件
1 2 3
4
定义载荷
有限元分析结果
1B.使用NASTRAN进行直齿圆柱齿轮有限元分析
1.1用proe建立直齿圆柱齿轮几何模型： 模数m=4mm，齿数z=25，齿宽b=30mm
截出其中三个齿作为模型以供分析，效果图如下：
试验频率 模态阶次 值
/Hz
修正前 频率值 /
Hz
修正前 误差 / %
修正后 频率值 /
Hz
修正后 误差 / %
1
200.24 161.48 -19.36 182.02 -9.10
2
320.95 291.42
-9.20
337.92
5.29
3 平均
353.21
311.30
-11.87 13.48
343.99
A1A2 Section （参数u范围为0.349066～1.5708） ns=27 n2=ns-2 m=4 k=180/pi apf=20/k sapf=sin(apf) apf1=pi/2-apf r2=m*n2/2.0 cc=0.25 rr=cc*m/(1-sin(apf)) cck=tan(apf1) h=m b=-h-rr*tan(apf1)*sin(apf1) x1=rr*cos(u) y1=-h+rr*(sapf-sin(u)) phai2=(x1+y1/tan(u))/r2 x=x1*cos(phai2)+y1*sin(phai2)+r2*(sin(phai2)-phai2*cos(phai2)) y=-x1*sin(phai2)+y1*cos(phai2)+r2*(cos(phai2)+phai2*sin(phai2))
-2.61 5.67
N/mm
5e3
3.21e4
N/mm
5e3
8.76e4
导入联接角钢
输入功率谱密度
0.01g^Hz
功
率
+3dB/Oct
谱
密
度
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
-3dB/Oct
g^2/Hz
频率 / Hz
图5. 20 功率谱密度曲线（缩小量级）
H560B-16电动式振动台。
Y 向随机谱激励
测点
当参数值分别为：500Mpa、9e-6t、9e-6t时，计算测点响应； 三个参数分别对应zhengti -suiji.db文件中材料canshu2杨氏模量、 特性p5、p6质量；
仿真响应结果：
其中一次随机试验结果：
6 转子动力学模型分析
• 本试验所用的转子为细长柔性转子，所以在有限元建 模时采用MD Nastran里的BEAM（变截面弯曲梁）单 元。梁杆结构的特点是轴向尺寸远大于截面尺寸，采 用一维模型进行模拟分析就可以达到足够高的精度， 另外可以节约计算时间。MD Nastran里的梁单元能在 两个垂直平面内产生弯曲变形，并能产生轴向位移和 绕轴线的扭转，以及横向剪切。转子模型如图所示：
5.56 9.17 14.97 21.87 26.62 39.86 60.22
模态置 信度 MAC （%）
误差 （%）
3.59 10.35 2.27 12.71 1.35 8.15 6.99 6.03
整体螺栓联接框架模态置信度（MAC）比较
整体螺栓联接框架频响函数误差比较
整体螺栓联接框架频响函数误差比较
转子建模
• 转子结构CAD图为rotor_stru.dwg • Patran建模各轴套信息：patran建模参数.xlsx
• 轴承位置，建模可以在两侧轴套硅钢片中间位 置加bush单元,刚度150N/mm.
• 轴承建立注意RBE单元建在bush与转子 之间。具体参考《2004_nastran_release_guide.pdf》
机械图形处理和性能分析实验
郭勤涛（副教授，博士） 机电学院051系 联系电话：84892905 办公室：6号楼6301 guo_qintao@nuaa.edu.cn
学以致用
实验要求
• 7 个实验题目，按要求选作。 • 详细分析报告
主要内容
1 直齿圆柱齿轮建模和弯曲应力分析 2.使用一个悬臂梁的静力分析和计算模态分析 3. 螺栓联接结构模态分析；（MAC计算，设计 专业必做） 4. 一对齿轮啮合接触分析（4，5，6选一） 5. 电子结构随机振动分析（4，5，6选一） 6. 磁悬浮转子的临界转速和同步转速计算（ 4， 5，6选一） 7.自选题目一个，不限，（可以4，5，6再选 一）。
齿轮啮合应力图
齿轮啮合应力局部放大图
齿轮啮合位移图
5 电子结构随机振动分析
• 航空航天电子设备环境振动的研究背景 • 磁、热、振
有限元模型： zhengti -motai.db用于校准确认；zhengti -suiji.db 用于随机响应计算
临界转速以及涡动频率计算
• 首先要在tools=>modeling=>rotor dynamics中建立稳态转子
• 其次分析采用复特征值分析，subcase中 参数设置勾选rotor dynamics，指定旋转 属性，选择synchronous计算临界转速， 选择asynchronous计算指定转速下的涡动 频率。
4一对齿轮啮合接触和齿根弯曲 应力分析
大齿轮 Z＝50 m＝4mm
b=30 小齿轮 Z＝25 m＝4mm
b=30
一对齿轮啮合接触和齿根弯曲应力分析
传递扭矩＝ 500 Nm、 1000 Nm、1500 Nm 、 2000 Nm （齿顶圆上的集中力按此扭矩计算）， 按照材料45号钢许用弯曲疲劳强度（190Mpa） 许用接触疲劳强度（550Mpa），安全系数1.5， 判断是否满足强度要求。
上图是用范成法加工出来的渐开线齿轮的一个齿槽的端 面图形，它由五段曲线组成。其主要参数为：刀具齿数 27，圆柱齿轮齿数25，模数4mm，压力角20°，其它为 标准参数。
选择Task Icons中的（曲线函数） 如下图所示。 在打开的对话框中选择 Algebraic Equation 选项，分别输入五 段曲线的函数,并且输入齿轮的齿顶圆，点击Ok返回上一个界 面，然后选中要操作的函数名，点击OK，则在图形窗口中即 可画出函数的图形。
1.2在NASTRAN中建立齿轮的有限元模型
1.3结果分析
最大主应力云图
要求与机械设计经验公式的求解结果比较
1.4思考
使用6面体实体单元的模型
2. 一个悬臂梁的静力分析和计算模 态分析
如图所示，求解在力P作用下的 最大应力，已知条件如下： 作用力P = 1000 N
泊松比 0.3
梁的长度L = 2000 mm 弹性模量E = 2.068 E11 横截面积 A = 30×50 (mm)
在练习之后，数值解将与用弹性梁理论计算的解析解进行对比.
模态分析结果
3.螺栓联接结构模态分析和MAC
螺栓联接框架模型由两块1600×70×3.5mm长钢板，两块 600×70×3.5mm短钢板，四块120×120×6mm的角钢以及16个标 准M10螺栓组合而成，重量为11.13Kg。在长钢板、短钢板以及角 钢上相应的位置加工螺栓孔，并通过螺栓联接成一个矩形框架。
1直齿圆柱齿轮建模和齿根弯曲应 力分析实验
• 模数m=4mm，齿数z=25，齿宽b=30mm • 传递扭矩＝ 500 Nm、 1000 Nm、1500
Nm 、2000 Nm （齿顶圆上的集中力按 此扭矩计算），按照材料45号钢许用弯 曲疲劳强度（190Mpa），安全系数1.5， 判断是否满足强度要求。 • 要求使用2种以上的网格精度（单元数量 ，单元类型不同）
螺栓联接框架 几何尺寸
螺栓联接框架有限元 模型
矩形框架也可以 使用梁单元，或其它单元 螺栓连接结构建模？要求固支和BUSH 单元
整体螺栓联接框架前7阶模态频率及误差
模态 有限 实验值 阶次 元 （Hz）
（Hz）
1 5.58 2 10.12 3 15.31 4 24.65 5 26.87 6 43.11 7 64.43 平均误差
• 参考张保强《磁轴承-转子系统的有限元模型修正及相关问题研究》，
实验报告要求
1. 基本步骤和基本建模模型 2. 载荷处理和其它边界条件 3.与理论解析解的比较，与物理实
验结果的比较。不同网格精度， 不同建模方法的比较。对结果的 总评价。 4.讨论时间（6月1-25）26日 5.完成时间（8月25日前）
各曲线段的方程为： CC Section （参数u范围为1.42815～4.33991） ns=27 n2=ns-2 m=4 k=180/pi apf=20/k apf1=pi/2-apf r2=m*n2/2.0 cc=0.25 rr=cc*m/(1-sin(apf)) cck=tan(apf1) h=m b=-h-rr*tan(apf1)*sin(apf1) x1=u y1=cck*x1+b phai2=(x1+y1*cck)/r2 x=x1*cos(phai2)+y1*sin(phai2)+r2*(sin(phai2)-phai2*cos(phai2)) y=-x1*sin(phai2)+y1*cos(phai2)+r2*(cos(phai2)+phai2*sin(phai2))
zhengti -suiji.db比三维模型两端多了L型角钢，使机箱方便通过压 条紧固在水平振动台上，进行随机试验。其中有两个质量点是模 拟传感器的重量的，如下图：
模拟两个传 感器重量， 不表示参数
印制板参数
铝框架
图5. 13 组件1仿真振型和试验振型对比图
K2tr
组件2连接参数校准前后结果对比
1.使用IDEAS （ProE） 和ANSYS进行直齿圆柱齿轮 建模和弯曲应力分析
本部分将利用I-DEAS绘制渐开线圆柱齿轮，阐 述如何通过函数曲线来建立渐开线圆柱齿轮的 端面，然后挤塑成单个的齿体，通过阵列以及 布尔运算产生圆柱齿轮，然后转入ANSYS中， 求解齿轮的弯曲应力。
1.1 齿轮几何建模
1 2
1.2在ANSYS中对齿轮进行有限元分析
划分网格
定义边界条件
1 2 3
4
定义载荷
有限元分析结果
1B.使用NASTRAN进行直齿圆柱齿轮有限元分析
1.1用proe建立直齿圆柱齿轮几何模型： 模数m=4mm，齿数z=25，齿宽b=30mm
截出其中三个齿作为模型以供分析，效果图如下：
试验频率 模态阶次 值
/Hz
修正前 频率值 /
Hz
修正前 误差 / %
修正后 频率值 /
Hz
修正后 误差 / %
1
200.24 161.48 -19.36 182.02 -9.10
2
320.95 291.42
-9.20
337.92
5.29
3 平均
353.21
311.30
-11.87 13.48
343.99
A1A2 Section （参数u范围为0.349066～1.5708） ns=27 n2=ns-2 m=4 k=180/pi apf=20/k sapf=sin(apf) apf1=pi/2-apf r2=m*n2/2.0 cc=0.25 rr=cc*m/(1-sin(apf)) cck=tan(apf1) h=m b=-h-rr*tan(apf1)*sin(apf1) x1=rr*cos(u) y1=-h+rr*(sapf-sin(u)) phai2=(x1+y1/tan(u))/r2 x=x1*cos(phai2)+y1*sin(phai2)+r2*(sin(phai2)-phai2*cos(phai2)) y=-x1*sin(phai2)+y1*cos(phai2)+r2*(cos(phai2)+phai2*sin(phai2))
-2.61 5.67
N/mm
5e3
3.21e4
N/mm
5e3
8.76e4
导入联接角钢
输入功率谱密度
0.01g^Hz
功
率
+3dB/Oct
谱
密
度
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
-3dB/Oct
g^2/Hz
频率 / Hz
图5. 20 功率谱密度曲线（缩小量级）
H560B-16电动式振动台。
Y 向随机谱激励
测点
当参数值分别为：500Mpa、9e-6t、9e-6t时，计算测点响应； 三个参数分别对应zhengti -suiji.db文件中材料canshu2杨氏模量、 特性p5、p6质量；
仿真响应结果：
其中一次随机试验结果：
6 转子动力学模型分析
• 本试验所用的转子为细长柔性转子，所以在有限元建 模时采用MD Nastran里的BEAM（变截面弯曲梁）单 元。梁杆结构的特点是轴向尺寸远大于截面尺寸，采 用一维模型进行模拟分析就可以达到足够高的精度， 另外可以节约计算时间。MD Nastran里的梁单元能在 两个垂直平面内产生弯曲变形，并能产生轴向位移和 绕轴线的扭转，以及横向剪切。转子模型如图所示：
5.56 9.17 14.97 21.87 26.62 39.86 60.22
模态置 信度 MAC （%）
误差 （%）
3.59 10.35 2.27 12.71 1.35 8.15 6.99 6.03
整体螺栓联接框架模态置信度（MAC）比较
整体螺栓联接框架频响函数误差比较
整体螺栓联接框架频响函数误差比较
转子建模
• 转子结构CAD图为rotor_stru.dwg • Patran建模各轴套信息：patran建模参数.xlsx
• 轴承位置，建模可以在两侧轴套硅钢片中间位 置加bush单元,刚度150N/mm.
• 轴承建立注意RBE单元建在bush与转子 之间。具体参考《2004_nastran_release_guide.pdf》
机械图形处理和性能分析实验
郭勤涛（副教授，博士） 机电学院051系 联系电话：84892905 办公室：6号楼6301 guo_qintao@nuaa.edu.cn
学以致用
实验要求
• 7 个实验题目，按要求选作。 • 详细分析报告
主要内容
1 直齿圆柱齿轮建模和弯曲应力分析 2.使用一个悬臂梁的静力分析和计算模态分析 3. 螺栓联接结构模态分析；（MAC计算，设计 专业必做） 4. 一对齿轮啮合接触分析（4，5，6选一） 5. 电子结构随机振动分析（4，5，6选一） 6. 磁悬浮转子的临界转速和同步转速计算（ 4， 5，6选一） 7.自选题目一个，不限，（可以4，5，6再选 一）。