复杂机构的CAE分析方法研究

发布时间：2020-04-08 15:33

【摘要】： 随着现代力学、计算数学以及计算机技术在软、硬件方面的发展,有限元分析无论是在理论还是在计算技术方面都已取得了巨大的进步,很多通用有限元程序和专用程序都投入了实际应用,本文主要围绕有限元方法在处理复杂装配体时的分析、解构、流程以及高级处理手段进行研究,并在文末提出了对机构的改进方案。本文首先在结构力学的基础上,总结了有限元法求解结构动力学问题(包括特征值、模态响应问题等)的基本原理,并对MSC.Patran/Nastran和ANSYS功能进行了阐述,对比了国内外的研究现状。针对大型复杂机构的有限元分析问题,本文提出了通用问题的分析流程,列举了分解功能模块的依据及分析处理的手段,并归纳了分析复杂结构时所用到的高级模块多点约束(MPC)和超单元的具体使用。使用MSC.Patran/Nastran和ANSYS软件进行分析并对比结果,仿真出针梳机牵伸箱的固有模态,仿真结果直观地演示了箱体的振型和频率变化情况,同时对比了两套软件的计算效率。根据仿真分析的结果,本文提出了避免共振的改善措施:保持原结构的基础上加厚箱壁提高总质量;添加加强筋增加系统刚度。对改进结构进行了仿真模拟,对比了不同改进方案的振型、频率变化情况,验证了改善方案的可行性。并以经济性为标准,衡量两个方案优劣。本文提出的分析方法和处理手段将为复杂装配机构的分析和仿真探索一条行之有效的通用途径,同时能够丰富和拓展有限元技术在处理大型机构仿真时的手段。
【图文】：

示意图,超单元,链轮,输入轴

单元（或称为子结构嵌套）：即允许一个子结构中包含另一个甚至多个子结构。也就是说，在生成超单元时，生成部分的其中一个单元可以是以前生成的超单元。多级超单元分析适用于所有的分析类型，如线性静力分析、刚体静力分析、正则模态分析、几何和材料非线性分析、响应谱分析、直接特征值、频率响应、瞬态响应分析、模态特征值、频率响应、模态综合分析（混合边界方法和自由边界方法）、设计灵敏度分析、稳态、非稳态、线性、非线性传热分析等。模态综合分析需要使用超单元时，可对每个受到激励作用的超单元分别进行分析，然后把各个结果综合起来从而获得整个结构的完整动态特性[44]。超单元的刚度阵、质量阵和载荷阵可以从经验或计算推导而得出。结构的高阶模态先被截去，而后用静力柔度或刚度数据恢复。该分析对大型复杂的结构显得更有效(需动力学分析模块)。在牵伸箱的分析中，各级宝塔链轮逐级构成超单元，并与轴形成二级子结构嵌套，并在此基础上通过和固定在箱体上的摇柄机构连接，从而和作为分析母件的箱体构成多级超单元，具体组建流程如图 3-7（a）（b）（c）所示

系谱图,有限元法

第一章绪论求适当定义的“泛函”的驻值的近似方法。另一方面，工程师经常采用更直观的方法，通过建立实际离散单元与连续区域的有限部分之间的模拟达到求解目的。最早在固体力学领域中，上世纪四十年代，McHenry、Hrenikoff和Newmark分别在著作中提及，用简单弹性杆排列代替连续体的各个小部分，，能够得到连续介质问题的相当好的解答。后来，在同一领域，Argyris及Turner等人提出了一种更直观化的性质替代法，即认为连续体中的小块或“单元”可用某种简化的方式表述其性质和特征[5]。1943 年R.Courant在求解扭转问题时为了表征翘曲函数而将截面分成若干三角形区域，在各三角形区域设定一个线性的翘曲函数，这是对里兹法的推广，实质上就是有限单元法的基本思想。1960 年，美国的R.W.Clough教授在一篇题为“平面应力分析的有限单元法”的论文中首次使用了有限单元法（the FiniteElement Method）一词，此后这一名称得到了广泛承认[3]。
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TH112;TP391.7

【引证文献】