哈工大-機(jī)械有限元實(shí)驗(yàn)報(bào)告.docx

哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告姓名學(xué)號(hào)課程名稱機(jī)械結(jié)構(gòu)有限元分析實(shí)驗(yàn)名稱機(jī)械結(jié)構(gòu)有限元分析實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室名稱機(jī)械制造及自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)時(shí)間2014年11月15日同組成員實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備（10%）評(píng)語(yǔ)：簽字： 成績(jī)：實(shí)驗(yàn)過(guò)程（60%）評(píng)語(yǔ)：簽字： 成績(jī)：實(shí)驗(yàn)報(bào)告（30%）評(píng)語(yǔ)：簽字： 成績(jī)：特別加分評(píng)語(yǔ)：簽字： 成績(jī)：總成績(jī)教師簽字 年 月 日哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 2012年06月一、實(shí)驗(yàn)的目的和意義“機(jī)械結(jié)構(gòu)有限元分析”實(shí)驗(yàn)是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)開(kāi)設(shè)的專業(yè)限選課實(shí)驗(yàn)，是有限元分析教學(xué)的一個(gè)重要的實(shí)踐性環(huán)節(jié)。學(xué)生通過(guò)該課程及其實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使學(xué)生掌握現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)的一些基本原理和方法，具有一定的利用已有的有限元分析軟件對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜、動(dòng)態(tài)特性分析的能力。掌握機(jī)械結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)態(tài)特性測(cè)試的原理、方法和相關(guān)的儀器、設(shè)備的操作，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際和動(dòng)手操作的能力。二、實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容與原理1.典型機(jī)械部件的動(dòng)態(tài)測(cè)試實(shí)驗(yàn)采用一種典型的振動(dòng)模態(tài)測(cè)試方法測(cè)試具有不同截面形狀的懸臂梁的模態(tài)參數(shù)（自振頻率和主振型）。2.有限元分析軟件上機(jī)實(shí)驗(yàn)測(cè)量隔振平臺(tái)系統(tǒng)的固有頻率。改變空氣彈簧的剛度，平臺(tái)的質(zhì)量（加質(zhì)量塊）測(cè)量平臺(tái)系統(tǒng)固有頻率的變化。計(jì)算平臺(tái)的隔振效率。自振模態(tài)測(cè)試原理瞬態(tài)激勵(lì)方法理論基礎(chǔ)：脈沖激勵(lì)的理論基礎(chǔ)是采用單位脈沖函數(shù)對(duì)被測(cè)結(jié)構(gòu)對(duì)象激勵(lì)。其脈沖的持續(xù)時(shí)間t-0，則其頻率范圍為無(wú)限大，且是連續(xù)的。在脈沖力寬頻信號(hào)的激勵(lì)下，就能把試驗(yàn)對(duì)象的所有各階固有頻率都激發(fā)出來(lái)。所以，脈沖激勵(lì)法是一種寬頻激勵(lì)。把脈沖力和激發(fā)出來(lái)的響應(yīng)信號(hào)同時(shí)輸入數(shù)字信號(hào)處理分析系統(tǒng)的兩個(gè)通道中，進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換及濾波后，就可做快速富里葉變換（FFT），分析出它們各自的幅值譜、相位譜和互譜密度函數(shù)。再經(jīng)計(jì)算，得出它們的傳遞函數(shù)和相干函數(shù)。捶擊法是一種最簡(jiǎn)便的激勵(lì)方法。激勵(lì)工具僅為一只帶有力傳感器的敲擊錘，一般由人工進(jìn)行操作，憑借試驗(yàn)者熟練的敲擊手法，就能對(duì)被測(cè)試件進(jìn)行脈沖激勵(lì)。該方法的優(yōu)點(diǎn)：激勵(lì)十分簡(jiǎn)單易行，無(wú)需價(jià)格昂貴的儀器設(shè)備；試驗(yàn)時(shí)不會(huì)對(duì)試件產(chǎn)生附加質(zhì)量、附加剛度等副作用；激勵(lì)點(diǎn)的選擇不受敲擊錘本身結(jié)構(gòu)的限制，可以在不能安裝激振器的部位實(shí)現(xiàn)激振；能很方便地在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)施在線診斷的試驗(yàn)；試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得速度快，效率高。三、實(shí)驗(yàn)方法和步驟1.自振模態(tài)測(cè)試方法根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理可知，脈沖激勵(lì)法是一種寬頻激勵(lì)。脈沖力寬頻信號(hào)的激勵(lì)能把試驗(yàn)對(duì)象的所有各階固有頻率都激發(fā)出來(lái)。所以，把脈沖力和激發(fā)出來(lái)的響應(yīng)信號(hào)同時(shí)輸入數(shù)字信號(hào)處理分析系統(tǒng)的兩個(gè)通道中，進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換及濾波后，就可做快速富里葉變換（FFT），分析出它們各自的幅值譜、相位譜。再經(jīng)計(jì)算，可以得出它們的傳遞函數(shù)和相干函數(shù)。實(shí)驗(yàn)中采用帶有力傳感器的敲擊錘作為脈沖源，對(duì)懸臂梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行激勵(lì)，同時(shí)采用模態(tài)參數(shù)識(shí)別動(dòng)畫(huà)過(guò)程，獲得懸臂梁結(jié)構(gòu)自振頻率和振型。實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用了北京波譜世紀(jì)科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的USB接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如圖1和圖2所示。圖1 錘擊測(cè)振系統(tǒng)主要設(shè)備 圖2錘擊測(cè)振系統(tǒng)程序主界面瞬態(tài)激勵(lì)方法測(cè)試模態(tài)的實(shí)驗(yàn)原理如圖3所示：圖3 瞬態(tài)激勵(lì)測(cè)試模態(tài)原理圖實(shí)驗(yàn)中，首先對(duì)某一種截面形狀的懸臂梁進(jìn)行模態(tài)測(cè)試。按照原理圖連接實(shí)驗(yàn)所需要的儀器和設(shè)備。將懸臂梁沿著軸向均分，標(biāo)記均分的刻度（如：分成10等分）。然后啟動(dòng)錘擊測(cè)振系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集軟件，給定力錘敲擊的方向和采樣頻率和均分點(diǎn)的個(gè)數(shù)等參數(shù)。用力錘在懸臂梁進(jìn)行敲擊第1點(diǎn)，一點(diǎn)可以敲擊多次，并計(jì)算平均值。采用軟件記錄其幅頻和相頻特性曲線。找出共振點(diǎn)的位置，并記錄當(dāng)前的頻率值。按照這種方法，順次以后的幾點(diǎn)。最后，獲得各點(diǎn)的相對(duì)振幅，利用模型動(dòng)畫(huà)軟件，可以在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示該階振動(dòng)的振動(dòng)狀態(tài)。2.有限元分析軟件上機(jī)實(shí)驗(yàn)本上機(jī)實(shí)驗(yàn)是利用ANSYS有限元分析軟件對(duì)3個(gè)不同截面形狀懸臂梁試件的靜、動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析，分析采用SOLID92實(shí)體單元。試驗(yàn)件的二維圖如圖3-1和圖3-2所示。圖4 三個(gè)不同截面試驗(yàn)件圖5試驗(yàn)件安裝尺寸軟件介紹ANSYS是一種廣泛性的商業(yè)套裝工程分析軟件，主要用于機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受到外力負(fù)載后所出現(xiàn)的狀態(tài)，如位移、應(yīng)力和振動(dòng)狀態(tài)等。ANSYS有限元分析軟件在機(jī)械、電機(jī)、土木、電子及航空等不同領(lǐng)域得到了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)成為設(shè)計(jì)人員不可缺少的工具之一。ANSYS的使用有兩個(gè)模式，一是交互模式（Interactive Mode），另一是非交互模式（Batch Mode），初學(xué)者及大部分使用者都采用交互模式。ANSYS軟件用戶界面如圖3-3所示。圖3-3 ANSYS軟件用戶界面ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由美國(guó)ANSYS公司開(kāi)發(fā)，它能與多數(shù)CAD軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Pro/Engineer， NASTRAN，Alogor，UG，AutoCAD等，是現(xiàn)代產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的高級(jí)計(jì)算機(jī)輔助工具之一。軟件主要包括三個(gè)部分：前處理模塊，分析計(jì)算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型；分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析以及多物理場(chǎng)的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力；后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來(lái)，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。軟件提供了100種以上的單元類型，用來(lái)模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。3.1.2 有限元模型的建立利用ANSYS有限元分析軟件的前處理功能建立圖3-1和圖3-2所示實(shí)驗(yàn)件的有限元實(shí)體模型，定義材料屬性。具體步驟如下： （1）啟動(dòng)ANSYS。以交互模式進(jìn)入ANSYS，定義工作文件名；（2）創(chuàng)建基本模型；（3）存儲(chǔ)ANSYS數(shù)據(jù)庫(kù)；（4）設(shè)定分析模塊；（5）設(shè)定單元類型。對(duì)于任何分析，必須在單元庫(kù)中選擇一個(gè)或幾個(gè)適合分析的單元類型，單元類型決定了輔加的自由度，許多單元還要設(shè)置一些單元選項(xiàng)，諸如單元特性和假設(shè)。對(duì)于本問(wèn)題，只需選擇SOLID92實(shí)體單元并默認(rèn)單元選項(xiàng)即可；（6）定義材料屬性。材料屬性是與結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)的本構(gòu)屬性，例如揚(yáng)氏模量、密度等，一個(gè)分析中可以定義多種材料，每種材料設(shè)定一個(gè)材料編號(hào)。對(duì)于本問(wèn)題，只需定義一種材料；（7）保存ANSYS數(shù)據(jù)庫(kù)文件。3.1.3 對(duì)有限元模型的網(wǎng)格劃分ANSYS程序提供了使用便捷、高質(zhì)量的對(duì)CAD模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分的功能。包括四種網(wǎng)格劃分方法：延伸劃分、映像劃分、自由劃分和自適應(yīng)劃分。延伸網(wǎng)格劃分可將一個(gè)二維網(wǎng)格延伸成一個(gè)三維網(wǎng)格。映像網(wǎng)格劃分允許用戶將幾何模型分解成簡(jiǎn)單的幾部分，然后選擇合適的單元屬性和網(wǎng)格控制，生成映像網(wǎng)格。ANSYS程序的自由網(wǎng)格劃分器功能是十分強(qiáng)大的，可對(duì)復(fù)雜模型直接劃分，避免了用戶對(duì)各個(gè)部分分別劃分然后進(jìn)行組裝時(shí)各部分網(wǎng)格不匹配帶來(lái)的麻煩。自適應(yīng)網(wǎng)格劃分是在生成了具有邊界條件的實(shí)體模型以后，用戶指示程序自動(dòng)地生成有限元網(wǎng)格，分析、估計(jì)網(wǎng)格的離散誤差，然后重新定義網(wǎng)格大小，再次分析計(jì)算、估計(jì)網(wǎng)格的離散誤差，直至誤差低于用戶定義的值或達(dá)到用戶定義的求解次數(shù)。本實(shí)驗(yàn)中網(wǎng)格劃分主要包括以下四個(gè)步驟：（1）確定所要?jiǎng)澐志W(wǎng)格的單元屬性。對(duì)于本問(wèn)題，由于只有一種單元，已經(jīng)默認(rèn)；（2）設(shè)定網(wǎng)格尺寸控制。ANSYS網(wǎng)格劃分中有許多不同的單元尺寸控制方法，如智能網(wǎng)格劃分“Smart sizing”、總體尺寸單元、給定關(guān)鍵點(diǎn)附近的單元尺寸控制和網(wǎng)格細(xì)化等，本實(shí)驗(yàn)采用“Smart sizing”；（2）網(wǎng)格劃分以前保存數(shù)據(jù)庫(kù)；（2）執(zhí)行網(wǎng)格劃分；劃分后網(wǎng)格圖如圖3-4所示。 圖3-4 網(wǎng)格圖3.1.4 結(jié)構(gòu)的靜力分析靜力分析是用于求解靜力載荷作用下結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力等。靜力分析包括線性和非線性分析。而非線性分析涉及塑性，應(yīng)力剛化，大變形，大應(yīng)變，超彈性，接觸面和蠕變，本實(shí)驗(yàn)是線性分析。靜力分析計(jì)算在固定不變的載荷作用下結(jié)構(gòu)的效應(yīng)，它不考慮慣性和阻尼的影響，如結(jié)構(gòu)受隨時(shí)間變化載荷的情況。可是，靜力分析可以計(jì)算那些固定不變的慣性載荷對(duì)結(jié)構(gòu)的影響（如重力和離心力），以及那些可以近似為等價(jià)靜力作用的隨時(shí)間變化載荷分析前要對(duì)模型施加載荷，本試驗(yàn)施加的載荷為集中載荷，大小、方向和位置與力學(xué)測(cè)試實(shí)驗(yàn)相同。3.1.5 結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析模態(tài)分析是用于計(jì)算結(jié)構(gòu)的固有頻率和模態(tài)。通過(guò)計(jì)算得出實(shí)驗(yàn)件的前兩階固有頻率和振型?？梢垣@得懸臂梁振型圖，如圖3-16所示。3.1.6 結(jié)構(gòu)后處理計(jì)算完成后要對(duì)分析結(jié)果以圖片的方式存儲(chǔ)打印出來(lái)，附在實(shí)驗(yàn)報(bào)告后面。ANSYS有兩個(gè)后處理器：通用后處理器和時(shí)間歷程后處理器。前者只能觀看整個(gè)模型在莫一時(shí)刻的結(jié)果，后者可觀看模型在不同時(shí)間的結(jié)果。對(duì)于靜力分析，后處理的步驟主要包括：（1）繪變形圖：繪出結(jié)構(gòu)在靜力作用下的變形結(jié)果；（2）動(dòng)畫(huà)：以動(dòng)畫(huà)方式模擬結(jié)構(gòu)在靜力作用下的變形過(guò)程；（3）支反力列表：在任一方向，支反力總和必等于再此方向的載荷總和；（4）繪應(yīng)力等值線：應(yīng)力等值線可清晰描述一種結(jié)果在整個(gè)模型中的變化，可以快速確定模型中的“危險(xiǎn)區(qū)域”；（5）應(yīng)力等值線動(dòng)畫(huà)。對(duì)于模態(tài)分析，得出各階國(guó)有頻率下幅值變化的動(dòng)畫(huà)四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果1.瞬態(tài)激勵(lì)方法一階固有頻率值： 105.124 Hz表1 一階固有頻率下的相對(duì)振幅值節(jié)點(diǎn)123456789相對(duì)振幅值-0.6460.6610.1760.5940.4790.6000.5250.3050圖9 振型草圖2.有限元分析法1).模型圖2).網(wǎng)格