精品資料（2021-2022年收藏的）材料力學(xué)課本P

1、研究專題應(yīng)用CAE軟體於微飛行器塑膠套件材力分析及機(jī)構(gòu)分析的研究班級(jí):機(jī)電4B 學(xué)號(hào):495370305姓名:李相甫指導(dǎo)教授: 楊龍杰摘要 早期微飛行器支架及零件的發(fā)展一直都是以較簡單、傳統(tǒng)方法製作，而由於微機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展，微飛行器便利用微機(jī)電系統(tǒng)製作方式使尺寸更為精準(zhǔn)、強(qiáng)度更佳之塑膠套件。如今科技發(fā)展快速，使得科技產(chǎn)品愈來愈先進(jìn)，進(jìn)而使其中的零件愈精密，加上3D CAD 軟體不斷的改進(jìn)，以滿足電腦繪圖者的要求，透過操作介面的智慧化，進(jìn)而達(dá)到精準(zhǔn)、快速完成的模型。而本專題是選用SolidWorks來學(xué)習(xí)使用，並學(xué)習(xí)如何繪出零件和組合件並以CAE軟體分析零件所受的應(yīng)力、應(yīng)變及其安全係數(shù)，找出問題

2、並用理論進(jìn)行分析解決之。 首先，我們學(xué)習(xí)各種機(jī)械零件設(shè)計(jì)，並針對(duì)SolidWorks 2008軟體所附的光碟進(jìn)行練習(xí)。將楊龍杰教授實(shí)驗(yàn)室所開發(fā)拍翼式飛行器的零件用SolidWorks中的CosmosXpress模式進(jìn)行分析，並先做各項(xiàng)的模擬以找出應(yīng)力集中且變形量較大的部分加以改善，再用CAD改變材質(zhì)及增加強(qiáng)度，並以CAE的模擬分析來達(dá)到基座的最佳化設(shè)計(jì)。目 錄目錄 -3第一章 研究方法 -41-1SolidWorks使用學(xué)習(xí) -41-2 CosmosXpress分析 -41-3 記錄與結(jié)論 -4第二章 有限元素分析方法 -52-1 有限元素法分析 -52-2 FEA結(jié)果的解釋 -102-3 V

3、on Mises應(yīng)力-102-4 主應(yīng)力-12第三章 執(zhí)行過程-133-1 SolidWorks 3D繪圖軟體訓(xùn)練 -133-2 CosmosXpress分析基座受力的應(yīng)力及位移分析 -133-3 CosmosXpress分析兩機(jī)翼的相位差分析 -13第四章 基座工字梁分析 -144-1 COSMOSXpress分析的運(yùn)算過程 -144-2分析結(jié)果 -20第五章 飛行器相位差分析 -44第六章 結(jié)論 -49參考文獻(xiàn) -5131第一章 研究方法l 1-1 SolidWorks使用學(xué)習(xí)詳讀SolidWorks 2008原廠教育訓(xùn)練手冊(cè)，並練習(xí)課本範(fàn)例及習(xí)題，來學(xué)習(xí)SolidWorks基本零件、組合

4、件與工程圖設(shè)計(jì)等技術(shù)練習(xí)內(nèi)容章節(jié)如下:Chp.1 概論Chp.2 草圖繪製Chp.3 基本零件模型Chp.4 複製排列Chp.5 旋轉(zhuǎn)特徵 Chp.8 薄殼與肋Chp.9 掃出Chp.13 由上而下模型組合法l 1-2 CosmosXpress分析利用SolidWorks內(nèi)建之CosmosXpress分析的功能去學(xué)習(xí)分析零件的受力情形和位移以及相位差等物理量。l 1-3 記錄與結(jié)論將所學(xué)與練習(xí)分析做詳細(xì)記錄執(zhí)行過程第二章 有限元素法分析l 2-1 有限元素法分析FEA(Finite Element Analysis)稱為有限元素法分析，是一種以偏微分方程式求解專業(yè)問題的數(shù)學(xué)方法。FEA不是唯一

5、的數(shù)值分析工具，其他應(yīng)用在工業(yè)上的數(shù)值方法還有：有限差分法(Finite Difference Method)、邊界元素法(Boundary Element Method)與有限體積法(Finite Volume Method)。但由於它的多功能性和高數(shù)值效率，F(xiàn)EA在工程分析軟體市場(chǎng)上佔(zhàn)了主要的地位，同時(shí)其他的方法被歸類為適合的應(yīng)用程式。使用FEA，我們可以分析任何外型，利用多種方式來理想化幾何與產(chǎn)生需要精度的結(jié)果。FEA是工程分析中一大強(qiáng)力工具，可以處理從非常簡單到非常複雜的問題。任何分析的起始點(diǎn)就是幾何模型，對(duì)此模型指定材料性質(zhì)，定義負(fù)載與拘束條件，接著，使用一種以數(shù)值近似的方法為基礎(chǔ)工

6、具，我們離散這些要分析的模型，而此離散的過程，就是一般所稱的建立網(wǎng)格，將幾何切割成相當(dāng)小與簡單形狀的實(shí)體，此小實(shí)體稱為有限元素法。元素稱為”有限”是為了強(qiáng)調(diào)他們事實(shí)上不是無限小的，而是相對(duì)於整個(gè)模型尺寸而言是相當(dāng)?shù)奈⑿?。使用有限元素法時(shí)，F(xiàn)EA求解器針對(duì)包含組合件的整個(gè)模型中個(gè)別元素的簡單解，以數(shù)值近似求出所要求的解答。從FEA軟體的觀點(diǎn)來看，每個(gè)FEA應(yīng)用程式需要三個(gè)步驟：l 前處理(Preprocessimg)分析類性(靜態(tài)、熱傳、頻率等等)，材料性質(zhì)，定義負(fù)載與拘束條件，並將模型切割成有件元素。l 求解(Solution)計(jì)算所需要的結(jié)果。l 後處理(Postprocessing)解析結(jié)

7、果。從FEA方法論的觀點(diǎn)來看，我們列出下面的FEA步驟：(1) 建立數(shù)學(xué)模型。由零件或組合件模型為主的幾何開始，此幾何必須可以被切割成正確且適當(dāng)為小的有限元素。所謂的小，並不是參考元素的尺寸，而是網(wǎng)格中元素的數(shù)目，此必要條件有重要的含意，我們必須確保CAD幾何模型真正的網(wǎng)格化，且產(chǎn)生的網(wǎng)格可以提供所要數(shù)據(jù)的正確性。除了讓模型可以切成網(wǎng)格的單一目的，而適當(dāng)?shù)淖鯟AD幾何的理想化及簡單化，這是非常重要的。常常我們簡化模型會(huì)讓它正確地網(wǎng)格化，但產(chǎn)生的網(wǎng)格數(shù)目卻太大，進(jìn)而造成分析速度非常緩慢。模型簡單化考慮到較簡單的網(wǎng)格與較短的運(yùn)算時(shí)間。成功的網(wǎng)格建立非常依賴模型的品質(zhì)，如同F(xiàn)EA軟體所提供的精密網(wǎng)格

8、工具一樣。將一個(gè)尚未建立網(wǎng)格的可網(wǎng)格化幾何，我們定義好材料性質(zhì)、負(fù)載、支撐與拘束條件，並提供我們希望分析的類型訊息。此程序完成的數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)則。(2) 建立有限元素模型我們藉由一個(gè)離散的過程將數(shù)學(xué)模型分割成有限元素，這稱為建立網(wǎng)格。離散化視覺上會(huì)顯示出幾何的網(wǎng)格。不過負(fù)載與支撐也是離散的，在模型已經(jīng)分割成網(wǎng)格後，這些負(fù)載與支撐才會(huì)附加在有限元素的網(wǎng)格上。(3) 求解有限元素模型。(4) 解析結(jié)果。FEA分析方法流程如圖21所示。CosmosXpress的FEA分析方法流程如圖22。負(fù)載條件拘束條件簡化幾何數(shù)學(xué)模型FEA模型FEA結(jié)果理想化CAD幾何分析類型數(shù)值求解離散化(建立網(wǎng)格)材料性質(zhì)圖

9、22 FEA分析方法流程圖。分析類型材料性質(zhì)拘束條件負(fù)載條件CAD幾何FEA模型FEA結(jié)果圖 22 用CosmosXpress的FEA分析方法流程圖。l 2-2 FEA結(jié)果的解釋FEA的結(jié)果提供了結(jié)構(gòu)分析中的位移、應(yīng)變與應(yīng)力，也提供熱分析中的溫度、溫度梯度與熱通量，其中，位移的準(zhǔn)則是十分明顯且容易確定，應(yīng)力則否。我們?yōu)榱舜_保應(yīng)力在一個(gè)可以接受的範(fàn)圍範(fàn)圍內(nèi)，而執(zhí)行應(yīng)力分析，為了評(píng)估應(yīng)力結(jié)果，我們必須了解機(jī)構(gòu)的潛在破壞，如果一個(gè)零件遭到破壞了，哪一個(gè)應(yīng)力分量是破壞的主因？在這裡我們侷限討論於Von Mises應(yīng)力與主應(yīng)力(Principal stress)概要上的不同，這兩者都是使用在驗(yàn)證結(jié)構(gòu)安全

10、性的基本應(yīng)力測(cè)量法。l 2-3 Von Mises應(yīng)力Von Mises應(yīng)力，也稱為Huber應(yīng)力，是針對(duì)一般3D狀態(tài)的應(yīng)力，計(jì)算其六個(gè)應(yīng)力分量的測(cè)量法。如圖2-3，在一個(gè)立方體元素的每個(gè)面上都有兩個(gè)見應(yīng)力分量與正向應(yīng)力分量作用著。由於平衡的需要，故，圖2-3 應(yīng)力元素Von Mises應(yīng)力方程式可以用整體座標(biāo)系統(tǒng)定義的應(yīng)力分量表示成：l 2-4主應(yīng)力應(yīng)力狀態(tài)也可以被描述成由三個(gè)主應(yīng)力分量所構(gòu)成：，其方向是正向於元素應(yīng)力立方的面，如圖2-4。則Von Mises應(yīng)力可以表示成：圖2-4 主應(yīng)力元素Von Mises應(yīng)力是一個(gè)非負(fù)數(shù)的純量。當(dāng)Von Mises應(yīng)力到達(dá)降伏應(yīng)力時(shí)，材料恰為降伏。安

11、全係數(shù)在安全係數(shù)的規(guī)定下，必須大於1，故Von Mises應(yīng)力必須小於材料的降伏應(yīng)力。第三章 執(zhí)行過程l 3-1 SolidWorks 3D繪圖軟體訓(xùn)練 o 零件：1. 複製排列2. 旋轉(zhuǎn)特徵3. 薄殼與肋4. 掃出o 組合件：嵌合與模塑o 建立工程圖l 3-2 CosmosXpress分析基座受力的應(yīng)力及位移分析l 3-3 CosmosXpress分析兩機(jī)翼的相位差分析第四章 基座工字樑分析由此專題中，我們考慮飛行器在下降時(shí)，基座底部會(huì)受到向後的作用力，以及馬達(dá)在旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)成基座左右的震盪，所以我們改變基座的材料以及受力方向來取得最佳的材料。l 4-1 COSMOSXpress分析的運(yùn)算過程(

12、1)打開COSMOSXpress圖4-1 COSMOSXpress介面(2) 定義材料：選擇POM Acetal共聚物圖4-2 COSMOSXpress介面-材料選擇(3) 定義拘束：在基座裝置馬達(dá)及碳棒的地方給予拘束。圖4-3 COSMOSXpress介面-定意拘束(4) 定義負(fù)載：先定義材料底部的孔，受到相後負(fù)載1N圖4-4 COSMOSXpress介面-定義負(fù)載(5) 執(zhí)行分析圖4-5 COSMOSXpress執(zhí)行分析(6) 結(jié)果報(bào)告：選擇產(chǎn)生HTML報(bào)告可以得到應(yīng)力分布、位移分布、變形形狀的報(bào)告圖4-6 COSMOSXpress結(jié)果(7) 由HTML報(bào)告中，我們可以得到以下資訊：a.

13、檔案資訊b. 材料c. 負(fù)載和拘束資訊d. 專題屬性e. 結(jié)果 (a) 應(yīng)力 (b) 位移 (c) 變形f. 附錄(8) 檢視結(jié)果：擷取我們要的資料材料、應(yīng)力分布圖、位移分布圖圖4-7 應(yīng)力分布圖：紅色區(qū)域顯示最大應(yīng)力為7.201×106 (Pa)圖4-8位移分布暨模型變形圖：紅色區(qū)域顯示最大位移為8.763×10(mm)l 4-2分析結(jié)果l POMCase 1(工字梁) (a)(b)(c)(d)(e)圖4-9 POM Case 1受力應(yīng)力及撓度結(jié)果(a)分析零件；(b)向後應(yīng)力；(c)向後撓度；(d)向右應(yīng)力；(e) 向右撓度Case 1分析結(jié)果：質(zhì)量估算= 0.52g向

14、後的負(fù)載：最大應(yīng)力= 7.201×106 (N/)撓度= 8.763×10 (mm)向右的負(fù)載：最大應(yīng)力= 8.443×106 (N/)撓度= 1.187×10 (mm)Case 2(工字梁+肋條)(a)(b)(c)(d)(e)圖4-10 POM Case 2受力應(yīng)力及撓度結(jié)果(a)分析零件；(b)向後應(yīng)力；(c)向後撓度；(d)向右應(yīng)力；(e) 向右撓度Case 2分析結(jié)果：質(zhì)量估算= 0.54g向後的負(fù)載：最大應(yīng)力= 7.216×106 (N/)撓度= 8.889×10 (mm)向右的負(fù)載：最大應(yīng)力= 7.471×106

15、 (N/)撓度= 8.277×10 (mm)Case 3(無工字梁)(a)(b)(c)(d)(e)圖4-11 POM Case 3受力應(yīng)力及撓度結(jié)果(a)分析零件；(b)向後應(yīng)力；(c)向後撓度；(d)向右應(yīng)力；(e) 向右撓度Case 3分析結(jié)果：質(zhì)量估算= 0.54g向後的負(fù)載：最大應(yīng)力= 8.168×106 (N/)撓度= 7.014×10 (mm)向右的負(fù)載：最大應(yīng)力= 7.782×106 (N/)撓度= 1.103×10 (mm)Case 4(無工字梁+肋條)(a)(b)(c)(d)(e)圖4-12 POM Case 4受力應(yīng)力及撓度

16、結(jié)果(a)分析零件；(b)向後應(yīng)力；(c)向後撓度；(d)向右應(yīng)力；(e) 向右撓度Case 4分析結(jié)果：質(zhì)量估算= 0.56g向後的負(fù)載：最大應(yīng)力= 8.164×106 (N/)撓度= 7.125×10 (mm)向右的負(fù)載：最大應(yīng)力= 7.605×106 (N/)撓度= 7.944×10 (mm)表4-1四種Case設(shè)計(jì)樣式的基座比較表質(zhì)量估算(g)向後負(fù)載的撓度(mm)向右負(fù)載的撓度(mm)Case 1(工字梁)0.528.763×10-21.187×10-1Case 2(工字梁+肋條)0.548.889×10-28.2

17、77×10-2Case 3(無工字梁)0.547.014×10-21.103×10-1Case 4(無工字梁+肋條)0.567.125×10-27.944×10-2(a)(b)(c)圖4-13四種Case設(shè)計(jì)樣式的基座比較圖表(a)質(zhì)量比較；(b)向後負(fù)載撓度；(c)向右負(fù)載撓度l ABSCase 1(工字梁) (a)(b)(c)(d)(e)圖4-14 ABS Case 1受力應(yīng)力及撓度結(jié)果(a)分析零件；(b)向後應(yīng)力；(c)向後撓度；(d)向右應(yīng)力；(e) 向右撓度Case 1分析結(jié)果：質(zhì)量估算= 0.52g向後的負(fù)載：最大應(yīng)力= 7.30

18、6×106 (N/)撓度= 7.385×10-2 (mm)向右的負(fù)載：最大應(yīng)力= 8.416×106 (N/)撓度= 9.944×10-2 (mm)Case 2(工字梁+肋條)(a)(b)(c)(d)(e)圖4-15 ABS Case 2受力應(yīng)力及撓度結(jié)果(a)分析零件；(b)向後應(yīng)力；(c)向後撓度；(d)向右應(yīng)力；(e) 向右撓度Case 2分析結(jié)果：質(zhì)量估算= 0.54g向後的負(fù)載：最大應(yīng)力= 7.289×106 (N/)撓度= 7.492×10-2 (mm)向右的負(fù)載：最大應(yīng)力= 7.589×1012 (N/)撓度=

19、 6.943×10-2 (mm)Case 3(無工字梁)(a)(b)(c)(d)(e)圖4-16 ABS Case 3受力應(yīng)力及撓度結(jié)果(a)分析零件；(b)向後應(yīng)力；(c)向後撓度；(d)向右應(yīng)力；(e) 向右撓度Case 3分析結(jié)果：質(zhì)量估算= 0.54g向後的負(fù)載：最大應(yīng)力= 8.320×106 (N/)撓度= 5.92×10-2 (mm)向右的負(fù)載：最大應(yīng)力= 8.765×106 (N/)撓度= 9.267×10-2 (mm)Case 4(無工字梁+肋條)(a)(b)(c)(d)(e)圖4-17 ABS Case 4受力應(yīng)力及撓度結(jié)果(

20、a)分析零件；(b)向後應(yīng)力；(c)向後撓度；(d)向右應(yīng)力；(e) 向右撓度Case 4分析結(jié)果：質(zhì)量估算= 0.56g向後的負(fù)載：最大應(yīng)力= 8.315×106 (N/)撓度= 6.015×10-2 (mm)向右的負(fù)載：最大應(yīng)力= 7.463×106 (N/)撓度= 6.673×10-2 (mm)表4-2四種Case設(shè)計(jì)樣式的基座比較表質(zhì)量估算(g)向後負(fù)載的撓度(mm)向右負(fù)載的撓度(mm)Case 1(工字梁)0.527.385×10-29.944×10-2Case 2(工字梁+肋條)0.547.492×10-26.

21、943×10-2Case 3(無工字梁)0.545.92×109.267×10-2Case 4(無工字梁+肋條)0.566.015×106.673×10-2(a)(b)(c)圖4-18四種Case設(shè)計(jì)樣式的基座比較圖表(a)質(zhì)量比較；(b)向後負(fù)載撓度；(c)向右負(fù)載撓度l PA66Case 1(工字梁) (a)(b)(c)(d)(e)圖4-19 PA66 Case 1受力應(yīng)力及撓度結(jié)果(a)分析零件；(b)向後應(yīng)力；(c)向後撓度；(d)向右應(yīng)力；(e) 向右撓度Case 1分析結(jié)果：質(zhì)量估算= 0.52g向後的負(fù)載：最大應(yīng)力= 7.306&

22、#215;106 (N/)撓度= 7.385×10-2 (mm)向右的負(fù)載：最大應(yīng)力= 8.416×106 (N/)撓度= 9.944×10-2 (mm)Case 2(工字梁+肋條)(a)(b)(c)(d)(e)圖4-20 PA66 Case 2受力應(yīng)力及撓度結(jié)果(a)分析零件；(b)向後應(yīng)力；(c)向後撓度；(d)向右應(yīng)力；(e) 向右撓度Case 2分析結(jié)果：質(zhì)量估算= 0.54g向後的負(fù)載：最大應(yīng)力= 7.289×106 (N/)撓度= 7.492×10-2 (mm)向右的負(fù)載：最大應(yīng)力= 7.589×1012 (N/)撓度=

23、6.943×10-2 (mm)Case 3(無工字梁)(a)(b)(c)(d)(e)圖4-21 PA66 Case 3受力應(yīng)力及撓度結(jié)果(a)分析零件；(b)向後應(yīng)力；(c)向後撓度；(d)向右應(yīng)力；(e) 向右撓度Case 3分析結(jié)果：質(zhì)量估算= 0.54g向後的負(fù)載：最大應(yīng)力= 8.320×106 (N/)撓度= 5.92×10 (mm)向右的負(fù)載：最大應(yīng)力= 8.765×106 (N/)撓度= 9.267×10-2 (mm)Case 4(無工字梁+肋條)(a)(b)(c)(d)(e)圖4-22 PA66 Case 4受力應(yīng)力及撓度結(jié)果(a

24、)分析零件；(b)向後應(yīng)力；(c)向後撓度；(d)向右應(yīng)力；(e) 向右撓度Case 4分析結(jié)果：質(zhì)量估算= 0.56g向後的負(fù)載：最大應(yīng)力= 8.315×106 (N/)撓度= 6.015×10-2 (mm)向右的負(fù)載：最大應(yīng)力= 7.463×106 (N/)撓度= 6.673×10-2 (mm)表4-3四種Case設(shè)計(jì)樣式的基座比較表質(zhì)量估算(g)向後負(fù)載的撓度(mm)向右負(fù)載的撓度(mm)Case 1(工字梁)0.527.385×10-29.944×10-2Case 2(工字梁+肋條)0.547.492×10-26.9

25、43×10-2Case 3(無工字梁)0.545.92×10-29.267×10-2Case 4(無工字梁+肋條)0.566.015×10-26.673×10-2(a)(b)(c)圖4-23四種Case設(shè)計(jì)樣式的基座比較圖表(a)質(zhì)量比較；(b)向後負(fù)載撓度；(c)向右負(fù)載撓度表 44 POM與PA66的材料性質(zhì)比較表1 MaterialPropertyPOM(Dupont 900P)PA66(Dupont 101L)ABSDensity (g/cm3)1.421.141.26Tensile strength (MPa)708230Elonga

26、tion (%)17256Heat distortion temperature ()162200220Tensile modulus (GPa)3.33.12.7Flexural modulus (GPa)3.02.84Water absorption (%)1.8-2.01.50.15-0.2HardnessR120R108R115第五章 飛行器相位差分析此專題中，我們以COSMOSMotion進(jìn)行機(jī)構(gòu)分析，藉由改變左右其中一邊的齒輪與中央齒輪的配合，進(jìn)而改變兩機(jī)翼的相位差，而在拍翼式的飛行器中，我們要選擇相位差最小的方案來使用。2MAV_360MAV_360i圖5-1分析模組分析結(jié)果l MAV_360表5-1齒數(shù)與左右機(jī)翼相位差齒數(shù)左右翼相位差齒數(shù)左右翼相位差25.272243.1411.962441.79618.442639.5824.392836.251029.73032.11234.263227.151437.