內六角扳手Ansys分析報告實例

六角扳手的靜力分析與優(yōu)化設計晨力學與工程學院，結構2010-01班，20104336【摘要】本文中，將采用一個六角扳手的靜力分析為例來具體說明Ansys的典型分析過程，包括模型建立，劃分網格，施加載荷和邊界條件，求解以與后處理等。通過二維拉伸生成三維模型，分兩步加載，查看兩種載荷下六角形扳手的等效VonMises應力；對六邊形扳手進展應力校核，看其等效VonMises應力是否小于200MPa。假設校核不滿足，在不改變六角形尺寸和載荷的前提下，如何優(yōu)化扳手的結構，使其滿足設計要求?！娟P鍵詞】扳手，應力校核，優(yōu)化，荷載步分析1.問題描述六角扳手在日常生產生活當中運用廣泛。本例選取的扳手其實體模型如圖1所示，先受1000N的力產生的扭矩作用，然后在加上200N力的彎曲，分析目的是算出在這兩種外載作用下扳手的應力分布。扳手的詳細參數如下：截面寬：10mm，正六邊形邊長為5.8mm；形狀：正六邊形桿長：7.5cm手柄長：20cm倒角半徑：1cm彈性模量：2.07x101Pa向下的面力：20N斜向上的面力：100N圖1六方孔扳手的幾何尺寸2.建立模型完整的前處理過程包括：設定分析模式；定義單元類型和實常數；定義材料屬性；建立幾何模型；劃分有限元網格。下面就結合本實例進展介紹。本實例中選取的應力單位為Pa，力單位為N,長度為m。選擇分析模式

選取菜單項MainMenu|Preference，將彈出PreferenceofGUIFiltering〔菜單過濾參數選擇〕對話框,如圖。選中Structural復選框，以便Ansys的主菜單設置為與結構分析相對應的菜單項選擇項。圖2選擇分析模式2.2定義單元類型在進展有限元分析時，首先應根據分析問題的幾何結構，分析類型和所分析的問題的精度要求等，選定適合分析實例的有限元單元類型。本例中選用8節(jié)點實體單元〔Solid-Brick8node45〕。選取菜單項MainMenu|Preprocessor|ElementType|Add/Edit/Delete，將彈出ElementTypes〔單元類型〕對話框，點取Add，在LibraryofElementTypes中選取相應單元類型，如圖3所示。圖3選擇單元類型定義材料屬性本例中選用的兩種單元類型均不需定義實常數，故略過定義實常數這一步驟而直接定義材料屬性。選取菜單項MainMenu|Preprocessor|MaterialProps|MaterialModels，將彈出DefineMaterialModelBehavior對話框，如圖：2.4建立幾何模型本實例采用沿路徑拖拉的方式建立實體模型和有限元網格，因此首先建立扳手的截面，然后做出扳手word的一條路徑線，將截面沿此路徑線拖拉生成扳手實體模型和網格。AIDedHn-MaterialModtlBehafJorMestenalEdrtFavorrtc-HdpMaterialModelsDefinedMaterialModelsAvailableMaterialMc-delINumbe-rLinearlsolrcpi-MaterialMc-delINumbe-rLinearlsolrcpi-1^.Faverkes確LinearStatic牘Drnxity修ThermalExpansion(secant-iso]謁Strudural⑥Ttiwmdl遵CFD知Electromagnetics■謁Acoustics倉fluidsDiATf-MaJartfirf圖4定義材料屬性2.4.1建立扳手截面〔正六邊形〕單擊菜單項MainMenu|Preprocessor|Modeling|Create|Areas|Polygon|BySideLength，彈出PolygonbySideLength〔根據邊長創(chuàng)建正多邊形〕對話框，如如下圖。輸入邊數6，邊長0.058m。關閉創(chuàng)建多邊形的對話框，生成正六邊形如圖。此種方式生成的正多邊形的中心在工作平面的原點。13CPEMUW點擊MainMenu|Preprocessor|Modeling|Create|Keypoints|lnactiveCS,輸入三個路徑關鍵點：7〔0,0,0〕，8〔0,0,-0.2〕，9〔0,-0.，-0.2〕，生成點后將點點相連，做出根本路徑框架如圖:圖6建立路徑框架線之后進展倒角。在Create|Lines|中點取LineFillet，出現linefillet對話框。點選線7、8，輸入倒角半徑lcm,形成完整拖拉路徑曲線。圖7形成倒角圖7形成倒角2.4.3生成實體模型點擊MainMenu|Preprocessor|Modeling|Operate|Extrude，選擇拖拉對象“Areas"，方式“Alonglines"，依次點擊面與拖拉路徑線，生成實體模型如圖8：M曲|ValunssShape:M曲|ValunssShape:廣lc: 2Hew/Wedge廣1corMapped,v弘eep]|AuboSrc/TigFCancel5wccpClca-2.5網格劃分選擇MainMenu|Preprocessor|Meshing|MeshTool，打開網格劃分工具。點選Global項后的Set，定義單元長度。本例選擇2mm為單元尺度，網格劃分方式為Sweep，劃分后的網格如圖10所示。AGlobalElementSizes[E^IZE]Glc>haelementsiz?sjnddivisions(appliesonly旳^unsjzed4lines)SIZEEltHientedge-length 0.M2INDIVNo.oFdrmrntdivisinns--(u^edonlyifelementedgelength.SIZE,blankorzero)圖9網格劃分工具圖10劃分好的網格2.6定義邊界條件與荷載建立有限元模型后，就需要定義邊界條件并施加荷載，才能進展求解。2.6.1定義邊界條件實例的位移邊界條件為將扳手桿部的底面邊界上節(jié)點的全部位移固定。具體步驟：選擇MainMenu|Preprocessor|Loads|DefineLoads|Apply|Structural，定義點選Displacement|OnAreas，彈出面選擇對話框，要求選擇欲對其施加位移約束的面。選擇扳手桿端底面〔面22〕，點0K，出現ApplyU,ROTonAreas［在面上施加位移約束〕對話框，如圖11：圖11圖11定義邊界位移對話框在DOFStobeconstrained〔可供約束的自由度〕列表框中選擇ALLDOF〔所有自由度〕，對所選節(jié)點的所有自由度都施加約選擇，關閉對話框。此時施加約束，如圖。ELEMENTiJ'JF圖12底面位移邊界.2在扳手柄上施加面力對于多載荷步分析，既可以定義一個載荷步，分析一個載荷步；也可以定義載荷步之后，將載荷步配

置寫入載荷步文件中，最后直接求解多載荷步。本實例采用后一種方法。首先將要在扳手手柄的端部施加

100N的面力，以模擬扳手在使用中的狀態(tài)之一。為簡化起見，將100N的面力分解到3個節(jié)點上，由于單元選取的很小，故誤差也是非常小的。選擇MainMenu|Preprocessor|Loads|DefineLoads|Apply|Structural，選Force/Moment，選擇側面的3個節(jié)點，在ApplyF/MonNodes對話框〔圖13〕中對所選取節(jié)點沿-Y方向各施加100/3牛的力。圖13對節(jié)點施加面力單擊MainMenu|Solution|LoadStepOpts|WriteLSFile，彈出WriteLoadStepFile〔寫載荷步文件〕對話框，如如下圖。在Loadstepfilenumbern〔載荷步文件編號〕文本框中中填入“1"，保存為第一載荷步文件。圖14寫載荷步文件對話框在扳手手柄的端部再施加20N的向下的面力，以模擬扳手在使用中的另一種狀態(tài)。出現的對話框和根本步驟類同于上一步。將其存為第二個載荷步。3?求解本節(jié)中將開始利用載荷步文件對已經定義的兩個載荷步進展求解。單擊MainMenu|Solution|Solve|FromLSFiles，彈出SolveLoadStepfiles〔求解載荷步文件〕對話框。如圖15所示。在StartingLSfilenumber〔開始載荷步文件編號〕文本框中填入“1"。在EndingLSfilenumber〔完畢載荷文件編號〕文本框中填入“2〃。點擊OK，Ansys將開始從編號為1的載荷步文件開始讀入進展求解，直到讀入指定完畢編號的載荷步文件被讀入并求解時完成求解。求解完成后，顯示“SolutionisDone〃對話框。圖15求解載荷步文件X10?a=218MPa，由圖18放大顯示，最大應力出現在L型的拐角側。NOD5LLSOLDTICNSiiX=-.21BE+05NOD5LLSOLDTICNSiiX=-.21BE+05圖16圖形顯示選擇STEF=1SUB=1TIMz：=lSEQV (ATG)DMK=.005107SI-CW=720529山匯EI+呢 .bSE-FOd . .L^4E-C5.249E4J0.731E+O0 .1.223+09一15+09 .210E+O9圖17第一荷載步下的等效應力分布圖

圖18第一荷載步下的等效應力分布局部放大圖下面讀入第二載荷步。單擊MainMenu|GeneralPostproc|ReadResults|NextSet,讀入第二荷載步。繪制應力圖如下〔圖19〕最大等效應力達到了249MPa。圖19第二荷載步下的等效應力分布本例中，材料的許用應力為200MPa。而在此給定尺寸下，結構的最大等效應力達到了249MPa，顯然是不符合要求的，需要對其結構進展大規(guī)模的優(yōu)化，使其承載符合需用應力的要求。4.優(yōu)化設計本例要求不改變荷載和六角截面尺寸。在這一前提下，以下給出了兩種優(yōu)化方案?！舱f明：為提高求解效率，優(yōu)化過程均采用一次加載。〕

4.1縮短手柄長度由局部放大圖知，最大應力出現在拐角處。在荷載不變的情況下，可通過縮短手柄以減小扭矩的方法來降低局部應力。將手柄長度由20cm依次減為19cm、18cm、17cm，其他尺寸均不變，進展模擬。計算得到的最大應力均在200以上。減至16cm時，最大應力降低到了199MPa〔圖20〕，滿足設計要求?？梢娍s短手柄長度是優(yōu)化設計的有效方法之一。圖20手柄縮短至16cm時的應力分布4.2改變倒角尺寸考慮到實際情況中，將手柄縮短不但減小了力臂，且縮短了抓握長度，可能會帶來使用的不便，因此決定嘗試采用優(yōu)化倒角尺寸的方法。由材料力學知，結構尺寸的突變將產生局部應力集中。為緩和應力集中，可增大倒角半徑，以期使其符合許用應力的要求。將倒角半徑改為2cm，再次計算，得到的應力云圖如圖21，最大應力降至193MPa，滿足設計要求。^QDPlL3CDUTIDt\TSTEE=LSUB=1TIM2=LSEQV (AVO)□MX=t0050153Z-K=493E+g630559 ,^35E+0& ?S63E+09 -123E+CI9 ?172EW9.Z20E+0S .1O0E4-O9 ,151E+fl? ?133E+09圖21倒角半徑增大至2cm時的應力分布word需要說明的是，在實際生產中，應該經過屢次精細