大型灯泡贯流机静、动态特性有限元解析学习资料
大型灯泡贯流机静、动态特性有限元解析
大型灯泡贯流机整机静、动态特性解析
马建峰黄道锦李铁军
东芝水电设备（杭州）有限公司
【摘要】本文利用有限元解析技术对大型灯泡贯流式整机进行了解析。主要对各种运行工况下的刚、强度结果进行了判定，同时对整机机组的模态频率进行了分析，为避免机组发生共振提供了依据和方向。
【关键词】水轮发电机有限元模态频率
Static and dynamic vibration characteristics analysis of the large bulb type turbine generator
Ma jianfeng Huang daojin Li tiejun
Toshiba Hydro Power（Hang Zhou）Co., Ltd.
Abstract: In this paper, a whole analysis of the large bulb type turbine generator is introduced by FEM (finite element method). The strength and stiffness of FEA results are discussed at all cases, and the modal frequency of the whole unit is obtained by modal analysis, which provides a foundation and direction to avoid renounce efficiently. Keyword: hydro generator, finite element method，modal frequency
引言
我国低水头水力资源十分丰富，该资源大多处于江河中下游的经济发达地区，这些地区可开发的中、高水头资源基本基本已经开发的差不多。灯泡贯流式水电机组由于开挖量小、造价低而广泛应用于低水头水电站，因此有十分好的发展前景。
与其它类型水电机组相比，该型机组的结构具有显著的特点：由灯泡头、冷却套（或中间环）、定子机座组成的灯泡体与水轮机管形座、内导环组成一个整体，浸泡于流道内，整体承受外部水压的作用。而灯泡体重量、机组转动部件重量、灯泡体外部水压作用及在各种不同运行工况中所受的扭矩等则主要由管形座的上、下竖井传递到混凝土基础上；因此在不同运行工况下，机组受重力、水推力、水浮力、电磁力矩和磁拉力等载荷的作用，使整体结构的应力分布十分复杂。在机组设计过程中，必须清楚机组各部件的应力和变形情况、各部件之间的连接
状况、作用于基础的支反力等，对保证机组
的稳定性与强度安全是十分必要的。
同时由于大型灯泡贯流式机组结构尺寸
大，结构形状和受力更复杂，机组整体结构
的刚强度研究是保证机组长期、安全、稳定
运行的一个重要课题。
图1.1 算例总图1.机组基本数据
本文的算例是某大型灯泡贯流机组，
它的灯泡体最大直径为9240mm，最大长度
为15300mm。
主要参数如下
额定转速: 71.4 r/min 最大出力:
44.4MW
机组高程: 22.8 m 上游正常水位:
49 m
最高水头: 14.39 m 上游洪水位:
46 m
正向水推力:580 ton
2.有限元整机模型和边界条件
建模和加载边界条件在软件MSC patran软件中进行。对机组主体结构选用板壳单元、定子铁心和混凝土选用三维实体单元，水平支撑和垂直支撑采用梁单元进行建模。
整机模型和边界条件如下图2.1所示；
图2.1 整机模型和边界条件
由于整个灯泡体浸泡在水中，在不同的水平高度位置，对应的水头高度不同，最高点和最低点之差达17.5m，因此计算解析过程中我们运用了patran软件的压力梯度公式来自行确定，在压力载荷中，
只需输入初始坐标所在的水平面的水压力值，通过基于竖直方向坐标的压力梯度公
式即能解决这一问题。整个灯泡体在水中
的浮力通过压力差来确定，压力计算公式
如下所示：
00
()()()p
z
d
p z p z z z d
=+-
其中，z表示某一点的高程坐标
值,()
p z为位置处的压力,0()
p z为参考点
的平均压力。p
z
d
d
为沿方向的压力梯度。
在解析中，我们选取了几种应力情况
比较复杂工况；其中，以机组各个工况最
大应力和最大位移来校核刚强度。
主要的计算工况
注：工作水深=（洪水位-机组中轴线高程）
甩负荷的工作水深为压力等效水深
计算工况
工作水
深(m)
水轮机功
率(MW)
水推
力(t) 充水工
况
26.2 / /
额定工
况
23.2 41 346
最高水头最
大出力
26.2 44.4 580
甩负荷40.61 / -580
3. 有限元计算结果和评价
1）有限元计算结果
对于灯泡贯流机来讲，由于活动导叶紧急关闭带来巨大的流场变化，整体最大综合（Von Misses ）应力出现在甩负荷工况；
各工况应力位移情况汇总
注：应力单位MPa 位移单位mm
图
3.1 甩负荷工况应力场剖面图
甩负荷工况最大应力发生在管型座与水机竖井连接处。
图3.2 甩负荷工况位移分布
计算工况 最大综 合应力 最大综 合位移 最大Z 向位移 充 水 工 况 96.9 2.72 -1.60 额 定 工 况 102 3.46 -1.66 最高水头最 大出力 119 4.36 -1.74 甩 负 荷
141
3.45
-1.55
甩负荷工况最大轴向（水流方向）位移发生在管型座与水机竖井连接处。
同时该机组最大的Z向位移（平行于竖井方向），发生在最高水头最大出力工况时。最大的位移发生在灯泡头部分。
图3.3 最高水头最大出力工况位移分
布
2）有限元计算结果评价
计算结果表明，正向水推力存在（如额定工况和最高水头最大出力工况）时，最大综合位移出现在灯泡头处，其中最高水头最大出力工况时，灯泡头最大综合位移为4.36mm，该位移是灯泡贯流机各部件位移累加，实际灯泡头本体轴向位移（水流方向）为1.16mm。
从计算结果可知：影响灯泡贯流机组的屈曲安全的主要部件是灯泡头，一旦灯泡头发生屈曲，直接会影响到灯泡头和中间环的水密封合缝面，造成流道中的水进入发电机定、转子造成重大事故。
通过专门解析计算最高水头最大出力工况时灯泡头和中间环的线性屈曲安全系数。计算得出灯泡体和中间环的屈曲安全系数较高为5.9以上，因此，机组在各种工况运行中都不会导致屈曲失稳现象机组最大应力出现在甩负荷工况时，位置在管型座与水机竖井连接处，最大应力值为141MPa；机组最大综合位移为3.45mm，发生在管型座与水机竖井连接处。
从机组的结构来说，要受到巨大的浮力和水推力，水机管型座是承受各种力的主要的结构支撑部件，水平支撑和垂直支
撑只起到辅助支撑和防振作用。因此管型
座安全至关重要。
最后对计算结果进行评判：该算例最大应力应力为141MPa；最大应力区域的管型座和水机竖井使用Q345材料，板厚为50mm，在甩负荷工况，标书要求σ1
<[σ2]＝50% Y.S；
根据国标材料牌号 Q345-B
低合金结构钢 GB/T 1591-2008
屈服极限（板厚50mm）大于325MPa 得出许用应力162.5MPa，该机组管型座满足标书和设计要求；但该机组管型座有局部的应力集中情况存在，需要局部优化结构，排除不必要的集中应力，减少局部疲劳发生的可能。4.有限元模态计算和评价
1）有限元模态计算
大型灯泡贯流机组由于其尺寸大，必须校核其模态防止机组出现有害频率与固有的激励源重合产生共振情况。
常见的激励源有各个工况的转频，如额定转速、飞逸转速等；也有水力结构产生的激励源，如额定转速和转轮叶片数之间关系产生的激励源以及飞逸转速和转轮叶片数之间关系产生的激励源；
以上这些激励源的频率都是需要在设计时避开的，同时有限元计算的整体频率是无水状态下的进行的，实际频率受水的阻尼作用的影响，我们通过经验公式折算得出该机组灯泡体水中频率。
模态计算边界条件基本相同，但要把转动部件以质量单元的形式加载到发电机导轴承和水轮机导轴承处；总共计算了10阶模态，结果如下表;
无水情况下频率
1阶详见图4.1,2阶详见图4.2
通过经验公式折算得出有水情况下频率
有水情况下频率
注：取前五阶判断，单位Hz
水的惯性质量对频率影响
注：影响百分比=（有水-无水）/无水X100%
图4.1灯泡体左右振动（无水1阶）
图4.2灯泡体前后振动（无水2
阶）
计算表明，水的惯性质量对最终频率还是有很大的影响。由于水的阻尼作用，固有频率的值有所减小。
机组整体最低阶的固有频率出现在灯泡体左右振动的模态．考虑综合影响推算出的最低阶固有频率为6.025H Z，比激振频率4.765 H Z (额定转速乘转轮叶片数)高出
阶次固有频率振动模态
1 6.025 灯泡体左右振动
2 7.716 灯泡体前后振动
3 10.518 灯泡体上下振动
4 11.806 灯泡体上下振动
5 12.132 灯泡体左右振动阶次影响百分比振动模态
1 24.39% 灯泡体左右振动
2 15.3% 灯泡体前后振动
3 18.1% 灯泡体上下振动
4 13.9% 灯泡体上下振动
5 16% 灯泡体左右振动
很多，排除了机组发生整体共振的可能性。
5.结束语
综上所述，通过对该大型灯泡贯流式机组泡体整体结构在各种工况下的详细分析计算，可以看出，各个工况的应力和位移都满足设计标准和合同要求。
由此我们认为，该机组在刚度和强度方面是安全的，能够保证机组正常、可靠地运行。而且灯泡体和中间环的屈曲安全系数较高为5.9以上，机组在运行中不会导致屈曲失稳现象，同时机组没有整体共振的可能性。
【参考文献】
1.张明翻译自《透平机械》，1986，Vol.14 No.6 27-33
2. MSC.Patran User manual
3．MSC.Nastran User manual
【作者简介】
静力学分析报告
静力学分析报告 一、制作人员： 二、模型名称：桁架 三、创意来源： 四、模型视图： 五、模型简化
因为桁架本身由硬杆组成，所以简化结构 如下图所示，并求各点的受力情况。 假设桁架受到集中力G的影响 1以节点A为探究对象 m A F=0 F B Y?4?F?3=0 F B Y=0.75F F Y=0 F A Y+F B Y=0 F A Y=0.25F 2以节点B为探究对象 F12F13 B F B Y F Y=0 F13cos45°+F B Y=0 F13=?32 4 F F X=0 ?F13cos45°?F12=0 F12=?3 4 F
3以节点G为探究对象 F F10 G F11F13′ F Y=0 ?F13′cos45°?F?F11=0 F11=?0.25F F X=0 F13′cos45°?F10=0 F8=?0.75F 4以节点H为探究对象 F9F11′ F8 H F12′ F Y=0 F9cos45°+F11′=0 F9= 2 4 F F X=0 ?F9cos45°?F8+F12′=0 F8=0.5F 5以节点I为探究对象 F7 F6I F8′ F Y=0 F7=0
F X=0 ?F6+F8′=0 F6=0.5F 6以节点E为探究对象 F4E F10′ F5F7′F9′ F Y=0 F9′cos45°?F5cos45°=0 F5=2 F F X=0 ?F5cos45°+F9′cos45°?F4+F10′=0 F4=?0.25F 7以节点D为探究对象 F3F5′ F2 D F6′ F Y=0 F3+F5′cos45°=0 F3=1 4 F F X=0 F5′cos45°?F2+F6′=0 F4=0.25F 8以节点C为探究对象 C F4′
Z9直升机旋翼固有特性分析
第十八届（2002）全国直升机年会论文 Z9直升机旋翼固有特性分析 张亚军1向锦武2黄树春1 （1 哈尔滨飞机工业集团航空产品开发部 2 北京航空航天大学）摘要：本文根据Z9直升机旋翼频率匹配器的已有数据建立了一个线性分析 模型，给出了其刚度阻尼与振动频率的关系，在此基础上计算了操纵量和振 动频率对桨叶根部约束刚度和阻尼的影响。最后计算了旋翼的固有频率，为 保证桨叶振动频率与根部约束刚度相对应，本文采用了迭代法。 1 引言 谈到旋翼固有特性，就必然要分析桨叶根部的约束情况，而在直升机上广泛使用的粘弹减摆器是桨叶根部的约束的重要部件，粘弹减摆器的刚度特性对旋翼固有频率有着决定性的影响。它的阻尼特性则对旋翼颤振、直升机空中共振和直升机地面共振稳定性有着决定性的影响。因此，对粘弹减摆器刚度阻尼特性的分析就显得很重要。 国外对粘弹减摆器刚度阻尼特性进行了深入的分析，并把这些分析结果应用到直升机的稳定性分析上。 人造橡胶在直升机旋翼摆振阻尼器上的应用研究开始于上个世纪七十年代中期1，从那时起这种材料的刚度和阻尼的非线性特性引起了人们的注意。Felker F.等人进行了双频激励下的粘弹阻尼器的刚度阻尼特性试验2，根据试验结果给出了非线性经验公式，在时域上建立了阻尼器分析模型，这篇文章的另一个值得关注的做法是采用迭代
法计算桨叶响应和摆振模态阻尼，并把它用到Bell412的动力学分析上。Bir G.S.等人将Felker F.建立的模型加到UMARC中，采用有限元法对Bell412旋翼进行了气弹分析，分析中模拟了Bell412旋翼的多传力路径的结构特点，并探讨了旋翼转速、前进比和拉力水平对系统稳定性的影响3。 Gandgi F.等人给出了粘弹阻尼器的一个非线性分析模型4，即与Klevin链（弹簧和阻尼器的并联结构）串联的弹簧是非线性的，并研究了粘弹阻尼器的这一非线性分析模型对悬停时刚性桨叶直升机的气动机械稳定性和前飞状态旋翼摆振稳定性5的影响。前一个研究发现粘弹阻尼器使地面共振和悬停时的空中共振的后退型模态更稳定，在后一个研究中阻尼器稳态响应连同桨叶和机身的响应一同解出，用Floqent 原理判定在推进配平情况下旋翼的挥摆稳定性，这一研究发现摆振阻尼随桨盘载荷而下降和静态应变偏置对粘弹阻尼器的特性有影响。在发现粘弹阻尼器在小振幅时阻尼剧减的现象后，Gandgi F.改进了原有的分析模型6。 波音公司开发了一种摩擦阻尼器模型来模拟粘弹阻尼器，认为阻尼器弹簧力和阻尼力分别是线性化的存贮模量和损失因子的函数，这一模型被用于计算RAH-66的操纵品质和气动伺服弹性稳定性7。 近来一些关于粘弹阻尼器的研究则是建立在内摩擦位移场的基础上1,7,8，这种方法的物理意义比较明确，具有精确模拟材料特性的潜力，能够导出时域方程，并易于借助气弹分析中普遍采用的有限元法求解。Smith E.C.等人把这一方法应用在于直升机旋翼气弹响应响应和稳定性分析中1。 国内对直升机旋翼粘弹阻尼器的特性和它对旋翼的影响也进行了一些研究9-13，但
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《工程中的有限元方法》复习提纲 第1章引言 1.简要论述求解工程问题的一般方法和步骤； 图1-1 工程问题的一般求解步骤 2.简要论述有限元方法求解问题的一般步骤
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13.Serendipity单元和Lagrange矩形单元相比，其不同点在哪里？有什么优 点和缺点？ 14.提高有限元计算精度的三种方法是什么？进行简要的阐述。 15.等参变换中的Jacob矩阵有什么物理意义？其行列式又有什么几何意 义？ 16.什么是完全积分、减缩积分和选择积分？ 17.什么情况下会出现剪切自锁问题？如何解决这个问题？ 18.什么情况下会出现体积自锁问题？如何解决这个问题？ 19.为什么有时候需要采用减缩积分？减缩积分可能带来什么问题？如何解 决这个问题？ 第4章桁架结构有限元分析 20.给定一个微分方程，如何建立其等效积分形式和等效积分弱形式？二者 区别在哪里？为什么后者在数值分析中得到更多的应用？ 21.不同的加权余量法的区别在哪里？什么是加权余量法的伽辽金格式？ 22.自然边界条件和强制边界条件的区别是什么？为何这样命名？举例说明 在应力分析和温度场分析时自然边界条件和强制边界条件分别是什么？ 23.为什么基于最小势能原理的有限元解是下限解，即总体位移和真实值相 比偏小？ 24.会手工计算简单的一维杆件结构，如： 已知p、a、b、EA，用有限元计算两端反力及杆件应力：
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基于ANSYS 的重力坝三维静动态结构分析 目录 1 引言..................................................................... 1.. 2 工程概况................................................................. 1... 3 基本资料................................................................. 1... 3.1 反应谱............................................................ 1... 3.2 材料参数.......................................................... 2... 3.3 规范要求.......................................................... 2... 4 分析简介................................................................. 4... 4.1 分析模型.......................................................... 4... 4.2 边界条件.......................................................... 6... 4.3 荷载工况.......................................................... 6... 5 计算成果................................................................. 7... 5.1 工况一............................................................. 7... 5.2 工况二............................................................ 8... 5.3 工况三 1..0. 5.4 工况四 1..1. 5.5 工况五 1.. 2. 5.6 工况六 1..4. 5.7 结果总结及分析 1..5 6 结论及建议 1..7. 7 分析命令流 1..7.
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第16卷 第3期应用力学学报V o l.16 N o.3 1999年9月CH INESE JOURNAL OF APPL IED M ECHAN I CS Sep.1999 汽轮机叶片静态和动态应力的三维有限元分析Ξ 谢永慧 王乐天 袁 奇 孟庆集 (西安交通大学 西安 710049) 摘 要 提出了一种三维实体混合单元模型来分析汽轮机叶片静态和动态应力。考虑到转动叶片的刚性变化,静应力的计算采用了非线性方法,在分析叶片的动频后,应用 模态迭加法计算了叶片的响应,得到了叶片的动态应力。从文中的实际叶片算例可以 看出,所提供的分析模型可以精确直观地反映叶片的静态和动态应力状况,为工程中 实际叶片的固有频率和静动应力分析提供了强有力的工具。 关键词:叶片;应力;三维;有限元 1 前 言 叶片在汽轮机中承担着把蒸汽等的热能转化为机械能的重要任务,是汽轮机中最重要的零部件之一。叶片在运行时,不但承受着稳态的离心力和气流力,还承受着由于气流不均匀性引起的激振力的作用,叶片事故时有发生,约占汽轮机事故的40%,叶片事故引起的损失往往占汽轮机事故损失的一半左右[1]。这就使得如何评价汽轮机叶片的安全性十分重要,稳态载荷(离心力和稳态气流力)产生的静态应力和动态载荷(激振力)产生的动应力是分析叶片安全性的基础,在这方面,国内外曾有人用二维有限元方法对叶根和用厚壳单元及扭曲梁单元对型线部分进行分析,但由于分析模型离真实叶片尚存在一些差距,因此有其局限性。 针对以上情况,本文采用三维实体混合单元模型来分析叶片的静应力、动频和动应力。在静应力分析中,考虑到转动叶片的刚性变化,采用了非线性计算方法。最后用这一模型分析了一个实际680mm叶片的静态应力、动频和动应力,提供了叶片的应力等值线图和振动的振型图。计算结果表明所建立的模型是精确、合理的。 2 汽轮机叶片静态和动态应力分析模型及计算方法 211 叶片计算的三维有限单元 线性八节点协调单元[2]由于简单并且计算量少,因而应用比较广泛。但是这种单元在承受Ξ来稿日期:1997206219;修回日期:1998205225
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匮困～一～ 毪相设计中的有限元分析需求 ——Ａｂａｑｕｓ在航空工业中的应用 ■ＳｌＭＵＬＩＡ公司北京代表处赵友选 随着计算机技术的进步和有限元计算方法的日益完善，使 得有限元技术对飞机结构进行分析具有很大的优越性。Ａｂａｑｕｓ软 件是一个功能强大灵活的模拟工程的有限元软件，其解决问题的 范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题以及多物理 场耦合问题，完全能满足飞机设计中对有限元分析的需求。 飞机总体设计中的应用 在飞行器总体设计分析中要考虑的问题有：频率和振型，线 性和非线性静态和瞬态应力，失稳分析，飞鸟和飞机的撞击，总 体气动性能，飞机．发动机的气动匹配，军用飞机的雷达反射特性以及红外辐射特性等。 Ａｂａｑｕｓ强大的动力分析功能可以快速地进行模态和振型计算。Ａｂａｑｕｓ可考虑多种因素对模态和振型的影响．可以准确地计算出飞行器在各种条件下的模态和振型。 通常，飞机机身有大量的连接．如铆接／焊接／粘结等结构．这些结构的处理是总体分析中极为重要但又难以处理的问题，Ａｂａｑｕｓ为处理各种连接结构提供了方便的功能，如网格无关的焊接定义和粘接单元等。同时Ａｂａｑｕｓ／Ｅｘｐｌｉｃｉｔ为机身在振动、冲击等作用下的动力响应分析提供了有效的分析手段。一方面软件自身提供了铆接、焊接、粘结等各种功能；另一方面显示求解方法在振动等瞬态分析中容易处理复杂的接触问题等因素。 全机静强度分析 ６２．中国制造业信息化２００８年１０月全机模态分析 飞机各子系统中的应用 机身 飞机机身结构，都是典型的薄壁结构，一般是由蒙皮，隔框．长珩等组成．承受的主要载荷有：气动载荷，惯性载荷．地面载荷．动力装置载荷以及其他载荷。 机身骨架由梁组成，在传统的有限元软件中，梁单元的断面参数定义．模型检查．结果表示非常不方便。而Ａｂａｑｕｓ前处理内置多种标准梁断面库，并允许用户自定义不规则断面形状库，使繁琐的梁断面参数定义变得简单、方便。 Ａｂａｑｕｓ强大而方便的建模及载荷处理功能，丰富的梁单元．杆单元．壳单元．三维实体单元，可方便，准确地对机身进行静力分析，动力响应分析（模态．颤振等）．失稳分析、损伤容限分析。 Ａｂａｑｕｓ的热～结构耦合分析功能可以对机身进行温度场计算以及热应力和热变形计算。 对机身的连接件还可以运用Ａｂａｑｕｓ的非线性功能进行塑性和接触等非线性分析。 某航空公司利用ＣＡＴＩＡ几何模型，直接在ＣＡＴＩＡ环境中通过Ａｂａｑｕｓ／ＡＦＣ．构建结构的仿真分析模型。这样仿真分析模型和几何体之间实现关联．几何模型的修改将直接反映到仿真模型的变化。再利用ＡＦＣ为结构添加复合材料．构建复杂的接触非线 性模型。同时，利用Ａｂａｑｕｓ的非线性功能，对结构进行求解，可 万方数据
ANSYS有限元分析二维静态磁场仿真
一周总结报告 一、ANSYS学习 1.学习情况 目前正在边看书籍边操作ANSYS系统，已经了解了ANSYS的基本操作系统以及ANSYS 分析过程的三大步骤，大体上知道了它的整个工作流程。目前正在深入仔细学习每一部分的详细步骤。现在已经学习了ANSYS有限元分析典型步骤、实体建模、网格划分、创建有限元模型，正在学习加载和求解这一部分。 2.理论知识 (1)网格划分与创建有限元模型 ①设置单元属性，包括： a.选择单元类型，如常用的有PLANE13，PLANE53，INFIN110；在Element Type中设 置； b.设置单元实常数，如线圈横截面积、匝数、导体填充率等； c.设置材料属性，如泊松比、材料密等； d.设置单元坐标系统。 ②通过网格划分工具设置网格划分属性包括： a.单元属性分配设置，作用是在网格划分之前为模型(包括实体和有限元模型)分配单元属性； b.智能划分水平控制； c.单元尺寸控制，单元尺寸的意思是单元边的长度。 ③实体模型的划分 ANSYS有两种方式对实体模型进行网格划分。 映射网格划分方法：最大特点就是必须使用形状规则的单元划分，对于面对象必须使用三角形单元或四边形单元，对于体对象只能使用六面体单元。故划分对象必须形状规则。不是任何形状的对象都能用映射网格划分。 (2)加载和求解 有限元分析的主要目的在于得到系统在特定激励源和边界条件下的响应。这些激励以及边界条件统称为载荷。所以载荷包括边界条件和激励。磁场分析中常见的载荷有磁势、磁通量边界条件等。 载荷分为六大类：自由度约束、集中力载荷、面载荷、体载荷、惯性载荷以及耦合场载荷。关于载荷步、子步和平衡迭代，通过阅读理论知识自己的理解的总结是：一个实际加载过程需要多次施加不同的载荷才能满足要求，每一步就称为一个载荷步。一个载荷步可以通过多个子步来逐渐施加。平衡迭代用于考虑收敛的非线性分析。 3.仿真结果 目前按照教程的步骤将ANSYS从建立模型到加载求解再到查看后处理器的整个分析过程大体操作了一遍，目的就是先通过简单模型熟练ANSYS的整体操作。最终的分析结果如图所示。 4.下周计划 (1)学习ANSYS通用后处理器以及时间历程后处理器； (2)目前只是跟着书上的步骤可以进行操作，还得进一步熟练； (3)目前主要是用GUI方式进行，下一步要更加熟练使用命令流的操作方式。
线性静力学分析实例
学号：p1******* 姓名：朱四海 线性静力学分析实例 1.1 问题的描述 一部件结构如图1-1所示，一端面受固定约束，另一端A、B两点受相反方向切向力，求受载后的Mises应力、位移分布。 ν 材料性质：弹性模量E=2e5，泊松比3.0 = 图1-1 部件模型 1.2 启动ABAQUS 启动ABAQUS有两种方法，用户可以任选一种。 （1）在Windows操作系统中单击“开始”--“程序”--ABAQUS 6.10 -- ABAQUS/CAE。 （2）在操作系统的DOS窗口中输入命令：abaqus cae。 启动ABAQUS/CAE后，在出现的Start Section（开始任务）对话框中选择Create Model Database。 1.3 创建部件 在ABAQUS/CAE顶部的环境栏中，可以看到模块列表：Module：Part，这表示当前处在Part（部件）模块，在这个模块中可以定义模型各部分的几何形体。可以参照下面步骤创建部件的几何模型。 （1）创建部件。对于如上图1-1所示的部件模型，可以先画出二维截面，再通过拉伸得到。步骤如下：
单击左侧工具区中的（Create Part）按钮，或者在主菜单里面选择Part--Create，弹出如图1-2所示的Create Part对话框。 图1-2 Create Part对话框 在Name（部件名称）后面输入ep2，Modeling Space（模型所在空间）设为3D，Shape选择Solid（实体），Type采用默认的Extrusion，在Approximate size里面输入600。单击Continue...按钮。 （2）绘制部件二维截面图。ABAQUS/CAE自动进入绘图环境，左侧的工具区显示出绘图工具按钮，视图区内显示栅格，视图区正中两条相互垂直的点划线即当前二维区域的X轴和Y轴。二者相交于坐标原点。 选择绘图工具箱中的工具，窗口提示区显示Pick a center point for the circle--or enter X,Y（选择一个中心点的圆，或输入X,Y的坐标），如图1-3所示。 图1-3 输入圆心坐标 输入圆上任意点坐标为（0,50），回车，第一个圆形就画出来了。继续画第二个圆，圆心坐标为（0,0），圆上任意一点（0,40）。
国内外主要有限元分析软件比较
有限元分析是对于结构力学分析迅速发展起来的一种现代计算方法。它是50年代首先在连续体力学领域--飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析方法，随后很快广泛的应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。有限元分析软件目前最流行的有：ANSYS、ADINA、ABAQUS、MSC四个比较知名比较大的公司。 常见软件 有限元分析软件目前最流行的有：ANSYS、ADINA、ABAQUS、MSC四个比较知名比较大的公司，其中ADINA、ABAQUS在非线性分析方面有较强的能力目前是业内最认可的两款有限元分析软件，ANSYS、MSC进入中国比较早所以在国内知名度高应用广泛。目前在多物理场耦合方面几大公司都可以做到结构、流体、热的耦合分析，但是除ADINA以外其它三个必须与别的软件搭配进行迭代分析，唯一能做到真正流固耦合的软件只有ADINA。 软件对比 ANSYS是商业化比较早的一个软件，目前公司收购了很多其他软件在旗下。ABAQUS 专注结构分析目前没有流体模块。MSC是比较老的一款软件目前更新速度比较慢。ADINA 是在同一体系下开发有结构、流体、热分析的一款软件，功能强大但进入中国时间比较晚市场还没有完全铺开。 结构分析能力排名：1、ABAQUS、ADINA、MSC、ANSYS 流体分析能力排名：1、ANSYS、ADINA、MSC、ABAQUS 耦合分析能力排名：1、ADINA、ANSYS、MSC、ABAQUS 性价比排名：最好的是ADINA，其次ABAQUS、再次ANSYS、最后MSC ABAQUS软件与ANSYS软件的对比分析 1．在世界范围内的知名度 两种软件同为国际知名的有限元分析软件，在世界范围内具有各自广泛的用户群。ANSYS 软件在致力于线性分析的用户中具有很好的声誉，它在计算机资源的利用，用户界面开发等方面也做出了较大的贡献。ABAQUS软件则致力于更复杂和深入的工程问题，其强大的非线性分析功能在设计和研究的高端用户群中得到了广泛的认可。 由于ANSYS产品进入中国市场早于ABAQUS，并且在五年前ANSYS的界面是当时最好的界面之一，所以在中国，ANSYS软件在用户数量和市场推广度方面要高于ABAQUS。但随着ABAQUS北京办事处的成立，ABAQUS软件的用户数目和市场占有率正在大幅度和稳步提高，并可望在今后的几年内赶上和超过ANSYS。 2．应用领域
有限元法及其在工程中的应用
机械与汽车学院 曹国强 主要内容： 1、有限元法的基本思想。 2、结构力学模型的简化和结构离散化。 3、有限元法的实施过程。 一、有限元法的基本思想 有限元法是随着计算机的发展而发展起来的一种有效的数值方法。其基本思想是：将连续的结构分割成数目有限的小单元体（称为单元），这些小单元体彼此之间只在数目有限的指定点（称为节点）上相互连接。用这些小单元体组成的集合体来代替原来的连续结构。再把每个小单元体上实际作用的外载荷按弹性力学中的虚功等效原理分配到单元的节点上，构成等效节点力，并按结构实际约束情况决定受约束节点的约束。这一过程称为结构的离散化。其次，对每个小单元体选择一个简单的函数来近似地表示其位移分量的分布规律，并按弹性力学中的变分原理建立起单元节点力和节点位移之间的关系（单元刚度方程），最后，把全部单元的节点力和节点位移之间的关系组集起来，就得到了一组以结构节点位移为未知量的代数方程组（总体刚度方程），同时考虑结构的约束情况，消去那些结构节点位移为零的方程，再由最后的代数方程组就可求得结构上有限个离散节点的各位移分量。求得了结构上各节点的位移分量之后，即可按单元的几何方程和物理方程求得各单元的应变和应力分量。 有限元法的实质就是把具有无限个自由度的连续体，理想化为有限个自由度的单元的集合体，使问题简化为适合于数值解法的结构型问题。 经典解法（解析法）与有限元法的区别 解析法 { } 建立一个描述连续体性质的偏微分方程组 有限元解法 连续体 数目增加到∞ 大小趋于0 微元 有限元 离散化 （单元分析）集合 总体分析 求得近似解
二、结构力学模型的简化和结构离散化 （一）结构力学模型的简化 用有限元法研究实际工程结构问题时，首先要从工程实际问题中抽象出力学模型，即要对实际问题的边界条件、约束条件和外载荷进行简化，这种简化应尽可能地反映实际情况，不至于使简化后的解答与实际差别过大，但也不要带来计算上的过分复杂，在力学模型的简化过程中，必须判断实际结构的问题类型，是二维问题还是三维问题。如果是平面问题，是平面应力问题，还是平面应变问题。同时还要搞清楚结构是否对称，外载荷大小和作用位置，结构的几何尺寸和力学参数（弹性模量E、波松比μ等）。 （二）结构的离散化 将已经简化好的结构力学模型划分成只在一些节点连续的有限个单元，把每个单元看成是一个连续的小单元体，各单元之间只在一些点上互相联结，这些点称作节点，每个单元体称为一个单元。用只在节点处连接的单元的集合体代替原来的连续结构，把外载荷按虚功等效原理移置到有关受载的节点上，构成节点载荷，把连续结构进行这样分割的过程称为结构的离散化。现举例说明。 设一平面薄板，中间有一个园孔，其左端固定，右端受面力载荷q，试对其进行有限元分割和力学模型简化。
橡胶件的静、动态特性及有限元分析
橡胶件的静、动态特性及有限元分析 北方交通大学 硕士学位论文 橡胶件的静、动态特性及有限元分析 姓名：郑明军 申请学位级别：硕士 专业：车辆工程 指导教师：谢基龙 2002.2.1 file:///E|/Material/new download/Y476948/Paper/pdf/fm.htm2007-7-3 11:31:00
目录 文摘 英文文摘 第一章绪论 1.1引言 1.2选题背景 1.3本论文的主要研究内容第二章橡胶类材料的本构关系 2.1引言 2.2橡胶材料的本构关系2.2.1橡胶材料的统计理论2.2.2橡胶材料的唯象理论2.3橡胶材料的应力应变关系2.4小结 第三章非线性橡胶材料的有限单元法 3.1引言 3.2非线性橡胶材料的罚有限元法3.3非线性橡胶材料的混合有限元法3.4非线性橡胶材料的杂交有限元法 3.5ANSYS软件的非线性有限元分析方法3.6小结 第四章橡胶材料常数的研究 4.1引言 4.2测定橡胶材料常数的实验方法 4.3 Mooney-Rivlin型橡胶材料常数C1和C2的测定4.4橡胶硬度对Mooney-Rivlin型橡胶材料常数的影响 4.4.1橡胶硬度与弹性模量的关系4.4.2橡胶柱的压缩试验 4.4.3橡胶柱的有限元分析 4.4.4橡胶支座的有限元分析 4.4.5不同硬度下橡胶材料常数C1和C2的确定5小结 第五章橡胶夹层的断裂分析 5.1引言 5.2双悬臂橡胶夹层梁的有限元分析5.2.1试验研究 5.2.2有限元分析 5.2.3计算结果分析 5.3双悬臂橡胶夹层梁的断裂力学分析5.3.1双悬臂橡胶夹层梁界面J积分5.3.2双悬臂橡胶夹层梁应变能释放率G 5.3.3双悬臂橡胶夹层梁的断裂力学分析5.4双剪切橡胶夹层的有限元分析 5.5双剪切橡胶夹层的断裂力学分析 5.5.1双剪切橡胶夹层界面断裂韧性 5.5.2双剪切橡胶夹层的断裂力学分析 6小结 第六章橡胶弹性车轮动态特性分析 6.1引言 6.2橡胶弹性车轮的特点 6.3橡胶弹性车轮的结构 6.4橡胶弹性车轮的有限元分析6.4.1橡胶弹性车轮的有限元分析 6.4.2橡胶弹性车轮的减振效果 6.4.3橡胶硬度对弹性车轮动态特性的影响6.5小结 第七章结论 7.1橡胶材料常数的研究 7.2橡胶夹层的断裂分析 7.3橡胶弹性车轮动态特性分析 参考文献 致谢
齿轮动态啮合有限元分析
齿轮动态啮合有限元分析 作者：陕西法士特齿轮有限公司孙春艳郭君宝 齿轮传动是机械传动中最重要、应用最广泛的一种传动。通常齿轮安装于轴上并通过键连接，转矩从驱动轴经键、齿轮体和轮齿最终传递到从动轮的齿轮。在这一过程中，齿轮承受应力作用。另外，为了润滑齿轮传动与减少齿轮传动时产生的热量，通常在齿轮轮体上开设润滑油孔(图1)。油孔的开设位置将影响齿轮的应力及其分布，进而影响齿轮疲劳寿命。 图1中的齿轮A在实际使用过程中，经常发生油孔附近轮齿断裂的现象。本文的目的在于计算齿轮动态啮合过程的应力分布，得到齿轮轮齿根部应力及接触应力的分布情况，从而为齿轮的结构优化提供理论依据。 传动齿轮在工作中速度高，所受载荷大，引起的应力情况复杂。传统的齿轮强度分析是建立在经验公式基础上的，其局限性和不确定性日益突出。有限元方法在齿轮仿真分析中的应用，提高了齿轮设计计算精度。目前，轮齿接触有限元分析多建立在静力分析基础上，未考虑动力因素的影响。而在齿轮轮齿啮合过程中，动力因素对轮齿的受力和变形状态会产生较大的影响，尤其在轮齿啮入和啮出时，由于轮齿受力变形，会产生较大的啮合冲击。本文应用参数化方法首先建立齿轮轮齿的精确几何模型，然后采用动力接触有限元方法，对齿轮轮齿啮合过程中的应力变化情况进行仿真分析，得到轮齿应力在啮合过程中随时间的变化情况。 本文主要针对图1中的齿轮A和与其配对齿轮在运转过程中的应力变化情况进行有限元分析。其主要参数为：主动齿轮齿数20，从动齿轮齿数19，模数4.5，压力角为20°，齿宽为23mm，从动齿轮上所受扭矩为400N·m。
如图2 所示，首先利用Pro/ENGINEER软件建立四齿对啮合的齿轮轮齿几何模型。这是因为，对于重合度大于1的齿轮副，需要考虑几对轮齿同时啮合的情况，建立多对轮齿的几何模型，在此基础上划分有限元网格，如图3所示。由于轮齿接触区域很小，需要对接触齿面的有限元网格加密。边界条件为约束齿轮内圈表面节点的径向和轴向位移，只保留沿轴向的转动自由度。在主动齿轮上施加轴向的角速度载荷，在从动齿轮上施加扭矩负载，然后应用显式非线性动力有限元方法进行求解。对于动力接触这种非线性问题，可采用拉格朗日增量描述法。设质点在初始时刻的坐标为Xi，任意时刻t，该质点坐标为xi，质点运动方程为：xi=xi(Xi,t), i=1,2,3。结合动量方程、质量守恒方程和能量方程，并考虑沙漏效应和阻尼影响，得到总体运动方程： 其中M为集中质量矩阵;P为总体载荷矢量;F为单元应力场的等效节点力矢量组集而成; H 为总体结构沙漏粘性阻尼矩阵;为总体节点加速度矢量; C为阻尼矩阵。对总体运动方程采用显式时间积分法求解。本文采用ABAQUS 有限元分析软件对上述模型进行有限元分析，得到该对齿轮的一对轮齿啮合全过程，及Von Mises应力变化，如图4 所示。
Catia静态有限元分析指南
Catia静态有限元分析指南 注意：在进行有限元分析之前，必须赋予零件材质属性。 切换到GPS模块时出现的对话框说明如下： 缺省情况下，CATIA会自动计算并为每个零件赋予网格特性。 网格特征可以删除和添加。 一、模型管理 创建四面体网格，用于3D体单元网格划分。 创建2D面网格，用于面和板壳单元网格划分。 创建1D网格，用于线和梁单元网格划分。 修改局部网格大小，达到网格划分不同密度的需要。 修改网格类型，分为线性和非线性两种。 创建局部网格塌陷。 创建实体特性，缺省情况下，CATIA自动为part赋予实体特性。 创建壳单元特性。 创建梁单元特性，分为以下几种： 圆柱，参数R。
管状，参数R i和R o。 矩形，参数H和L。 匣形，参数L i、L e、H i和H e。 U形梁，参数H、L和T。 I形梁，参数H、L、T l和T h。 T形梁，参数H、L、T h和T l。 X形梁，参数H、L、T h和T l。用户自定义的梁。 输入梁的参数数值。 创建导入的梁特性。
检查模型，可以检查特性、连接和网格等方面，建议在进行计算之前进行模型的检查。 二、网格规范 创建适应性框，来修改网格规格。 三、群组 群组功能可以使你生成一组点、线、面和体的映像，方便操作。 群组点。 群组线。 群组面。 群组体。 四、连接特性 创建滑动连接，在共同的接触面上，垂线方向上两个体扣紧，切线方向上可以相互滑动。 创建接触连接，防止体在彼此共同接触面上分离。 创建扣紧连接，使体在共同面上扣紧。 创建压力装配连接，防止体在彼此共同接触面上分离。 创建螺钉固定连接，防止体在彼此共同接触面上分离。 创建刚性连接，在体之间的共有边界上创建硬性的紧扣连接，表现就好像共有面见具有无穷的刚性。 创建柔性连接，在体之间的共有边界上创建紧扣连接，表现好像它们之间是柔软的。 创建虚拟刚性螺钉连接，只考虑使用螺钉装配式的拉紧压力，而不包括螺钉。 创建虚拟柔性螺钉连接，在一装配系统中指定边界作用。 自定义间隔连接，在一定的距离之内，指定单元的类型和关联特性。 创建点焊连接，在两体之间创建焊点连接。 创建焊缝连接，在两体之间创建焊缝连接。 五、虚拟零件 虚拟零件是创建的一种没有几何体支持的结构，在单个零件或装配的结构分析中具有很大的作用。虚拟零件常用做在一定距离上传递作用效果，这样它们可以被认为是刚性体，除了那
工程有限元实例分析
溜槽挡板槽帮的有限元分析 摘要：本文根据刮板输送机溜槽在煤矿井下推溜工况下时的受力情况，对溜槽挡板槽帮建立力学模型。根据计算得溜槽挡板槽帮最大的载荷值及其作用部位，结合Solidworks和ABAQUS软件强大的CAD/CAE功能建立挡板槽帮的实体模型并对其进行有限元分析。根据溜槽在井下的实际工作情况，重点分析挡板槽帮的凹、凸端头和推移耳这三个部位的强度。通过有限元分析，明确挡板槽帮在实际工作中易损部位，并为槽帮的焊接制造提供建设性建议。 关键词：刮板输送机；溜槽挡板槽帮；ABAQUS有限元分析 Chute Baffle Slot for Finite Element Analysis Abstract: In this paper, according to the stress situation of scraper conveyor chute in coal mine underground pushing conditions, establishing the mechanical model of chute baffle slot. Based on the calculation of chute baffle groove for maximum load value and its location, solid and finite element analysis model is established for the baffle slot combining with SolidWorks and ABAQUS software with powerful function of CAD/CAE. In the light of the chute's actual working situation in the mine, taking the strength analysis for baffle of concave convex end and passes the ear of the three parts as emphasis. By the finite element analysis, the baffle vulnerable in practical work site can be clear, so as to help the groove welding manufacturing provide constructive advices. Key words: scraper conveyor; baffle; ABAQUS finite element analysis
工程数值方法与有限元分析
工程数值方法与有限元分析 （机械工程学院机械类专业） 课程号： 周学时：4 学分：3 课程类别： 预修课程：高等数学，线性代数，力学基础课 面向对象：机械类专业学生 教学方式：多媒体教学 教学目的和教学要求： 在科学研究与工程技术中，经常遇到数学模型的求解问题。然而在许多情况下，要获得模型问题的准确解往往是十分困难的，甚至是不可能的。因此，研究各种数学问题的近似解法非常必要。计算方法是一门与计算机应用密切结合的实用性很强的课程，它专门研究各种数学问题的一类近似解法，从一组原始数据出发，按照确定的运算规则进行有限步运算，最终获得问题的数值形式且满足精度要求的近似解。 通过对《计算方法》的学习，掌握数值计算的基本概念和基本理论，深入理解方法的设计原理与处理问题的技巧，重视误差分析与收敛性、数值稳定性，注重利用计算机进行科学计算能力的培养,并熟练掌握Matlab 软件,会用Matlab实现各种计算方法。 在此基础上进一步学习数值计算的集大成者-有限元方法, 了解有限元方法的基础知识及其在机械、机械电子领域中的应用，掌握有限元方法的基本原理与分析过程，包括静力学、动力学、非线性力学、热场、电磁场等的建模及分析。学生可使用有限元软件进行机械零件及系统的实例分析，并对分析结果进行评价，指导和优化机械零件及系统的设计。本课程面向机械电子专业及机械类相关专业的高年级本科生 课程简介： 内容主要包括：计算机上常用的数值计算方法以及有关的基本概念与理论，主要有误差、非线性方程求根、线性代数方程组的解法、插值与拟合、数值微分与数值积分、常微分方程初值问题的数值解法。并且算法面向计算机，注重培养学生运用计算机进行科学计算解决工程问题的能力。并熟练掌握Matlab 软件，会用Matlab实现各种计算方法。 有限元的分析与建模是一个机械工程师必须掌握的方法和技能。本课程为机械类专业的高年级学生核心课，使学生了解有限元方法的基本概念和基本理论，掌握有限元分析的基本处理方法，熟悉常用有限元分析软件在实际工程中的应用，最终培养学生在机械设计、机电系统设计中能有效的应用有限元方法。 主要内容及学时分配： 每周4学时，共16周 主要内容： ( O ) 绪论1学时 (一)误差2学时
SOLIDWORKS Simulation 动态有限元分析视频教程
SolidWorks Simulation动态有限元分析视频教程第一章一根弯管的振动 1、介绍动态分析及频率的相关理论概念 2、理解静态和动态方法的区别，并学会选用算例 3、定义并完成一个基础的动力学瞬态分析 4、理解模态分析方法的基础 第二章基于标准MILS-STD-810F的瞬态振动分析 1、定义瞬态动力学算例 2、了解阻尼与相关的理论概念，并理解模态时间历史算例 中的时间步长 3、基于标准MILS-STD-810F确定加载参数 4、从动态分析中后处理结果 5、使用远程质量特征简化模型 第三章支架的谐波分析 1、谐波分析的概念 2、分析外部载荷随频率变化的模型 3、完成谐波分析 第四章响应波谱分析 1、响应波谱的概念 2、分析物体在波谱形式载荷作用下的最大响应 3、运行响应波谱分析 第五章 Ipad支架的随机振动分析 1、运行随机振动分析 2、随机振动的相关概念 3、理解随机振动分析的输入和输出 第六章包含碰撞的非线性动态分析1、执行一个碰撞挤压的非线性动态分析 2、在算例中引入初始条件的设置 3、使用塑性Von Mises材料模型，模拟动态分析中材料的 非线性行为 4、理解非线性动态分析的结果 第七章自行车架的线性与非线性动态分析 1、运行非线性动态分析 2、比较线性动态分析和非线性动态分析 3、理解何时需要非线性动态分析 4、使用瑞利阻尼 第八章基于谐波载荷的疲劳分析 1、运行谐波响应分析计算结构应力 2、使用谐波响应分析的结果执行谐波载荷疲劳分析 第九章车轮动态弯曲疲劳分析 1、理解相关试验标准要求 2、建立合理的分析模型 3、通过动态分析找出最危险载荷方向 4、执行静强度分析计算结构强度 5、使用疲劳分析评估结构耐久性 第十章机台振动变形分析 1、简化模型，压缩不必要的零部件 2、使用“分布质量”包含零部件质量效应 3、列举“质量参与”信息 4、定义速度激发条件 5、生成位移响应响应图解 技术交流QQ群：474293508 个人QQ：285037033 视频观看地址：优酷网搜索“仿真Show”账号
048_用有限元方法计算电准静态场
2006年用户年会论文 用有限元方法计算电准静态场 石磊，金大志，唐平瀛 （中国工程物理研究院电子工程研究所，四川绵阳，621900） [ 摘要 ] 本文介绍了电准静态场EQS(Electric Quasi-Static)的控制方程，用通用的大型有限元软件ANSYS计算电准静态场的方法。通过典型的时谐场和暂态场例题，显示理论分析和数值计算 结果完全符合，可以用到实际的工程问题。 [ 关键词]电准静态，有限元 ,ANSYS Computation of Quasi-Static Electric Fields with Fea SHI Lei, JIN Da-zhi,TANG Ping-ying (Institute of Electronic Engineering, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900, China) [ Abstract ] The controlled equation of Electric Quasi-Static is described. An application of software ANSYS with FEA to the computation of quasi-static electric fields for systems with perfectly conducting and lossy components is presented. This method shows good agreement between numerical and analytical calculations for benchmark model, and has been effectively applied to partical problems. [ Keyword ] EQS,FEA,ANSYS 1前言 电场强度的计算是高压绝缘设计中必不可少和极为重要的一部分，只考虑介质电导σ的恒流场计算和只考虑绝缘介质介电常数ε的静电场计算早已为人们熟悉[1]。然而实际的绝缘介质总是有一定的电导，特别是人为的通过一层薄的半导电层来调整绝缘子表面的电 位分布[2]，这时电导σ和介电常数ε共同起作用，单纯用恒流场或静电场计算已无能为力，必须采用准静态电场的计算方法。 2控制方程和计算方法 2.1电准静态场控制方程