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1、弹性力学与有限元法扳手有限元分析扳手有限元分析摘要 运用 ANSYS 软件中参数化语言设计与蒙特卡罗法相结合的随机有限元法，以扳手为研究对象,选择扳手的多种设计参数和作用载荷为随机变量,在假定的统计分布情况下进行扳手的强度可靠性分析。运用增量求解的非线性有限元分析方法，采用扩展的拉格朗日算法和库仑摩擦模型计算扳手中的摩擦接触问题，得到了扳手应力应变精确的数值解，通过分析发现该产品应力应变不均布，存在应力集中区域，而其余不少区域应力和应变较小，材料富余。应用 UG NX 对扳手进行三维建模，基于 ANSYS 有限元分析平台下显示静力学模块（Static Structural）建立扳手静力学模型，
2、对扳手进行应力分析和变形量分析。经分析计算，找出设计结构齿根断裂破坏原因，从而对原结构进行改进。1关键词：关键词：扳手；有限元法；ANSYS；引言引言扳手是一种常用的安装与拆卸工具，是利用杠杆原理拧转螺栓、螺钉、螺母和其他螺纹紧持螺栓或螺母的开口或套孔固件的手工工具。扳手通常用碳素或合金材料的结构钢制造。蒙特卡罗法亦称统计模拟方法，是 Metropolis 在第二次世界大战期间提出的用于研究与原子弹有关的中子输运过程的一种方法。该方法目前已经广泛应用于多种学科对随机过程的统计模拟，如计量过程中不确定度的评定和分析、高等数学中数值积分和规划问题的求解、实验探测器的模拟以及数值分析、工程结构的可靠
3、性及灵敏度分析等。2采用蒙特卡罗法对大量的随机过程进行建模以及仿真模拟分析，可以使复杂的随机问题得到解决。特别是计算机的出现，通过计算机软件使大量繁琐运算通过计算机得以完成，大大提高了蒙特卡罗方法的应用范围和工作效率。31 1 扳手模型建立扳手模型建立在 UG NX 中建立扳手模型，UG NX 版本太高，ANSYS 不能直接识别其文件，需要另存为 Step 格式。图 1 在 UG NX 中绘制的扳手模型2 2 在在 ANSYS WorkbenchANSYS Workbench中建立工程文件中建立工程文件2.12.1 打开打开 Static StructuralStatic Structural
4、在 Geometry 中导入 Step 文件，打开 Model 选项。图 2 导入 ANSYS 中的扳手模型2.1.12.1.1 静力学理论计算静力学理论计算建立平衡微分方程和剪应力互等定理：zx+X=0 xyzxyyzy+Y=0 xyzxz+yz+z+Z=0yzxx+yx+（1）xy=yx，yz=zx=xz（2）zy，式中：x，y，z为 3 个正应力；xy,yz，zx为 3 个剪应力；X，Y，Z 为单位体积的体力。这样物体内任意一点处的应力状态可由 6 个独立的应力分量确定。在有限元法中，把一点的 6 个应力分量用应力列阵表示：=xyzxyyzzxT(3)式中：为应力；x，y，z为 3 个正
5、应力；xy,yz，zx为 3 个剪应力。在外力作用下，物体各点的位置将发生变化，即产生位移。如果物体各点发生位移后仍保持各点间的初始状态的相对位置，那么物体实际上只产生了刚体移动和转动，称这种位移为刚体位移。如果物体各点发生位移后改变了各点间的初始状态的相对位置，则物体就同时产生了形状的变化，称为该物体产生了形变。3 3 在在 ANSYSANSYS 中对扳手进行有限元分析中对扳手进行有限元分析3.13.1 网格划分的原则网格划分的原则对于有限元建模而言，划分网格是至关重要的一环，划分出来的网格形式将直接影响到计算的精度与规模，必需考虑以下方面来划分网格：4-103.1.13.1.1 网格数量网
6、格数量随着网格的数量加大，计算精度提升，计算规模加大，必需将这两方面的因素综合起来考虑，最终确定出合理的网格数量。确定网格数量的过程中，先要将数据类型纳入考虑的范畴。静力分析过程中，若只有计算结构发生变形，网格数量可适当少一点。若必需进行应力计算，即便是完全相同的精度下，网格数量也要适当多一些。一样的道理，响应计算过程中，对比位移响应而言，计算应力响应时所用的网格数量要更多一些。结构固有动力特性计算方面，低阶与高阶两种模态的计算对网格数量的要求各不相同，低阶模态需用到的网格数量可少一些，高阶模态则要多一些；热分析方面，结构内部温度梯度不大的，内部单元的数量没必要太多，网格数量可适当少一些。3.
7、1.23.1.2 网格疏密网格疏密指的是在结构的各个部位使用的网格大小各不相同。对于那些计算数据有着较大变化梯度的部位，网格要适当密集。对于那些计算数据没有太大变化梯度的部位，出于压缩模型规模的考虑，所使用的网格要适当稀疏一些。这种做法下，总体的结构就会呈现出疏密有致的网格划分。网格疏密度的划分主要用来展开应力分析，在固有特性的计算过程中，以均匀的网格形式居多。主要原因是：固有频率与振型是由结构质量与刚度的分布来决定的，不会出现应力集中的问题，均匀网格能保证结构刚度和质量这两个矩阵的元素不会出现很大的差异，能有效降低计算误差；结构温度场计算也比较适合这种均匀网格。3.1.33.1.3 单元阶次
8、单元阶次不少的单元都具备线性、二次与三次等多种形式，这当中，人们将二次、三次形式的单元命名为高阶单元；这种高阶单元与结构在曲线亦或是曲面边界上更加逼近，高次插值与复杂场二者的函数的逼近精度更高，鉴于此，对于那些没有规则结构形状的、应力分布与变形纷繁复杂的场合，高阶单元非常适用。不过，这种高阶单元存在很多的节点数，即便是网格数量完全一致，采用高阶单元构建而成的模型的规模会更大一些，所以，使用过程中必需从计算精度与时间这两个方面来考虑单元阶次。3.1.43.1.4 网格质量网格质量指的是网格几何形状的科学性。网格的质量将对计算的精度造成重大影响，网格的质量差到一定的程度，将产生计算中止的严重后果。
9、直观上来看，网格的每一个边或是每一个内角的差异都要比较小，面也没有发生过度的扭曲，边节点处于边界等分点附近，就是质量比较好的网格。可运用细长比、锥度比、内角等多个指标来衡量网格的质量。网格划分过程中，网格的质量必需合乎一些指标的特殊规定。对于那些结构关键部位，哪怕是出现极个别低质量的网格，也将引发巨大的局部误差。对于那些结构不是很重要的次要部位，允许将质量适当放低些。如果模型里面出现质量非常差的网格，就会致使计算中止，不能继续进行计算。3.1.53.1.5 网格布局网格布局划分网格时如果遇到形状对称的结构，必须将其分成对称网格，通过这种做法让模型呈现出对应的对称特征，布局的不对称将产生相应的误
10、差。如果是非对称结构则要保证不同区域之间网格的连续性。3.23.2 在在 ANSYSANSYS 中对扳手模型划分网格中对扳手模型划分网格ANSYS 默认划分的网格比较稀疏，需要进行网格属性设置。图 3 点击 Generate Mesh 后默认的网格Physics Preference 选择：“CFD”；Size Function 选择“Proximity and Curvature”；Min Size 选择“1.0mm”。图 4 设置网格属性后划分网格3.33.3 设置材料属性设置材料属性Material-Assignment 选择 Structural Steel。表表 1 1 扳手材料属性
11、参数扳手材料属性参数11名称弹性模量/GPa泊松比密度/kgm-37.85103扳手2100.33.43.4 对模型进行约束和加载对模型进行约束和加载3.4.13.4.1 对模型进行约束对模型进行约束Supports-Displacement，选定扳手与螺母接触的两个面，限制移动，X，Y，Z都设置位移 0.0mm。图 5 设置位移约束，固定扳手一端3.4.23.4.2 对扳手进行加载对扳手进行加载给扳手另一端施加载荷，Pressure，10.0MPa。图 6 施加载荷3.53.5 显示运行的结果显示运行的结果3.5.1 Total Deformation3.5.1 Total Deformat
12、ion图 7 Total Deformation,Show Elements图 8 Total Deformation,Show Undeformed WireFrame3.5.2 Equivalent Stress图 9 Equivalent Stress,Show Elements图 10 Equivalent Stress,Show Undeformed WireFrame3.5.3 Safety Factor3.5.3 Safety Factor图 11 Safety Factor,No WireFrame4 4 结论结论灵敏度分析结果表明，在各参数对强度可靠性的影响中，载荷 LOAD
13、 对扳手的应力影响最大，具有决定性的影响；手柄长度 LENGTH 影响其次；手柄宽度影响最小。参考文献参考文献1 任振锟,宋文学,彭琰举,赵浩甲.扭矩扳手的有限元仿真与优化J.机械制造,2019,57(02):16-20.2 王 浩,王 雪 峰,陈 林,包 佳 伟.多 功 能 攻 丝 扳 手 的 设 计 J.时 代 农机,2018,45(09):229-230.3 贾钟书,李民,刘建新,杜慧勇,徐斌.组合体应变的有限元分析与扭力扳手校核J.中国农机化学报,2016,37(05):62-65.4 赵排航,王克印,黄海英,陈玉昆.智能扭力扳手机械结构设计与优化J.煤矿机械,2015,36(11):
14、179-181.5 杨金平,于忠海.基于ANSYS/FE-SAFE的液压扳手连杆疲劳寿命仿真分析J.机械设计与制造工程,2015,44(02):35-37.6 王利明.特定构件有限元网格划分自动化系统D.山东大学,2017.7 杜平安有限元网格划分的基本原则 机械设计与制造，2000（）：34368 王瑞，陈海霞，王广峰 ANSYS 有限元网格划分浅析 天津工业大学学报，2002，21（4）:8119 刘海平SP 定宽机乳制过程的有限元模拟D秦皇岛：燕山大学，200310古成中，吴新跃有限元网格划分及发展趋势J.计算机科学与探索，2008，2(3):24825911苏 荣 球.基 于 蒙 特 卡 罗 法 的 扳 手 结 构 可 靠 性 分 析 J.梧 州 学 院 学报,2009,19(06):37-41.