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1、Y1 0 9 4 8 9 1分类号一删1 熙UDC密级公开编号一学位论文T H E S I SF O RD E G R E E太功率矿用减速器箍体傀他设赫作者捌宏梅申请学位级别一硒一专业名称一机撼趔造。臻菸自动缇一L I A O N I N GT E C H N I C A LU N I V E R S I T Y捅萎本文运用三维绘图软件P r o E N G I N E E R 建立了矿用减速器箱体的三维实体模型，并使用P r o E N G I N E E R 的二次开发功能对箱体进行了参数化设计的研究，实现了箱体的可视化。将三维实体模型进行合理的简化，通过P r o E N G I N
2、E E R 与有限元分析软件A N S Y S 的接口，将模型导入A N S Y S 中。运用A N S Y S 对箱体进行应力、位移分析，得到了箱体受力分布云图。以箱体的重量最小为目标函数，将A P D L 语言与A N S Y S 优化模块相结合，对减速器箱体的壁厚等参数进行了优化设计，使箱体的重量减少了2 6 4 6。还应用A N S Y S 对箱体进行了疲劳分析与模态分析。本文是将设计、建模、分析、优化于一体的研究，对箱体的设计效率和设计水平的提高具有重要意义。关键词：减速器箱体：有限元；优化设计；参数化设计：A P D L；A N S Y SA b s tr a c tT h et
3、h r e e-d i m e n s i o n a lp a r a m e t r i ce n t i t ym o d e lf o rg e a rb o xf o rm i n eu s ew a sb u l l i e da n dp a r a m e t e r i z e db yP r o e n g i n e e rs o f t w a r e T h o u g hc a r r y i n go u tP r o E N G I N E E R d e v e l o p，v i s u a l i z a t i o nh a v i n gb er e
4、a l i z e d b yu s i n gt h ec o n n e c t i o n sb e t w e e nP r o Ea n dA N S Y S，t h r e e d i m e n s i o n a le n t i t ym o d e lw a si m p o r t e di n t oA N S Y Sa f t e rs i m p l i f i e d T h es t r u c t u r eo fr e d u c t i o nc a s ew a sa n a l y z e db yA N A Y S T h ed i s p l a
5、c e m e n ta n ds t r e s sd i s t r i b u t i o nc a nb ea t t a i n e d T h er e d u c t i o nc a s e w a l lt h i c k n e s sw a so p t i m i z e db yO P Ta n dA N S Y SP a r a m e t r i cD e s i g nL a n g u a g et om a k ei t sm a s sm i n i m i z e d i t sm a s sw a sr e d u c e db y2 6 4 6 T
6、h eg e a rb o xw a sf a t i g u e da n dm o d a la n a l y z e d T h i sa r t i c l em e r g e st h ed e s i g n，m o d e lb u i l d i n g，a n a l y z i n g，o p t i m i z i n gi n t oa no r g a n i cw h o l e，w h i c hp o s s e s s e sa ni m p o r t a n tm e a n i n gt or a i s et h ed e s i g ns t a
7、 n d a r da n de f f i c i e n c yo ft h eg e a rb o x K e yW o r d s：R e d u c t i o nc a s e：F i n i t ee l e m e n t；P a r a m e t r i cD e s i g n；A P D L：A N S Y S创新点声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果：应用A N S Y S 优化设计模块及A P D L 语言相结合对矿用减速器箱体的结构参数进行了优化。尽我所知，到目前国内外文献未见报道。作者：割宏撞日期：2 Q Q 鱼：1 2
8、：2 垒辽宁1：程技术人学硕士学位论文第l 页1 绪论1 1 减速器的发展现状1 1 1 我国减速器的发展现状国内的减速器多以齿轮传动、蜗轮蜗杆传动为主，但普遍存在着功率与重量比小，或者传动比大而机械效率过低的问题。另外，材料品质和工艺水平上还有许多弱点。自2 0 世纪6 0 年代以来，我国先后制订了J B l】3 0 7 0 圆柱齿轮减速器等一批通用减速器的标淮，除主机厂自制配套使用外，还形成了一批减速器专业生产厂。目前，全国生产减速器的企业有数百家，年产通用减速器2 0 多万台左右，对发展我国的机械产品做出了贡献。6 0 年代开始生产的少齿差传动、摆线针轮传动、谐波传动等减速器具有传动比大
9、、体积小、机械效率高等优点。9 0 年代初期，国内出现的三环(齿轮)减速器，是一种外平动齿轮传动的减速器，它可实现较大的传动比，传递载荷的能力也大。它的体积和重量都比定轴齿轮减速器轻，结构简单，效率亦高。由于该减速器的三轴平行结构，故使功率1 本积(或重量)比值仍小。且其输入轴与输出轴不在同一轴线上，这在使用上有许多不便。北京理工大学研制成功的“内平动齿轮减速器“不仅具有三环减速器的优点，还有着大的功率重量(或体积)比值，以及输入轴和输出轴在同一轴线上的优点，处于国内领先地位。改革开放以来，我国引进一批先进加工装备，通过引进、消化、吸收国外先进技术和科研攻关，逐步掌握了各种高速和低速重载齿轮装
10、置的设计制造技术。材料和热处理质量及齿轮加工精度均有较大提高，通用圆柱齿轮的制造精度可从J B l 7 9 6 0 的8 9 级提高到G B l 0 0 9 5-8 8的6 级，高速齿轮的制造精度可稳定在4 5 级。部分减速器采用硬齿面后，体积和重量明显减小，承载能力、使用寿命、传动效率有了较大的提高，对节能和提高主机的总体水平起很大的作用。目静，我国自行设计制造的高速齿轮减速器的功率为4 2 0 0 0 K W，齿轮圆周速度1 5 0 m s。但是我国大多数减速器的技术水平还不高，老产品不可能立即被取代，新老产品并存过渡会经历一段较长的时间。辽j：l：程技术人学硕十学位论文第2 页1 1 2
11、 国外减速器的发展现状国外的减速器，以德国、丹麦和R 本处于领先地位，特别在材料和制造工艺方面占据优势，减速器工作可靠性好，使用寿命长。日本住友重工研制的F A 型高精度减速器、美国A l a n-N e w t o n 公司研制的X-Y 式减速器为目前先进的齿轮减速器。国外不断改进减速器齿轮材料品质，提高工艺水平、在传动原理和传动结构方面不断创新，平动齿轮传动原理的出现就是一例。减速器与电动机的连体结构，也是大力开拓的形式，并已生产多种结构形式和多种功率型号的产品。目前，超小型的减速器在医疗、生物工程、机器人等领域中，微型发动机已基本研制成功，美国和荷兰近期研制的分子发动机的尺寸在纳米级范围
12、。国外减速器的特点如下；承载能力大。国外著名公司产品样本的承载能力大致在同一条水平线上。以F L E N D E R 公司为例，同样(或基本接近)的中心距1 9 9 3 年样本的额定功率比1 9 9 8 年样本提高1 0 2 0，1 9 9 5 年和1 9 9 7 年样本又比1 9 9 3 年样本提高了约2 0，1 9 9 9 年样本又比1 9 9 7 年样本提高了约1 0。模块化设计。据1 9 9 6 年德国德雷斯顿国际齿轮会议的一份研究报告记载，生产齿轮联轴器外齿轴套的数量由1 个装置增加到2 0 个时，制造成本的变化为：小零件成本降低近9 0，中等零件成本降低近5 0。低噪声。许多国外公
13、司都是采用圆锥齿轮高精磨齿，通过齿轮修形，加大重合度，改进箱体结构的吸音设计等措施来降低噪声。高精度。美国h n d a n t e x 公司研制成功了一种高精度减速器，它能与低惯量、高转矩电动机相配合，以便实现快速加、减速。目前这种高精度减速器有5 种规格，减速器齿轮系统的输入转速达5 0 0 0 r m ir l，输入转矩为5 1 6 0 N m，单级减速比达1 0：l。1 2 减速器的发展趋势2 0 世纪7 0 年代术，世界减速器技术有了很大的发展。产品发展的总趋势是小型化、高速化、低噪声和高可靠性：技术发展中最引人注目的是硬齿面技术、功率分支技术和模块化技术。到8 0 年代，国外硬齿面
14、技术已经成熟。采用优质的合金钢锻件、渗碳淬火磨齿的硬齿面齿轮，精度不低于I S 0 1 3 2 8-1 9 7 5 的6 级，综合辽j j：程技术火学硕士学位论文第3 页承载能力为中硬齿面调质齿轮的3 4 倍，为软齿面齿轮的4 5 倍。一个中等规格的硬齿面减速器的重量仅为中硬齿面减速器的1 3 左右，且噪声低、效率高、可靠性高。功率分支技术主要用于行星及大功率双分支以及多分支装置，如中心传动的水泥磨主减速器，其核心技术是均载。对通用减速器而言，除普遍采用硬齿面技术外，模块化设计技术已成为其发展的一个主要方向。当今，世界各国减速器的发展趋势是向六高、二低、二化方向发展。六高即高承载能力、高齿面硬
15、度、高速度、高可靠性和高传动效率；二低即低噪声、低成本；二化即标准化、多样化促使减速器发展的主要因素有：理论知识的日趋完善，如齿轮强度计算方法、修形技术、变形计算、优化设计方法、齿根圆滑过渡等。齿轮采用好的材料，普遍采用各种优质合金钢锻件，材料和热处理质量控制水平提高。结构设计更合理。加工精度提高到I S 0 5 6 级。轴承质量和寿命提高。润滑油质量提高。1 3 减速器箱体的研究现状及研究趋势目前对箱体的主要研究是：运用现代的设计方法对箱体进行优化设计，一般优化的过程为：提出优化目标一一建立合理的数学模型一一施加约束一一求解一一得出结果并进行分析。分析方法可以用内点罚函数法、外点罚函数法、牛
16、顿法、黄会分割法、二次插值法、约束随机方向搜索法、鲍威尔法、复合形法等。还有应用M A T L A B 中的优化设计工具对所得的目标函数进行运算得到最优解。对箱体结构的结构力学分析。应用一些有限元软件对箱体进行有限元分析。对箱体受热方面的研究。通过不同尺寸减速器箱体在不同温度下的数据的采集，运用数值分析的充兹；盔出-箱体的某些参数与温度的关系从而可以改变减速器箱体的某些参数来改善箱体的受熟状况。减速器箱体的参数可视化研究。V is u a lc+6 0 环境下，利用辽0。工程技术人学硕士学位论文第4 页O p e n G L 对减速器箱体设计进行可视化编程，实现了减速器箱体的参数化三维建模和基
17、本的动画显示。对箱体的振动方面进行的研究。按箱体工作振型频率响应函数的分析方法，找出了对噪声贡献最具有代表性的测点，为通过测试振动信号实现声压级的测量奠定了基础。减速器箱体的研究趋势为：对箱体进行多目标结构优化设计和参数灵敏度分析。对减速器箱体进行声学分析、疲劳分析、热分析和多场耦合分析。从产品设计的全局来看，结构的分析和优化设计只是其中的一部分。将方案设计、图形显示和输出功能与结构的分析、优化融为一体，则可大大缩短从C A D 到C A M 的周期。综合运用模糊数学、人工智能、专家系统、决策技术、计算机辅助设计等理论和方法，并与优化设计理论和方法相结合，使整个工程设计逐步向自动化、集成化、智
18、能化方向发展，这在国内外正成为一个活跃的研究领域。1 4 本文研究对象及意义1 4 1 本文研究对象本文研究对象是1 0 0 0 K W 矿用减速器箱体，如图1-I 所示。此减速器是第一级为一对弧齿锥齿轮传动，第二级传动是一对斜齿圆柱齿轮传动的二级减速器。其主要参数如表卜1 所示。酗卜I 张家口1 0 0 0 K W 艰减速器箱体表卜1 减速器主要参数辽0 r 程技术大学硕士学位论文第5 页渐开线圆柱齿轮Z 4=3 1鸩=9口=2 0。=1 0。I A 2 本文研究意义齿轮减速器是把机械传动中的动力机(主动机)与工作机(从动机)联接起来，在原动机和工作机或执行机构之间起匹配转速和传递转矩的作用
19、，若减速器箱体设计不合理出现了局部应力集中，很容易出现事故。在减速器箱体的传统设计过程中，主要采用传统的计算方法，并没有采用一些先进的设计技术，设计安全系数的选择往往偏大，造成制造材料的浪费。减速器的箱体受力情况较复杂，常常会受到较大的弯曲和扭转应力作用，因此如何在不大幅度增加重量的情况下提高箱体的刚度就显得很关键。若减速器的箱体的强度不够，就很难满足减速器正常工作时的稳定性的要求。若为了保证减速器的强度而增加箱体的壁厚，使得箱体的总体的重量和体积很大。本文采用的有限元对箱体进行分析，根据分析结果，找出箱体设计的薄弱环节，再用A N S Y S 的A P D L 语言对箱体进行优化设计，解决了
20、以往利用现代优化方法中由于要优化的物体的形状复杂且多参数不好建立数学模型的问题。箱体是减速器的零件中最复杂的一个，且减速器以形成了系列化生产，它的设计与绘图往往要花费大量的人力与物力。本文采用的参数化技术实现了箱体的参数化设计，只通过修改其中的几个参数就能得到新的模型，大大的节省了时间和精力。1 5 本文研究的主要内容本课题的研究来源于张家口煤矿机械有限公司与辽宁工程技术大学课题。本文在广泛查阅大量有关文献、吸收和消化目前对矿用减速器箱体的研究成果的基础上，做了以下工作：1)运用三维绘图软件P r o E N G I N E E R 建立了箱体的三维实体模型，并使用P r o E N G I
21、N E E R 的二次开发功能对箱体进行了参数化设计的研究。2)通过P r o E N G I N E E R 与有限元分析软件A N S Y S 的接口将模型导入A N S Y S中，运用A N S Y S 对箱体进行应力分析。3)将A P D L 与A N S Y S 优化模块相结合，对减速器箱体的壁厚、输入连接辽宁1：程技术人学硕+学位论文第6 页盘厚度等进行了优化设计。4)应用A N S Y S 的疲劳分析模块对箱体进行了疲劳分析。5)应用A N S Y S 的模态分析对箱体进行模态分析，从而找到箱体固有频率。1 6 本章小结本章介绍了减速器的发展现状、发展趋势，阐述了减速器的研究现状
22、。叙述了本文研究的对象、主要内容及意义。辽j I：程技术人学硕十学能论文第7 页2 有限元基础理论及通用有限元软件有限元法(F i n i t eE l e m e n tM e t h o dF E M)，是计算力学中一种重要的方法，是计算机辅助工程C A E 中的一种。有限元法作为一个具有巩固理论基础和广泛应用效力的数值分析工具，是现代力学、计算数学和计算机技术等学科相结合的产物，在国民经济建设和科学技术发展中发挥了巨大的作用。2 1 有限元的发展过程大约在3 0 0 年前，牛顿和莱布尼茨发明了积分法，证明了该运算具有整体对局部的可加性。虽然，积分运算与有限元技术对定义域的划分是不同的，I
23、 j 者进行无限划分而后者进行有限划分，但积分运算为实现有限元技术准备好了一个理论基础。在牛顿之后约一百年，著名数学家高斯提出了加权余值法及线性代数方程组的解法。这两项成果的前者被用来将微分方程改写为积分表达式，后者被用来求解有限元法所得出的代数方程组。在1 8 世纪，另一位数学家拉格朗闩提出泛函分析。泛函分析是将偏微分方程改写为积分表达式的另一途经。在1 9 世纪末及2 0 世纪初，数学家瑞雷和里兹首先提出可对全定义域运用展开函数来表达其上的未知函数。1 9 1 5 年，数学家伽辽会提出了选择展开函数中形函数的伽辽会法，该方法被用于有限元。1 9 4 3 年，数学家库朗德第一次提出了可在定义
24、域内分片地使用展开函数来表达其上的未知函数。这实际上就是有限元的做法。所以，到这时为止，实现有限元技术的第二个理论基础也已确立。2 0 世纪5 0年代，飞机设计师们发现无法用传统的力学方法分析飞机的应力、应变等问题。波音公司的一个技术小组，首先将连续体的机翼离散为三角形板块的集合来进行应力分析，经过一番波折后获得前述的两个离散的成功。大型电子计算机投入了解算大型代数方程组的工作，这为实现有限元技术准备好了物质条件。1 9 6 0 年前后，美国的R W C l o u g h 教授首先独立地在论文中提出了“有限元法F i n i t eE 1 e m e n tM e t h o d”这一概念。
25、6 0 年代中、后期，外国数学家丌始介入有限元法的研究，促使有限元法有了颦实的数学基础，他们对有限元法的发展做出了重要贡献。1 9 6 5 年，英国0 C Z i e n k i e w i c z 和Y K C e u n g 宣布，有限元法适用于所有能按变分形式计算的场问题，使有限元法获得了一个更为广泛的解辽。，l：程技术人学硕十学位论文第8 页释，有限元法的应用也推广到更为广阔的领域。有限元法从出现到发展，经历了从线弹性到弹塑性到弹粘塑性，从解决小变形问题到解决大变形问题，从静力问题到复杂的动力问题，应用范围不断扩展。目前，有限元经过几十年的发展，它的理论已比较成熟，已经在各领域得到了越
26、来越广泛的应用。2 2 有限元法的基本思想及计算步骤有限元法是把要分析的连续体假想地分割成有限个单元所组成的组合体，简称离散化。这些单元仅在顶角处相互联接，称这些联接点为节点。离散化的组合体与真实弹性体的区别在于：组合体中单元与单元之间的联接除了节点之外再无任何关联。但是这种联接要满足变形协调条件，即不能出现裂缝，也不允许发生重叠。显然，单元之间只能通过节点来传递内力。通过节点来传递的内力称为节点力，作用在节点上的荷载称为节点荷载。当连续体受到外力作用发生变形时，组成它的各个单元也将发生变形，因而各个节点要产生不同程度的位移，这种位移称为节点位移。在有限元中，常以节点位移作为基本未知量。并对每
27、个单元根据分块近似的思想，假设一个简单的函数近似地表示单元内位移的分布规律，再利用力学理论中的变分原理或其他方法，建立节点力与位移之间的力学特性关系，得到一组以结点位移为未知量的代数方程，从而求解节点的位移分量。然后利用插值函数确定单元集合体上的场函数。显然，如果单元满足问题的收敛性要求，那么随着缩小单元的尺寸，增加求解区域内单元的数目，解的近似程度将不断改进，近似解最终将收敛于精确解。用有限元法求解问题的计算步骤比较繁多，其中最主要的计算步骤为：1)连续体离散化。首先，应根据连续体的形状选择最能完满地描述连续体形状的单元。常见的单元有：秆单元，梁单元，三角形单元，矩形单元，四边形单元，曲边四
28、边形单元，四面体单元，六面体单元以及曲面六面体单元等等。其次，迸行单元划分，单元划分完毕后，要将全部单元和节点按一定顺序编号，每个单元所受的荷载均按静力等效原理移植到节点上，并在位移受约束的节点上根据实际情况设置约束条件。辽J：程技术人学硕十学位论文第9 页2)选择位移模式。在有限单元法中，选择节点位移作为基本未知量时称为位移法：选择节点力作为基本未知量时称为力法：取一部分节点力和一部分节点位移作为基本未知量时称为混合法。位移法易于实现计算自动化，所以在有限元法中位移法应用范围最广。当采用位移法时，物体或结构物离散化之后，就可以把单元中的一些物理量如位移、应变和应力等由节点位移来表示。厂-】J
29、)8(2 一1)式中 。单元内任一点的位移列阵；J)。单元的节点位移列阵；【】形函数矩阵。3)单元分析。根据单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位置及其含义等，找出单元节点力和节点位移的关系式。此时需要应用弹性力学中的几何方程和物理方程来建立力和位移的方程式，从而导出单元刚度矩阵。利用物理方程，导出用节点位移表示的单元应力：J)=S J 8(2-2)式中 占)单元内一点的应力列阵；S 单元应力矩阵4)计算等效节点载荷。连续弹性体经过离散化以后，便假定力是通过节点从一个单元传递到另一个单元。但是实际的连续体，力是从单元的公共边界传递到另一单元的。因此，作用在单元上的集中力、体积力以及作用在单元
30、边界上的表面力，都必须等效的移置到节点上去，形成等效的节点载荷。5)整体分析。利用结构力的平衡条件和边界条件把各个单元按原来的结构重新联接起束，形成整体的有限元方程。【明 艿=P (2 3)辽宁一J：程技术人学硕士学位论文第1 0 页式中，明整体结构的刚度矩阵；6 节点位移列阵；用等小节点载荷列阵。6)求解节点位移。引入边界条件，解方程(2-3)，可得节点位移，且可求出接点应力。2 3 有限元的发展趋势有限元的发展呈现出以下一些趋势特征：I)从单纯的结构力学计算发展到求解许多物理场问题。有限元分析方法最早是从结构化矩阵分析发展而来，逐步推广到板、壳和实体等连续体固体力学分析，实践证明这是一种非
31、常有效的数值分析方法。而且从理论上也已经证明，只要用于离散求解对象的单元足够小，所得的解就可足够逼近于精确值。所以近年柬有限元方法已发展到流体力学、温度场、电传导、磁场和声场等问题的求解计算，最近又发展到求解几个交叉学科的问题。2)由求解线性工程问题进展到分析非线性问题随着科学技术的发展，线性理论已经远远不能满足设计的要求。例如建筑行业中的高层建筑和大跨度悬索桥的出现，就要求考虑结构的大位移和大应变等几何非线性问题；航天和动力工程的高温部件存在热变形和热应力，也要考虑材料的非线性问题；诸如塑料、橡胶和复合材料等各种新材料的出现，仅靠线性计算理论不足以解决遇到的问题，采用非线性有限元算法才能解决
32、。众所周知，非线性的数值计算是很复杂的，它涉及到很多专门的数学问题和运算技巧，很难为一般工程技术人员所掌握。为此近年来国外一些公司花费了大量的人力投资丌发诸如M A R C、A B Q U S 和A D I N A等专长于求解非线性问题的有限元分析软件，并广泛应用于工程实践。这些软件的共同特点是具有高效的非线性求解器以及丰富和实用的非线性材料库。3)增强可视化的前置建模和后置数据处理功能。早期有限元分析软件的研究重点在于推导新的高效率求解方法和高精度的单元。随着数值分析方法的逐步完善，尤其是计算机运算速度的飞速发展，整个计算系统用于求解运算的时自J 越来越少，而数据准备和运算结果的表现问题辽宁
33、I：程技术人学硕士学位论文第1 1 页却日益突出。在现在的工程工作站上，求解一个包含1 0 万个方程的有限元模型只需要用几十分钟。但是如果用手工方式来建立这个模型，然后再处理大量的计算结果则需用几周的时间。可以毫不夸张地说，工程师在分析计算一个工程问题时有8 0 以上的精力都花在数据准备和结果分析上。因此目前几乎所有的商业化有限元程序系统都有功能很强的静置建模和后置数据处理模块。在强调”可视化”的今天，很多程序都建立了对用户非常友好的G U I(G r a p h i c s U s e r I n t e r f a c e)，使用户能以可视图形方式直观快速地进行网格自动划分，生成有限元分析
34、所需数据，并按要求将大量的计算结果整理成变形图、等值分布云图，便于极值搜索和所需数据的列表输出。4)与C A D 软件的无缝集成。当今有限元分析系统的另一个特点是与通用C A D 软件的集成使用即在用C A D 软件完成部件和零件的造型设计后，自动生成有限元网格并进行计算，如果分析的结果不符合设计要求则重新进行造型和计算，直到满意为止，从而极大地提高了设计水平和效率。今天，工程师可以在集成的C A D 和F E A 软件环境中快捷地解决一个在以前无法应付的复杂工程分析问题。所以当今所有的商业化有限元系统商都开发了和著名的C A D 软件(例如P r o E N G I N E E R、U n
35、i g r a p h i e s、S o l i d E d g e、S o l i d W o r k s、I D E A S、B e n t l e y 和A u t o C A D 等)的接口。5)在W i n t e l 平台上的发展。早期的有限元分析软件基本上都是在大中型计算机(主要是M a i n f r a m e)上开发和运行的，后来又发展到以工程工作站(E W S，E n g i n e e r i n gW o r k S t a t i o n)为平台，它们的共同特点都是采用U N I X 操作系统。P C 机的出现使计算机的应用发生了根本性的变化，工程师渴望在办公桌上
36、完成复杂工程分析的梦想成为现实。但是早期的P C 机采用1 6 位C P U 和D O S 操作系统，内存中的公共数据块受到限制，因此当时计算模型的规模不能超过l 万阶方程。M i c r o s o f tW i n d o w s 操作系统和3 2 位的I n t e lP e n t i u m 处理器的推出为将P C 机用于有限元分析提供了必需的软件和硬件支撑平台。因此当前国际上著名的有限元程序研究和发展机构都纷纷将他们的软件移值到W i n t e l 平台上。2 4 通用有限元软件在大力推广C A D 技术的今天，从自行车到航天飞机，所有的设计制造都离不丌有限元分析计算，F E A
37、 在工程设计和分析中将得到越来辽宁I：程技术人学硕十学位论文第1 2 页越广泛的重视。国际上早2 0 世纪在5 0 年代末、6 0 年代初就投入大量的人力和物力开发具有强大功能的有限元分析程序。其中最为著名的是由美国国家宇航局(N A S A)在1 9 6 5 年委托美国计算科学公司和贝尔航空系统公司开发的N A S T R A N 有限元分析系统。该系统发展至今已有几十个版本，是目前世界上规模最大、功能最强的有限元分析系统。从那时到现在，世界各地的研究机构和大学也发展了一批规模较小但使用灵活、价格较低的专用或通用有限元分析软件，主要有德国的A SK A、英国的P A F E C、法国的S Y
38、 S T U S、美国的A B Q U S、A D I N A、A N S Y S、B E R S A F E、B O S O R、C O S M O S、E L A S、M A R C 和S T A R D Y N E 等公司的产品。目前，我国引进的主要有限元分析软件有：S A P 5、S A P 7、S U P E R S A P、A D I N A、A N S Y S、I D E A S、P R O E E、N A S T R A N P A T R A N、M S C M A R C、N E N A S T R A N 以及F E M A P等等。为更清楚地说明A B A Q U S、
39、M A R C、A D I N A 和A N S Y S 的区别，在结构方面应用为例，将A B A Q U S、M A R C、A D I N A 和A N S Y S 的功能进行一下对比。1)接触问题，选择软件的顺序为A B A Q U S、A D I N A、M a r c 和A N S Y S。接触问题本身就是一个高度非线性问题，前三者本身就是基于高度非线性问题而开发的，从建立接触对的方便程度和收敛程度为以上顺序。2)结构优化设计或拓扑优化设计，A N S Y S 最强。A N S Y S 软件中直接有优化设计模块，是单目标优化设计，设计变量有结构尺寸变量和状态变量，优化结构变量写入A
40、P D L 程序中，如果对A P D L 程序不是很熟悉，那么可以通过A N S Y S 软件界面菜单完成建模、目标变量和设计变量设置，然后把所有操作过程写入木1 0 9 或拳i g w 文件中，它们是文本文件，以A P D L 程序保存的，用记事本等调出此奉1 0 9 文件进行整理，整理出循环迭代结构，另存文件名，在菜单中执行优化模块时，直接调此文件，一次性优化出结果。其它几个软件中没有结构优化设计模块，但也可以通过自己编写个小程序，用M A R C、A D I N A 和A B A Q U S 对结构进行优化设计，但首先要熟悉如何取某节点或某单元的结果数据，使其在设计范围内寻求最优。3)界
41、面菜单上建模，A D I N A、A B A Q U S 与A N S Y S 旗鼓相当，M A R C 最弱，甚至前两者超过A N S Y S 软件的建模。A D I N A M 和A B A Q U S C A E 的建模方式是基于现代C A D 的建模方式(如类似P r o E、U G、S O L I D W O R K，其蒙皮技术、复杂曲面扫描技术远强于A N S Y S)。4)编程序建模，A N S Y S 最强。因为它有自己的A P D L 程序语言，所辽，l：稃技术人学硕十学位论文第1 3 页有结构尺寸都可以参数化，这也是其率先开发结构优化设计和拓扑优化设计模块的基础。M a r
42、 c 也有一个p y t h o n，但很不好用。A D I N A 可以在A D I N A-I N 准备文本模型文件，但不能设置变量参数，可以通过文本编辑处理模型数据。A B A Q U S 与A D I N A 一样，可以编辑输入模型文件参数。5)结构网格划分的方便程度，设置网格线、面、体的分段数和质量较好的映射网格方面，这几个软件的排序是A B A O U S、A N S Y S、A D I N A 和M A R C。2 5 有限元分析软件A N S Y S本文主要使用A N S Y S 软件，下面将加以介绍说明。A N S Y S 公司由J o h nS w a n s o n 博士
43、创立于1 9 7 0 年，A N S Y S 有限元程序是该公司主要产品。A N S Y S 软件是集结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件，可广泛地应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等一般工业及科学研究。A N S Y S 主要功能包括：结构静力分析、结构动力学分析、结构非线性分析、动力学分析、热分析、电磁场分析、流体动力学分析、声场分析、压电分析、结构优化、疲劳分析等。结构静力分析：用来求解外载荷引起的位移、应力和力。A N S Y S 程序静力分析不仅可以进行线性分析，还可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接
44、触分析。结构动力学分析：用来求解随时间变化的载荷对结构的影响。A N S Y S 可进行的结构动力学分析的类型包括：瞬态动力学分析、模态分析、谐波响应分析及随机振动响应分析。结构非线性分析：结构非线性导致结构的响应随外载荷不成比例变化。A N S Y S 程序可求解静态和瞬态非线性问题，包括材料非线性、几何非线性和单元非线性。动力学分析：A N S Y S 程序可以分析大型三维柔体运动。热分析：A N S Y S 程序可以处理热传递的三种基本类型：传导、对流和辐射，熟传递的三种类型均可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。电磁场分析：主要用于电磁场问题的分析，如电感、电容、磁通量密度、涡流、电场分
45、布、磁力线分布、力、运动效应、电路和能量损失等。A N S Y S 还具有将部分单元等效为一个独立单元的子结构功能、将模型中的某一部分与其余部分分开重新细化网格的子模型功能。A N S Y S 具有优化设计模块(O P T)可以进行结构的优化设计，同时A N S Y S 具有参数化程序设计语言A P D L，A P D L 大大的扩辽j 1：科技术人学硕十学位论文第1 4 页展了A N S Y S 优化的功能。A N S Y S 软件主要包括三个部分：前处理模块、分析计算模块和后处理模块，下面对其分别做一简要介绍。一图形用户界面(G I U)(1)A N S Y SG U I 中有六个窗口的功
46、能如下：(2)在主菜单中进行菜单选择并可在主菜单中调用子菜单：(3)在输入窗口中键入信息(4)显示P a nZ o o mR o t a t e 对话框并执行其功能(5)显示分析实体划分的点线面及网格状态。前处理模块P R E P 7双击实用菜单中的P r e p r o c e s s o r 进入A N S Y S 的前处理模块。这个模块主要有两部分内容：实体建模和网格划分。(1)实体建模：A N S Y S 本身具有三维实体建模功能。A N S Y S 提供了两种建模方式一“自底向上建模”和。自顶向下建模”。“自底向上建模”是点一一线一一面一一体的方式。“自顶向下建模”即A N S Y
47、S 本身提供了一些图元，如长方体，圆台、圆柱、圆锥、正多边形等。A N S Y S 同时还和许多C A D 软件有接口，包括：U G、P r o E，C A T I A、S o l i dW o r k s、S o l i dE d g e 等。实体模型可以在C A D 中建立，再导入到A N S Y S 中。布尔操作可以对几何图形进行御尔运算，A N S Y S 的布尔操作包括：a d d、s u b t r a c t、i n t e r s e c t、d i v i d e、g l t l e 以及o v e r l a p。它们不仅适用于简单的体素中的图元，也适用于从C A D 系统
48、导入到A N S Y S 中的复杂的几何模型。(2)网格化分；A N S Y S 提供了多种网格划分工具，自动进行单元形态、求解精度检查及修正。包括自由映射网格划分、智能网格划分、自适应网格划分以及六面体向四面体自动过渡网格等划分技术。在自动网格划分过程中可对网格尺寸、网格密度及变化梯度进行控制，并可对关键部位进一步进行网格细化。口求解模块S O L U T I O N点击实用菜单项中的S o l t i t i o n，进入分析求解模块。用户可以定义分析类型、分析选项、载荷数据和载荷步选项，然后丌始有限元求解。该模块包括结构分析、流体动力分析、电磁场分析，声场分析，压电分析以及多物理场的耦合
49、分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵辽中I：程技术人学硕十学位论文第1 5 页敏度分析及优化分析能力。后处理模块P O S T l 和P O S T 2 6A N S Y S 软件的后处理过程包括两个部分：通用后处理模块P O S T l 和时间历程后处理模块P O S T 2 6。通过友好的用户界面可以很容易获得求解过程的计算结果并对其进行显示。这些结果可能包括位移、温度、应力、应变、速度及热流等，输出形式可以有图形显示、曲线显示和数据列表。在通用后处理模块还包括疲劳分析模块，A N S Y S 疲劳计算的功能：根据应力分析结果，计算疲劳参数；在一系列预先选定的位置上确定一定数目的应力
50、循环和应力循环载荷，并储存这些位置上的应力；在每一个选定的位置上定义应力集中系数并为每一个应力循环定义标定参数。A P D L 是A N S Y SP a r a m e t r i cD e s i g nL a n g u a g e 的缩写，即A N S Y S 参数化设计语言。它是一种类似F O R T R A N 的解释性语言，提供一般程序语言的功能，如参数、宏、标量、向量及矩阵运算、分支、循环、重复以及访问A N S Y S 数据库等。另外还提供简单界面制定功能，实现参数交互输入、消息机制、界面驱动和运行应用程序等。利用A P D L 的程序语言与宏技术组织管理A N S Y S