阶梯轴的有限元分析及其优化 - 图文

学校代号 学 号 分 类 号 密 级

HUNAN UNIVERSITY

硕士学位论文

阶梯轴的有限元分析及其优化

专用软件的开发

学位申请人姓名 李 实 培 养 单 位 机械与汽车工程学院 导师姓名及职称 陈芳祖 副教授 学 科 专 业 机械电子工程 研 究 方 向 机械制造自动化及有限元分析 论文提交日期 2008年4月

摘 要

轴是组成机械的重要零件之一，它用来安装各种传动零件，使之绕其轴线旋转，传递转矩或回转运动，并通过轴承与机架或机座相联结。其结构参数和加工工艺水平不仅影响着整个机械的尺寸和重量，也在很大程度上影响着机械的可靠性与寿命。因此阶梯轴的设计研究是机械设计必不可少的重要组成部分。

ANSYS是一个功能十分强大的、通用性很强的有限元分析软件，本文采用ANSYS的参数化设计语言APDL与VISUAL C++结合起来进行开发阶梯轴的有限元分析及其优化专用软件。

该系统共包括四个部分:用户界面模块、ANSYS计算模块、VC调用接口模块和后处理模块。用VC的对话框编程来编制用户界面模块，用ANSYS的参数化设计语言APDL编写ANSYS计算模块，并通过VC调用接口模块，将VC与APDL编写的命令流嵌套起来:用VC将APDL命令流写入指定的文本文件中，并提取对话框控件中的数据赋给APDL中的数据变量，然后通过批处理方式启动ANSYS调用APDL命令流进行建模、网格划分、载荷施加以及计算等有限元分析过程，计算完毕之后针对阶梯轴现有结构的薄弱环节，进行优化设计。以阶梯轴为优化对象，以提高性能和节约成本为优化目标。利用ANSYS的APDL参数化设计语言，选用ANSYS自带的优化工具完成阶梯轴的优化，使阶梯轴结构重量最轻，并具有良好的强度性能。最后通过将该系统应用于六阶阶梯轴的实例，并将该实例的理论计算值与有限元分析值进行比较，验证了该系统的可行性和计算结果的可参考性。

实践证明，采用大型有限元分析软件ANSYS的二次开发语言APDL和VISUAL C++ 6.0的界面开发技术，研究开发阶梯轴的有限元分析及其优化专用软件系统，实现了阶梯轴建模和分析计算的自动化、智能化，大大减小阶梯轴建模与分析的工作量，提高了新产品研发效率。 关键词:阶梯轴、有限元分析、参数化用户界面、重量优化、APDL

ABSTRACT

Axis is an important component parts of machinery, It used to install a variety of transmission parts, so that the rotation around its axis, transmission torque or rotary movement, and through the bearing and a rack or frame of the association. The structure parameters and the level of processing technology not only affects the entire machinery of the size and weight, are largely affect the reliability of machinery and life. Therefore stepped shaft on the design of mechanical design is essential for an important component part.

ANSYS is a function of very powerful, very strong universal finite element analysis software, Based on APDL of the current finite element analysis software ANSYS and the object-oriented programming language Visual C++，the parameterized finite element analysis system of multidiameter is developed.

There are four major parts of this system:the user interface

part,ANSYS analysis part,VC interface part and the post processor part，Using dialogue box programming of VC to make user face，using APDL to realize the ANSYS parameterized finite element analysis process,then the APDL order and VC code:writing APDL order to appointed text file，then run ANSYS through batch file to call APDL order and realize the finite element analysis.When solving is ended,user can check and deal with the result through the post processor part.Aiming at improving the

performance of the product and retrenching the cost,the optimization of multidiameter is realized. Parameterizing the multidiameter model using APDL and adopting the design optimization tool in ANSYS,the optimum structure of this multidiameter is obtained,with better torsional fatigue strength.Finally, the system used in the six bands

multidiameter.The feasibility and the credibility of this system are proved，by using this system to a case and comparing the finite element analysis results and the theoretical results of the case.

Practice proved that multidiameter of finite element analysis and optimization system is developed by utilizing VC and APDL which is a secondary development language of ANSYS in this thesis.It can create and analysis the multidiameter automatically and intelligently.So it can reduce the multidiameter design load and advance Efficiency.

Key words:finite element method, multidiameter,parametrical,ANSYS，APDL

目 录

摘要

ABSTRACT 第1章 绪论

1.1 本文研究的目的和意义 1.1.1 本文研究的目的 1.1.2 国内外的研究现状 1.1.3 本文的研究意义 1.2 本文研究的主要内容

1.3 阶梯轴结构参数化有限元分析系统的方法 1.3.1系统要实现的目标 1.3.2 ANSYS二次开发技术

1.3.2.1 参数化技术和参数化设计语言APDL 1.3.2.2 用户界面设计语言UIDL 1.3.2.3 用户程序特性UPFs 1.3.2.4 ANSYS数据接口 1.3.3 面向对象编程技术 1.3.3.1 面向对象方法 1.3.3.2 面向对象程序设计

1.3.3.3 面向对象程序设计语言VISUAL C++ 1.4 本章小结

第2章 有限单元法和有限元分析软件ANSYS 2.1 弹性力学基本方程 2.1.1 弹性力学的基本量

2.1.2 外力与内力的关系——静力平衡方程 2.1.3 位移与应变的关系——几何方程 2.1.4 应力与应变的关系——物理方程 2.2 有限元原理 2.3 ANSYS软件简介

2.3.1 ANSYS软件基本构架 2.3.2 ANSYS的典型分析过程

2.4 ANSYS参数化设计语言APDL及ANSYS命令流 2.5 本章小结

第3章 轴分析算法思想 3.1 阶梯轴简介 3.2 阶梯轴的设计 3.2.1 阶梯轴的材料 3.2.2 阶梯轴的设计内容 3.2.3 轴的结构设计

3.2.4 提高轴的疲劳强度的结构措施 3.3 轴的强度计算

3.3.1 按扭转强度或刚度计算 3.3.2 按弯扭合成强度计算 3.4 轴的刚度校核 3.4.1 轴的扭转刚度 3.4.2 轴的弯曲刚度

3.5 疲劳强度的基本理论

3.5.1 影响疲劳强度的主要因素 3.5.2 轴的疲劳强度计算 3.6 本章小结

第4章 VISUAL C++与APDL相互嵌套的实现 4.1 VISUAL C++与APDL的相互嵌套 4.1.1 VISUAL C++对话框编程

4.1.2 VISUAL C++中文本文件的读写

4.1.3 VISUAL C++中APDL命令流文件读写的实现 4.2 VISUAL C++调用ANSYS以批处理方式运行的实现 4.2.1 进程和线程

4.2.2 ANSYS批处理方式运行的程序实现 4.3 本章小结

第5章 用户界面模块的实现 5.1 软件编写思想

5.2 阶梯轴有限元模型的规范化 5.2.1几何模型的选取 5.2.2 参数化建模 5.2.3网格单元的选择 5.2.3.1网格类型

5.2.3.2定义单元属性 5.2.2 加载情况的规范化 5.3 阶梯轴有限元分析的参数化

5.4 参数化阶梯轴有限元分析系统的开发

5.4.1 参数化阶梯轴有限元分析系统的工作流程和原理 5.4.2 参数化阶梯轴有限元分析系统功能介绍 5.5 本章小结

第6章阶梯轴优化设计 6.1 ANSYS优化概述 6.1.1基本概念

6.1.2 优化设计的步骤 6.2 阶梯轴的优化

6.2.1 主轴的优化数学模型 6.2.2 主轴优化的实现 6.3 本章小结

第7章 阶梯轴分析示例 7.1 参数化设计流程

7.2 有限元模型的自动生成 7.3 网格划分 7.4 载荷的计算 7.5 运行结果 7.6 优化结果 7.7 本章小结 第8章 结论与展望 8.1 结论 8.2 展望 参考文献 致谢

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