叉車主體結(jié)構(gòu)的有限元設(shè)計(jì)與安全性能分析【含CAD圖紙、SW三維】

叉車主體結(jié)構(gòu)的有限元設(shè)計(jì)與安全性能分析【含CAD圖紙、SW三維】,含CAD圖紙、SW三維,叉車,主體,結(jié)構(gòu),有限元,設(shè)計(jì),安全,性能,分析,CAD,圖紙,SW,三維 分 類 號(hào) 密 級(jí) 寧 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 叉車主體結(jié)構(gòu)的有限元設(shè)計(jì)與安全性能分析 所在學(xué)院 機(jī)械與電氣工程學(xué)院 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班 級(jí) 11機(jī)自x班 姓 名 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)老師 年 3 月 31 日 摘 要 叉車是現(xiàn)在人們常用的搬運(yùn)車輛之一，是成件托盤貨物進(jìn)行裝卸、堆垛和短距離運(yùn)輸、重物搬運(yùn)作業(yè)的各種輪式搬運(yùn)車輛。廣泛應(yīng)用于港口、車站、機(jī)場(chǎng)、貨場(chǎng)、工廠車間、倉(cāng)庫(kù)、流通中心和配送中心等，并可進(jìn)入船艙、車廂和集裝箱內(nèi)進(jìn)行托盤貨物的裝卸、搬運(yùn)作業(yè)，是托盤運(yùn)輸、集裝箱運(yùn)輸中必不可少的設(shè)備。叉車應(yīng)用之廣泛，使用之頻繁，必然引起叉車設(shè)計(jì)者及叉車使用人員對(duì)叉車主體結(jié)構(gòu)和安全性能的重視。 關(guān)鍵詞：叉車，強(qiáng)度 33 Abstract The link group comprises a connecting rod, the connecting rod cover, connecting rod bushing, connecting rod bearing and rod bolts (or screws). The connecting rod group under gas force piston pin came and its swing and piston reciprocating inertia forces, the magnitude and direction of these forces are cyclical changes. The connecting rod by compression, stretching and alternating load. The connecting rod must have enough fatigue strength and structural stiffness. The fatigue strength is insufficient, often caused by fracture of connecting rod or the connecting rod bolt, resulting in destruction of the major accident. If the lack of rigidity, it will cause deformation of round rod bending deformation and the connecting rod, piston, cylinder, cause partial grinding bearing and crank pin. Key Words: rice thresher threshing; improved design; 目 錄 摘 要 III Abstract IV 目 錄 V 第1章 緒論 1 第2章 叉車簡(jiǎn)介 2 2.1 叉車工作原理 2 2.2 叉車發(fā)展?fàn)顩r及部分功能 3 2.2.1國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì) 5 2.2.2 防翻架的特性 7 2.2.3 頂棚的作用及意義 9 第3章 叉車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 11 3.1 叉車設(shè)計(jì) 13 3.2 叉車配件設(shè)計(jì) 14 第4章 有限元分析 16 4.1 有限元簡(jiǎn)介 16 4.1.1 有限元強(qiáng)度分析簡(jiǎn)介 16 4.1.2 有限元模態(tài)分析簡(jiǎn)介 16 4.2 前處理 17 4.3 網(wǎng)格劃分 19 4.4 邊界條件設(shè)定 21 4.5 強(qiáng)度分析 22 4.6 模態(tài)分析 23 第5章 分析結(jié)果 24 5.1 頂棚分析結(jié)論 25 5.2 防翻架分析結(jié)論 25 結(jié)論 26 參考文獻(xiàn) 27 致 謝 28 第1章 緒論 目前，世界上所有的叉車在技術(shù)上分為歐系派和日系派，歐系派以林德叉車為代表，特點(diǎn)是行走系統(tǒng)采用靜壓傳動(dòng)，車體采用上下車架組合式，中間有硅阻尼減震器減震，整車具有微動(dòng)性能好，噪聲低，傳動(dòng)精度高的特點(diǎn)。而日系叉車一般以豐田叉車為代表，特點(diǎn)是行走系統(tǒng)采用液力傳動(dòng)，車體為整體式車架，具有傳動(dòng)效率高，制造成本有效控制的特點(diǎn)。 上世紀(jì)年代后到2000年前，世界叉車的年銷量在40～70萬(wàn)輛左右。叉車作為物流裝備，當(dāng)世界經(jīng)濟(jì)平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)，叉車也將隨著經(jīng)濟(jì)的平穩(wěn)運(yùn)行而平穩(wěn)發(fā)展。中國(guó)叉車的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段。第一階段從建國(guó)開始到1978年，是中國(guó)叉車的起源階段。1953年上海生產(chǎn)了第一臺(tái)非機(jī)動(dòng)搬運(yùn)車，1958年沈陽(yáng)電工機(jī)器廠研制了1.5噸電動(dòng)平衡重式叉車，上世紀(jì)60年代，上海交通裝卸機(jī)械廠研制了首臺(tái)3噸內(nèi)燃平衡重式叉車，山西機(jī)器廠研制出了首臺(tái)1噸平衡重式汽油叉車。第二階段，1978～2000年，是中國(guó)叉車行業(yè)規(guī)范、發(fā)展的階段。1981年北京叉車總廠、大連叉車總廠引進(jìn)了三菱技術(shù)，1985年安徽合力、寶雞叉車引進(jìn)了TCM技術(shù)。1987年上剛?cè)龔S軋制了14號(hào)、16號(hào)門架C形異型鋼。根據(jù)日本技術(shù)，叉車行業(yè)的門架型鋼由CC型改為焊接的CJ型?，F(xiàn)國(guó)內(nèi)3噸叉車主要的配套機(jī)型為490發(fā)動(dòng)機(jī)。1995年后叉車質(zhì)量得到了普遍提高。第三階段，2001年到現(xiàn)在，這一階段是中國(guó)叉車高速發(fā)展的階段。叉車生產(chǎn)量大大提升。20006年，按照“引進(jìn)、消化、吸收、創(chuàng)新”的策略，在遼寧宏昌軋鋼廠采用OEM的形式，開發(fā)出了叉車C、J形門架異型鋼，結(jié)束了中國(guó)沒(méi)有J型鋼的歷史，并在此基礎(chǔ)上，開發(fā)了10個(gè)型號(hào)的叉車門架異型鋼，有力地促進(jìn)了叉車行業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量的提高，也促進(jìn)了叉車的出口?，F(xiàn)在，中國(guó)叉車在產(chǎn)品規(guī)格型號(hào)上，已經(jīng)基本與國(guó)際接軌。叉車起重量的范圍達(dá)到了0.5～46噸，高度14米，基本接近或達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。 第2章 叉車簡(jiǎn)介 2.1 叉車工作原理 叉車機(jī)構(gòu)中的構(gòu)件有桿狀、塊狀、偏心輪、偏心軸和曲軸等型式。當(dāng)構(gòu)件上兩轉(zhuǎn)動(dòng)副軸線間距較大時(shí)，一般做成桿狀。 帶兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副的雙副桿結(jié)構(gòu)： 帶三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副的三副桿結(jié)構(gòu)： 桿狀結(jié)構(gòu)的構(gòu)件應(yīng)盡量做成直桿。有時(shí)為了避免構(gòu)件之間的運(yùn)動(dòng)干涉，也可將桿狀構(gòu)件做成其他結(jié)構(gòu)。 帶三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副的三副桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為靈活，與三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副的相對(duì)位置和構(gòu)件加工工藝有關(guān)，下圖為8種典型結(jié)構(gòu)形式： 2.2叉車叉車發(fā)展?fàn)顩r 1）、清潔排放是叉車技術(shù)發(fā)展的首要方向 2）、輕量化設(shè)計(jì) 不同品種叉車的發(fā)展趨勢(shì): 1）、電動(dòng)叉車市場(chǎng)需求的比例相對(duì)于內(nèi)燃叉車而言，將會(huì)持續(xù)、快速的提高。 2）、電動(dòng)叉車的勵(lì)磁方式，將會(huì)按照串勵(lì)、他勵(lì)、交流、永磁等的順序換代發(fā)展。 3）、內(nèi)燃叉車中，由于天然氣叉車在清潔排放上，可以達(dá)到“國(guó)四”的排放要求；在經(jīng)濟(jì)性上，可以節(jié)省大約40%的費(fèi)用，在動(dòng)力性上、蓄能方式上、持續(xù)工作時(shí)間上都優(yōu)于電動(dòng)叉車，因此，天然氣叉車將會(huì)迎來(lái)快速的發(fā)展機(jī)遇。 4）、生產(chǎn)汽油和柴油叉車的企業(yè)，應(yīng)當(dāng)關(guān)注國(guó)家的排放政策和發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)進(jìn)步，以及石油價(jià)格的走勢(shì)，整體上增速會(huì)放緩。 發(fā)發(fā) 2.2.1國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì) 叉車小頭多為薄壁圓環(huán)形結(jié)構(gòu)，為減少與活塞銷之間的磨損，在小頭孔內(nèi)壓入薄壁青銅襯套。在小頭和襯套上鉆孔或銑槽，以使飛濺的油沫進(jìn)入潤(rùn)滑襯套與活塞銷的配合表面。叉車桿身是一個(gè)長(zhǎng)桿件，在工作中受力也較大，為防止其彎曲變形，桿身必須要具有足夠的剛度。為此，車用發(fā)動(dòng)機(jī)的叉車桿身大都采用Ⅰ形斷面， Ⅰ形斷面可以在剛度與強(qiáng)度都足夠的情況下使質(zhì)量最小，高強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)有采用H形斷面的。有的發(fā)動(dòng)機(jī)采用叉車小頭噴射機(jī)油冷卻活塞，須在桿身縱向鉆通孔。為避免應(yīng)力集中，叉車桿身與小頭、大頭連接處均采用大圓弧光滑過(guò)渡。 為降低發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)，必須把各缸叉車的質(zhì)量差限制在最小范圍內(nèi)，在工廠裝配發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，一般都以克為計(jì)量單位按叉車的大、小頭質(zhì)量分組，同一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)選用同一組叉車。 V型發(fā)動(dòng)機(jī)上，其左、右兩列的相應(yīng)氣缸共用一個(gè)曲柄銷，叉車有并列叉車、叉形叉車及主副叉車三種型式。 2.2.2 叉車的整機(jī)結(jié)構(gòu)及選擇 叉車組件由叉車軸，叉車蓋，小軸套，大軸瓦，螺絲等組成，如上圖所示 2.2.3 叉車叉車的工作流程 叉車的主要損壞形式是疲勞斷裂和過(guò)量變形。通常疲勞斷裂的部位是在叉車上的三個(gè)高應(yīng)力區(qū)域。叉車的工作條件要求叉車具有較高的強(qiáng)度和抗疲勞性能；又要求具有足夠的鋼性和韌性。傳統(tǒng)叉車加工工藝中其材料一般采用45鋼、40Cr或40MnB等調(diào)質(zhì)鋼，硬度更高，因此，以德國(guó)汽車企業(yè)生產(chǎn)的新型叉車材料如C70S6高碳微合金非調(diào)質(zhì)鋼、SPLITASCO系列鍛鋼、FRACTIM鍛鋼和S53CV-FS鍛鋼等(以上均為德國(guó)din標(biāo)準(zhǔn))。合金鋼雖具有很高強(qiáng)度，但對(duì)應(yīng)力集中很敏感。所以，在叉車外形、過(guò)度圓角等方面需嚴(yán)格要求，還應(yīng)注意表面加工質(zhì)量以提高疲勞強(qiáng)度，否則高強(qiáng)度合金鋼的應(yīng)用并不能達(dá)到預(yù)期效果。? 第3章 叉車設(shè)計(jì) 3.1 叉車原理 叉車體由三部分構(gòu)成，與活塞銷連接的部分稱叉車小頭；與曲軸連接的部分稱叉車大頭，連接小頭與大頭的桿部稱叉車桿身。 叉車小頭多為薄壁圓環(huán)形結(jié)構(gòu)，為減少與活塞銷之間的磨損，在小頭孔內(nèi)壓入薄壁青銅襯套。在小頭和襯套上鉆孔或銑槽，以使飛濺的油沫進(jìn)入潤(rùn)滑襯套與活塞銷的配合表面。叉車桿身是一個(gè)長(zhǎng)桿件，在工作中受力也較大，為防止其彎曲變形，桿身必須要具有足夠的剛度。為此，車用發(fā)動(dòng)機(jī)的叉車桿身大都采用Ⅰ形斷面， Ⅰ形斷面可以在剛度與強(qiáng)度都足夠的情況下使質(zhì)量最小，高強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)有采用H形斷面的。有的發(fā)動(dòng)機(jī)采用叉車小頭噴射機(jī)油冷卻活塞，須在桿身縱向鉆通孔。為避免應(yīng)力集中，叉車桿身與小頭、大頭連接處均采用大圓弧光滑過(guò)渡。 為降低發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)，必須把各缸叉車的質(zhì)量差限制在最小范圍內(nèi)，在工廠裝配發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，一般都以克為計(jì)量單位按叉車的大、小頭質(zhì)量分組，同一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)選用同一組叉車。V型發(fā)動(dòng)機(jī)上，其左、右兩列的相應(yīng)氣缸共用一個(gè)曲柄銷，叉車有并列叉車、叉形叉車及主副叉車三種型式。 3.2 叉車配件設(shè)計(jì) 叉車蓋設(shè)計(jì)如上圖所示 第4章 有限元分析 4.1 有限元簡(jiǎn)介 4.1.1 有限元強(qiáng)度分析簡(jiǎn)介 在數(shù)學(xué)中，有限元法（FEM，F(xiàn)inite Element Method）是一種為求解偏微分方程邊值問(wèn)題近似解的數(shù)值技術(shù)。求解時(shí)對(duì)整個(gè)問(wèn)題區(qū)域進(jìn)行分解，每個(gè)子區(qū)域都成為簡(jiǎn)單的部分，這種簡(jiǎn)單部分就稱作有限元。它通過(guò)變分方法，使得誤差函數(shù)達(dá)到最小值并產(chǎn)生穩(wěn)定解。類比于連接多段微小直線逼近圓的思想，有限元法包含了一切可能的方法，這些方法將許多被稱為有限元的小區(qū)域上的簡(jiǎn)單方程聯(lián)系起來(lái)，并用其去估計(jì)更大區(qū)域上的復(fù)雜方程。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對(duì)每一單元假定一個(gè)合適的(較簡(jiǎn)單的）近似解，然后推導(dǎo)求解這個(gè)域總的滿足條件(如結(jié)構(gòu)的平衡條件），從而得到問(wèn)題的解。這個(gè)解不是準(zhǔn)確解，而是近似解，因?yàn)閷?shí)際問(wèn)題被較簡(jiǎn)單的問(wèn)題所代替。由于大多數(shù)實(shí)際問(wèn)題難以得到準(zhǔn)確解，而有限元不僅計(jì)算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。 選擇位移模式 在有限單元法中，選擇節(jié)點(diǎn)位移作為基本未知量時(shí)稱為位移法；選擇節(jié)點(diǎn)力作為基本未知量時(shí)稱為力法；取一部分節(jié)點(diǎn)力和一部分節(jié)點(diǎn)位移作為基本未知量時(shí)稱為混合法。位移法易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算自動(dòng)化，所以，在有限單元法中位移法應(yīng)用范圍最廣。 當(dāng)采用位移法時(shí)，物體或結(jié)構(gòu)物離散化之后，就可把單元總的一些物理量如位移，應(yīng)變和應(yīng)力等由節(jié)點(diǎn)位移來(lái)表示。這時(shí)可以對(duì)單元中位移的分布采用一些能逼近原函數(shù)的近似函數(shù)予以描述。通常，有限元法我們就將位移表示為坐標(biāo)變量的簡(jiǎn)單函數(shù)。這種函數(shù)稱為位移模式或位移函數(shù)。 分析單元的力學(xué)性質(zhì) 根據(jù)單元的材料性質(zhì)、形狀、尺寸、節(jié)點(diǎn)數(shù)目、位置及其含義等，找出單元節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系式，這是單元分析中的關(guān)鍵一步。此時(shí)需要應(yīng)用彈性力學(xué)中的幾何方程和物理方程來(lái)建立力和位移的方程式，從而導(dǎo)出單元?jiǎng)偠染仃?，這是有限元法的基本步驟之一。 計(jì)算等效節(jié)點(diǎn)力 物體離散化后，假定力是通過(guò)節(jié)點(diǎn)從一個(gè)單元傳遞到另一個(gè)單元。但是，對(duì)于實(shí)際的連續(xù)體，力是從單元的公共邊傳遞到另一個(gè)單元中去的。因而，這種作用在單元邊界上的表面力、體積力和集中力都需要等效的移到節(jié)點(diǎn)上去，也就是用等效的節(jié)點(diǎn)力來(lái)代替所有作用在單元上的力。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，在工程領(lǐng)域中，有限元分析（FEA）越來(lái)越多地用于仿真模擬，來(lái)求解真實(shí)的工程問(wèn)題。這些年來(lái)，越來(lái)越多的工程師、應(yīng)用數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家已經(jīng)證明這種采用求解偏微分方程（PDE）的方法可以求解許多物理現(xiàn)象，這些偏微分方程可以用來(lái)描述流動(dòng)、電磁場(chǎng)以及結(jié)構(gòu)力學(xué)等等。有限元方法用來(lái)將這些眾所周知的數(shù)學(xué)方程轉(zhuǎn)化為近似的數(shù)字式圖象。 早期的有限元主要關(guān)注于某個(gè)專業(yè)領(lǐng)域，比如應(yīng)力或疲勞，但是，一般來(lái)說(shuō)，物理現(xiàn)象都不是單獨(dú)存在的。例如，只要運(yùn)動(dòng)就會(huì)產(chǎn)生熱，而熱反過(guò)來(lái)又影響一些材料屬性，如電導(dǎo)率、化學(xué)反應(yīng)速率、流體的粘性等等。這種物理系統(tǒng)的耦合就是我們所說(shuō)的多物理場(chǎng)，分析起來(lái)比我們單獨(dú)去分析一個(gè)物理場(chǎng)要復(fù)雜得多。很明顯，我們需要一個(gè)多物理場(chǎng)分析工具。 在上個(gè)世紀(jì)90年代以前，由于計(jì)算機(jī)資源的缺乏，多物理場(chǎng)模擬僅僅停留在理論階段，有限元建模也局限于對(duì)單個(gè)物理場(chǎng)的模擬，最常見的也就是對(duì)力學(xué)、傳熱、流體以及電磁場(chǎng)的模擬?？雌饋?lái)有限元仿真的命運(yùn)好像也就是對(duì)單個(gè)物理場(chǎng)的模擬。 這種情況已經(jīng)開始改變。經(jīng)過(guò)數(shù)十年的努力，計(jì)算科學(xué)的發(fā)展為我們提供了更靈巧簡(jiǎn)潔而又快速的算法，更強(qiáng)勁的硬件配置，使得對(duì)多物理場(chǎng)的有限元模擬成為可能。新興的有限元方法為多物理場(chǎng)分析提供了一個(gè)新的機(jī)遇，滿足了工程師對(duì)真實(shí)物理系統(tǒng)的求解需要。有限元的未來(lái)在于多物理場(chǎng)求解。 千言萬(wàn)語(yǔ)道不盡，下面只能通過(guò)幾個(gè)例子來(lái)展示多物理場(chǎng)的有限元分析在未來(lái)的一些潛在應(yīng)用。 壓電擴(kuò)音器可以將電流轉(zhuǎn)換為聲學(xué)壓力場(chǎng)，或者反過(guò)來(lái)，將聲場(chǎng)轉(zhuǎn)換為電流場(chǎng)。這種裝置一般用在空氣或者液體中的聲源裝置上，比如相控陣麥克風(fēng)，超聲生物成像儀，聲納傳感器，聲學(xué)生物治療儀等，也可用在一些機(jī)械裝置比如噴墨機(jī)和壓電馬達(dá)等。 壓電擴(kuò)音器涉及到三個(gè)不同的物理場(chǎng)：結(jié)構(gòu)場(chǎng)，電場(chǎng)以及流體中的聲場(chǎng)。只有具有多物理場(chǎng)分析能力的軟件才能求解這個(gè)模型。 壓電材料選用PZT5-H晶體，這種材料在壓電傳感器中用得比較廣泛。在空氣和晶體的交界面處，將聲場(chǎng)邊界條件設(shè)置為壓力等于結(jié)構(gòu)場(chǎng)的法向加速度，這樣可以將壓力傳到空氣中去。另外，晶體域中又會(huì)因?yàn)榭諝鈮毫?duì)其的影響而產(chǎn)生變形。仿真研究了在施加一個(gè)幅值200V，震蕩頻率為300 KHz的電流后，晶體產(chǎn)生的聲波傳播。這個(gè)模型的描述及其完美的結(jié)果表明在任何復(fù)雜的模型下，我們都可以用一系列的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行表達(dá)，進(jìn)而求解。 多物理場(chǎng)建模的另外一個(gè)優(yōu)勢(shì)就是在學(xué)校里，學(xué)生們直觀地獲取了以前無(wú)法見到的一些現(xiàn)象，而簡(jiǎn)單易懂的表達(dá)方式也獲得了學(xué)生們的好感。這只是Krishan Kumar博士在紐約Glassboro的Rowan 大學(xué)給高年級(jí)的畢業(yè)生講授傳熱方程課程時(shí)介紹建模及分析工具所感受到的，他的學(xué)生的課題是如何冷卻一個(gè)摩托車的發(fā)動(dòng)機(jī)箱。Bhatia博士教他們?nèi)绾卫谩霸O(shè)計(jì)－制造－檢測(cè)”的理念來(lái)判斷問(wèn)題、找出問(wèn)題、解決問(wèn)題。如果沒(méi)有計(jì)算機(jī)仿真的應(yīng)用，這種方法在課堂上推廣是不可想象的，因?yàn)樗栀M(fèi)用實(shí)在是太大了。 COMSOL Multiphysics擁有優(yōu)秀的用戶界面，可以使學(xué)生方便地設(shè)置傳熱問(wèn)題，并很快得到所需要的結(jié)果?！拔业哪繕?biāo)是使每個(gè)學(xué)生都能了解偏微分方程，當(dāng)下次再遇到這樣的問(wèn)題時(shí)，他們不會(huì)再擔(dān)心，”博士說(shuō)，“這不需要了解太多的分析工具，總的來(lái)說(shuō)，學(xué)生都反映‘這個(gè)建模工具太棒了’”。 很多優(yōu)秀的高科技工程公司已經(jīng)看到多物理場(chǎng)建模可以幫助他們保持競(jìng)爭(zhēng)力。多物理場(chǎng)建模工具可以讓工程師進(jìn)行更多的虛擬分析而不是每次都需要進(jìn)行實(shí)物測(cè)試。這樣，他們就可以快速而經(jīng)濟(jì)地優(yōu)化產(chǎn)品。在印度尼西亞的Medrad Innovations Group中，由John Kalafut博士帶領(lǐng)著一個(gè)研究小組，采用多物理場(chǎng)分析工具來(lái)研究細(xì)長(zhǎng)的注射器中血細(xì)胞的注射過(guò)程，這是一種非牛頓流體，而且具有很高的剪切速率。 通過(guò)這項(xiàng)研究，Medrad的工程師制造了一個(gè)新穎的裝置稱為先鋒型血管造影導(dǎo)管同采用尖噴嘴的傳統(tǒng)導(dǎo)管相比，采用擴(kuò)散型噴嘴的新導(dǎo)管使得造影劑分布得更加均勻。造影劑就是在進(jìn)行X光拍照時(shí)，將病變的器官顯示得更加清楚的特殊材料。 另外一個(gè)問(wèn)題就是傳統(tǒng)導(dǎo)管在使用過(guò)程中可能會(huì)使得造影劑產(chǎn)生很大的速度，進(jìn)而可能會(huì)損傷血管。先鋒型血管造影導(dǎo)管降低了造影劑對(duì)血管產(chǎn)生的沖擊力，將血管損傷的可能性降至最低。 關(guān)鍵的問(wèn)題就是如何去設(shè)計(jì)導(dǎo)管的噴嘴形狀，使其既能優(yōu)化流體速度又能減少結(jié)構(gòu)變形。Kalafut的研究小組利用多物理場(chǎng)建模方法將層流產(chǎn)生的力耦合到應(yīng)力應(yīng)變分 析中去，進(jìn)而對(duì)各種不同噴嘴的形狀、布局進(jìn)行流固耦合分析?！拔覀兊囊粋€(gè)實(shí)習(xí)生針對(duì)不同的流體區(qū)域建立不同的噴嘴布局，并進(jìn)行了分析，” Kalafut博士說(shuō)，“我們利用這些分析結(jié)果來(lái)評(píng)估這些新想法的可行性，進(jìn)而降低實(shí)體模型制造次數(shù)”。 摩擦攪拌焊接（FSW），自從1991年被申請(qǐng)專利以來(lái)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于鋁合金的焊接。航空工業(yè)最先開始采用這些技術(shù)，正在研究如何利用它來(lái)降低制造成本。在摩擦攪拌焊接的過(guò)程中，一個(gè)圓柱狀具有軸肩和攪拌頭的刀具旋轉(zhuǎn)插入兩片金屬的連接處。旋轉(zhuǎn)的軸肩和攪拌頭用來(lái)生熱，但是這個(gè)熱還不足以融化金屬。反之，軟化呈塑性的金屬會(huì)形成一道堅(jiān)實(shí)的屏障，會(huì)阻止氧氣氧化金屬和氣泡的形成。粉碎，攪拌和擠壓的動(dòng)作可以使焊縫處的結(jié)構(gòu)比原先的金屬結(jié)構(gòu)還要好，強(qiáng)度甚至可以到原來(lái)的兩倍。這種焊接裝置甚至可以用于不同類型的鋁合金焊接。 空中客車（AirBus）資助了很多關(guān)于摩擦攪拌焊接的研究。在制造商大規(guī)模投資和重組生產(chǎn)線之前，Cranfield大學(xué)的Paul Colegrove博士利用多物理場(chǎng)分析工具幫助他們理解了加工過(guò)程。 第一個(gè)研究成果是一個(gè)摩擦攪拌焊接的數(shù)學(xué)模型，這讓空客的工程師“透視”到焊縫中來(lái)檢查溫度分布和微結(jié)構(gòu)的變化。Colegrove博士和他的研究小組還編寫了一個(gè)帶有圖形界面的仿真工具，這樣空客的工程師可以直接提取材料的熱力屬性以及焊縫極限強(qiáng)度。 在這個(gè)摩擦攪拌焊接的模擬過(guò)程中，將三維的傳熱分析和二維軸對(duì)稱的渦流模擬耦合起來(lái)。傳熱分析計(jì)算在刀具表面施加熱流密度后，結(jié)構(gòu)的熱分布?？梢蕴崛〕龅毒叩奈灰?，熱邊界條件，以及焊接處材料的熱學(xué)屬性。接下來(lái)將刀具表面處的三維熱分布映射到二維模型上。耦合起來(lái)的模型就可以計(jì)算在加工過(guò)程中熱和流體之間的相互作用。 將基片的電磁、電阻以及傳熱行為耦合起來(lái)需要一個(gè)真正的多物理場(chǎng)分析工具。一個(gè)典型的應(yīng)用是在半導(dǎo)體的加工和退火的工藝中，有一種利用感應(yīng)加熱的熱壁熔爐，它用來(lái)讓半導(dǎo)體晶圓生長(zhǎng)，這是電子行業(yè)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。 多物理場(chǎng)分析工具可以分析出整個(gè)電路板上熱量的轉(zhuǎn)移，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化以及由于溫度的上升導(dǎo)致的變形。這樣做可以用來(lái)提升電路板設(shè)計(jì)的合理性以及材料選擇的合理性。 計(jì)算機(jī)能力的提升使得有限元分析由單場(chǎng)分析到多場(chǎng)分析變成現(xiàn)實(shí)，未來(lái)的幾年內(nèi)，多物理場(chǎng)分析工具將會(huì)給學(xué)術(shù)界和工程界帶來(lái)震驚。單調(diào)的“設(shè)計(jì)－校驗(yàn)”的設(shè)計(jì)方法將會(huì)慢慢被淘汰，虛擬造型技術(shù)將讓你的思想走得更遠(yuǎn)，通過(guò)模擬仿真將會(huì)點(diǎn)燃創(chuàng)新的火花。 自2000年以來(lái),國(guó)內(nèi)外對(duì)非線性結(jié)構(gòu)問(wèn)題的數(shù)值解法做了大量的研究。修正的牛頓－拉普森迭代法的出現(xiàn),為保證計(jì)算精度提供了保障。但是,對(duì)求解結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度而言,這種方法仍很難找到極限點(diǎn)。Wright&Gaylord發(fā)展了假想彈簧法以保證后極限強(qiáng)度區(qū)域結(jié)構(gòu)剛度矩陣的正定,并成功應(yīng)用于框架結(jié)構(gòu)的分析。Bergan等提出了當(dāng)前剛度參數(shù)法,來(lái)抑制臨界區(qū)域的平衡迭代進(jìn)而穿越極限點(diǎn)。Batoz提出了位移控制法,通過(guò)施加已知位移變化過(guò)程反求結(jié)構(gòu)內(nèi)力,從而穿越極限點(diǎn)求出結(jié)構(gòu)的后極限強(qiáng)度響應(yīng)。Riks首次提出弧長(zhǎng)控制法,1981年由Crisfield、Ramm、Powell和Simons等人做了改進(jìn),并與修正的牛頓－拉普森法相結(jié)合,成功地實(shí)現(xiàn)了求解后極限平衡路徑中的“階躍”(Snap-through)問(wèn)題。高素荷等人對(duì)網(wǎng)格劃分密度與有限元求解精度的關(guān)系進(jìn)行了研究。通過(guò)對(duì)不同網(wǎng)格密度、不同單元類型的有限元力學(xué)模型計(jì)算結(jié)果與精確解的分析比較,探索研究單元網(wǎng)格劃分與有限元求解精度的內(nèi)在聯(lián)系,為在保證有限元解滿足工程實(shí)際精度要求的前提下,確定合理的網(wǎng)格密度,提高有限元分析效率進(jìn)行了有益的探索。研究證明:對(duì)于幾何尖角處、應(yīng)力應(yīng)變變化較大區(qū)域,有限元分析時(shí)應(yīng)選擇高階次單元,并適當(dāng)增加單元網(wǎng)格密度。這樣,既可保證單元的形狀,同時(shí),又可提高求解精度、準(zhǔn)確性及加快收斂速度。全自動(dòng)劃分網(wǎng)格時(shí),優(yōu)先考慮選用高階單元。在網(wǎng)格劃分和初步求解時(shí),應(yīng)做到先簡(jiǎn)后繁,先粗后精。由于工程結(jié)構(gòu)一般具有重復(fù)對(duì)稱或軸對(duì)稱、鏡象對(duì)稱等特點(diǎn),為提高求解效率,應(yīng)充分利用重復(fù)與對(duì)稱等特征,采用子結(jié)構(gòu)或?qū)ΨQ模型以提高求解效率和精度。 4.1.2 有限元模態(tài)分析簡(jiǎn)介 模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性一種近代方法，是系統(tǒng)辨別方法在工程振動(dòng)領(lǐng)域中的應(yīng)用。模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，每一個(gè)模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。這些模態(tài)參數(shù)可以由計(jì)算或試驗(yàn)分析取得，這樣一個(gè)計(jì)算或試驗(yàn)分析過(guò)程稱為模態(tài)分析。這個(gè)分析過(guò)程如果是由有限元計(jì)算的方法取得的，則稱為計(jì)算模態(tài)分析；如果通過(guò)試驗(yàn)將采集的系統(tǒng)輸入與輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)參數(shù)識(shí)別獲得模態(tài)參數(shù)，稱為試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析。通常，模態(tài)分析都是指試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析。 振動(dòng)模態(tài)是彈性結(jié)構(gòu)固有的、整體的特性。通過(guò)模態(tài)分析方法搞清楚了結(jié)構(gòu)物在某一易受影響的頻率范圍內(nèi)的各階主要模態(tài)的特性，就可以預(yù)言結(jié)構(gòu)在此頻段內(nèi)在外部或內(nèi)部各種振源作用下產(chǎn)生的實(shí)際振動(dòng)響應(yīng)。因此，模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)及設(shè)備故障診斷的重要方法。 機(jī)器、建筑物、航天航空飛行器、船舶、汽車等的實(shí)際振動(dòng)模態(tài)各不相同。模態(tài)分析提供了研究各類振動(dòng)特性的一條有效途徑。首先，將結(jié)構(gòu)物在靜止?fàn)顟B(tài)下進(jìn)行人為激振，通過(guò)測(cè)量激振力與響應(yīng)并進(jìn)行雙通道快速傅里葉變換（FFT）分析，得到任意兩點(diǎn)之間的機(jī)械導(dǎo)納函數(shù)（傳遞函數(shù)）。用模態(tài)分析理論通過(guò)對(duì)試驗(yàn)導(dǎo)納函數(shù)的曲線擬合，識(shí)別出結(jié)構(gòu)物的模態(tài)參數(shù)，從而建立起結(jié)構(gòu)物的模態(tài)模型。根據(jù)模態(tài)疊加原理，在已知各種載荷時(shí)間歷程的情況下，就可以預(yù)言結(jié)構(gòu)物的實(shí)際振動(dòng)的響應(yīng)歷程或響應(yīng)譜。 近十多年來(lái)，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)、FFT分析儀、高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及振動(dòng)傳感器、激勵(lì)器等技術(shù)的發(fā)展，試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析得到了很快的發(fā)展，受到了機(jī)械、電力、建筑、水利、航空、航天等許多產(chǎn)業(yè)部門的高度重視。已有多種檔次、各種原理的模態(tài)分析硬件與軟件問(wèn)世。 4.2 前處理 打開ansys軟件，界面如圖所示 點(diǎn)擊Geometry功能選項(xiàng)，將其拖入Project schematic界面，如上圖所示 在Analysis Systems中點(diǎn)擊Static Structural功能選項(xiàng)，將其拖入到Geometry旋向框上面，如圖所示，自動(dòng)生成分析選項(xiàng)界面。 導(dǎo)入模型以后，需要對(duì)模型賦予材質(zhì)。本結(jié)構(gòu)中，零部件材質(zhì)設(shè)定為結(jié)構(gòu)鋼 楊氏模量為2.1e13pa 泊松比為 0.3 如下圖所示，分別對(duì)每個(gè)零部件進(jìn)行材料設(shè)定 4.3 網(wǎng)格劃分 在劃分網(wǎng)格前，用戶首先需要對(duì)模型中將要用到的單元屬性進(jìn)行定義。單元屬性主要包括：?jiǎn)卧愋汀?shí)常數(shù)、材料常數(shù)。典型的實(shí)常數(shù)包括：厚度、橫截面面積、高度、梁的慣性矩等。材料屬性包括：彈性模量、泊松比、密度、熱膨脹系數(shù)等。? ANSYS為用戶提供了兩種網(wǎng)格劃分類型：自由和映射? 所謂“自由”，體現(xiàn)在沒(méi)有特定的準(zhǔn)則，對(duì)單元形狀無(wú)限制，生成的單元不規(guī)則，基本適用于所有的模型。自由網(wǎng)格生成的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)位置比較隨意，用戶無(wú)法控制。操作方式是打開Mesh?Tool工具條上的Free選項(xiàng)。所用單元形狀依賴于是對(duì)面還是對(duì)體進(jìn)行網(wǎng)格劃分。對(duì)于面，自由網(wǎng)格可以只由四邊形單元組成，也可以只由三角形單元組成，或兩者混合。對(duì)于體，自由網(wǎng)格一般限制為四面體單元。? 映射網(wǎng)格劃分要求面或體形狀滿足一定規(guī)則，且映射面網(wǎng)格只包括三角形單元或四邊形單元，映射體網(wǎng)格只包括六面體單元，它生成的單元形狀比較規(guī)則，適用于形狀規(guī)則的面和體。對(duì)于映射網(wǎng)格劃分，生成的單元尺寸依賴于當(dāng)前DSIZE、ESIZE、KESIZE、LESIZE和ASIZE的設(shè)置。Smartsize不能用于映射網(wǎng)格劃分。當(dāng)使用硬點(diǎn)時(shí)，不支持映射網(wǎng)格劃分。此面必須由3或4條線圍成，在對(duì)邊上必須有相等的單元?jiǎng)澐謹(jǐn)?shù)。如果此面由3條線圍成，則三條邊上的單元?jiǎng)澐謹(jǐn)?shù)必須相等且必須是偶數(shù)。對(duì)邊網(wǎng)格數(shù)之差相等，或者一對(duì)對(duì)邊網(wǎng)格數(shù)相等，另一對(duì)網(wǎng)格數(shù)之差為偶數(shù)，也可以進(jìn)行映射網(wǎng)格劃分。? 如果一個(gè)面由多于4條的線圍成，則它不能直接采用映射網(wǎng)格進(jìn)行劃分，然而，為了將總的線數(shù)減少到4，其中的某些線可以被加起來(lái)（add）或連接起來(lái)（concatenated，一種進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)的操作）。? 代替進(jìn)行連接操作（concatenation），可以用拾取一個(gè)面的3個(gè)或4個(gè)角點(diǎn)來(lái)進(jìn)行面映射網(wǎng)格劃分，這種簡(jiǎn)化的映射網(wǎng)格劃分方法將兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)之間的多條線內(nèi)部連接起來(lái)。? 為了得到映射網(wǎng)格，必須在面的對(duì)邊上指定相等的線的劃分?jǐn)?shù)（或者定義線的劃分?jǐn)?shù)對(duì)應(yīng)于某種傳遞方式）。不需要在所有的線上指定劃分?jǐn)?shù)，只要是采用映射網(wǎng)格劃分，程序會(huì)將線的劃分?jǐn)?shù)由一條邊傳遞到對(duì)邊，傳遞所有相鄰的要?jiǎng)澐志W(wǎng)格的面）? 體映射網(wǎng)格：為了給一個(gè)體劃分六面體單元，則必須滿足?·它必須是塊形（六面體），五面體或四面體形?·在對(duì)面和側(cè)邊上所定義的單元?jiǎng)澐謹(jǐn)?shù)必須相等? ·如果體是棱柱形或四面體形，在三角形面上的單元?jiǎng)澐謹(jǐn)?shù)必須是偶數(shù)?·相對(duì)棱邊上劃分的單元數(shù)必須相等 導(dǎo)入模型以后如上圖所示，打開主界面,對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，點(diǎn)擊mesh功能旋向，右擊插入mesh方法，選擇sizing，即設(shè)定網(wǎng)格大小。設(shè)定整體網(wǎng)格大小為1mm。點(diǎn)擊mesh，軟件對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分結(jié)果如下圖所示： 可以看到最終網(wǎng)格劃分效果，以及網(wǎng)格數(shù)量，如下圖： 如圖所示，網(wǎng)格總數(shù)量為487658，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為170523 網(wǎng)格質(zhì)量100 4.4 邊界條件設(shè)定 網(wǎng)格劃分完畢需要對(duì)整體裝置進(jìn)行邊界條件設(shè)定，如下圖所示，為模型固定條件，即模型中某些零部件進(jìn)行固定設(shè)定。 設(shè)定軸承外圈上與小棍接觸部分為固定。即fixed support 另外設(shè)定約束條件，即受力載荷或者位移載荷 設(shè)定與軸承外圈接觸的冷碾輥部分以及外部受力打小為2000N 如上圖所示 4.5 強(qiáng)度分析 點(diǎn)solve，軟件對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算，最終計(jì)算結(jié)果如下圖 第5章 分析結(jié)果 5.1 頂棚分析結(jié)論 頂棚分析結(jié)果如下： 如圖所示為最大主應(yīng)力圖，由圖可知，在有重物下落的時(shí)候，頂棚的受力狀況如上圖，中間橫支撐部分有很大的應(yīng)力集中，說(shuō)明其在整個(gè)受力過(guò)程中起很大的作用。 由上圖可知，在受力過(guò)程中，頂棚中間有最大的變形位移，由彩虹圖可以看出各部分分別變形的大小?？梢栽谠O(shè)計(jì)過(guò)程中給予參考。 5.2 防翻架分析結(jié)論 由上圖可以知道，防翻架在工作過(guò)程中，桿件部分受力最大，變形也是最大，從而可以知道，需要在設(shè)計(jì)過(guò)程中重點(diǎn)加強(qiáng)桿件部分的力學(xué)強(qiáng)度?？梢圆捎酶邚?qiáng)度的材料或者熱處理加強(qiáng)桿件的強(qiáng)度。 結(jié)論 一、總結(jié) 第一部分，文獻(xiàn)資料的搜集與整理。通過(guò)專利網(wǎng)、文獻(xiàn)庫(kù)和老師給的資料，了解了當(dāng)前主流的幾種機(jī)車轉(zhuǎn)向架助推器類型。然后根據(jù)文獻(xiàn)資料，綜合分析每種助推器的優(yōu)劣，綜合比較借鑒，初步確定采用撬棍杠桿式助推方式。 第二部分，確定局部和整體方案。進(jìn)一步分析撬棍式助推器的助推方式，及需要哪些相配合的機(jī)構(gòu)，將助推器分為執(zhí)行系統(tǒng)、系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)三部分。然后先對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行理論受力分析，分析其位移量。借此計(jì)算出部分齒輪減速的比和需要的電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，從而確定電機(jī)選型，至此部分和驅(qū)動(dòng)部分也同時(shí)確定下來(lái)。 第四部分，各部件具體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和校核。根據(jù)前面三章的內(nèi)容，確定執(zhí)行系統(tǒng)、系統(tǒng)各部件的具體結(jié)構(gòu)尺寸，確定軸上零件的定位和裝配方式，最后選擇合適的軸承并對(duì)各部件進(jìn)行校核。 二、設(shè)計(jì)的不足之處 這次的設(shè)計(jì)還只是階段性的，助推器的結(jié)構(gòu)還可以進(jìn)行局部?jī)?yōu)化，中間的系統(tǒng)也有很多不同的方案可以選擇，比如選擇齒輪代替鏈傳， 三、個(gè)人體會(huì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)是大學(xué)四年期間最后一次正式的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了，可以說(shuō)是跨出大學(xué)校園的最后一步。需要考察自己大學(xué)期間學(xué)習(xí)的各項(xiàng)專業(yè)技能和課程知識(shí)，并且要綜合運(yùn)用，對(duì)自己也是一次全面的提高。 因?yàn)榭佳械年P(guān)系，很多時(shí)間被占用了，所以畢業(yè)設(shè)計(jì)的時(shí)間比較緊，中間過(guò)程略顯倉(cāng)促。剛開始做課題使并沒(méi)有什么頭緒，不知道從哪里下手。就像無(wú)頭的蒼蠅，這里做一些，那里做一些，其中受力分析就做了很多遍，事實(shí)證明這些都是無(wú)用功。后來(lái)跟指導(dǎo)老師溝通了很多次，確定下來(lái)步驟。先綜合分析助推器的總體結(jié)構(gòu)，分成幾部分，比如驅(qū)動(dòng)、、執(zhí)行部分，這樣就有了一個(gè)大的方向。 因此，我體會(huì)到初步設(shè)計(jì)必須確定每一部分的工作，由大到小，先分析結(jié)構(gòu)，再對(duì)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力性能綜合分析，不斷的修正、不斷的改進(jìn)，這樣才能做出完整的設(shè)計(jì)。 參考文獻(xiàn) [1]楊穎萍，施俊俊，孫英彪.客車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊修工藝的探討[A].第十四屆全國(guó)機(jī)械設(shè)計(jì)年會(huì)論文集[C].中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)，2008. 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