基于ANSYS在数控机床上的热特性有限元分析[毕业论文]

数控毕业论文：基于ANSYS在数控机床上的热特性有限元分析含毕业论文

基于ANSYS在数控机床上的热特性有限元分析[毕业论文]

目 录

1绪论 1
2 有限元原理 1
2.1 有限元法的基本思想 1
2.2 有限元法的发展概况 2
2.3 有限元法分类 3
2.4 有限元法分析过程 4
3 ANSYS概述 4
3.1 ANSYS的发展 5
3.2 ANSYS的内容 5
3.3 ANSYS的特征 7
4 ANSYS的有限元法举例 10
4.1实体建模 11
4.1.1简单的三维建模 11
4.1.2 直齿圆柱齿轮的实体建模 11
4.2 直齿圆柱齿轮ANSYS有限元分析与典型算法的比较 14
4.3加工中心机床整机热特性分析的必要性 17
4.3.1 XH6650型卧式加工中心机床的有限元建模 17
4.3.2机床的有限元模型的建立 18
4.4 机床的热特性研究 19
4.4.1 机床的热源与发热量的计算 19
4.4.2 机床的稳态温度场分析 20
4.4.3 机床的热变形分析 20
5 结论 22
致谢 23
参考文献 24

1绪论

有限元法是工程领域中应用最广泛的一种数值计算方法,它不但可以解决工程中的结构分析问题,而且已成功地解决了传热学、流体力学、电磁学和声学等领域的问题。经过四十多年的发展,有限元方法的理论已经相当完善,将有限元理论、计算机图形学和优化技术相 结合,开发出了一批使用有效的通用与专用有限元软件,它们以功能强、用户使用方便、技 术结果可靠和效率高而逐渐形成了新的技术产品,使用这些软件已经成功地解决了机械、水工、土建、桥梁、机电、冶金、锻造、造船、宇航、核能、地震、物探、气象、水文、物理、力学、电磁学以及国际工程领域众多的大型科学和工程计算难题。有限元软件已经成为推动科技进步和社会发展的生产力,并且取得了巨大的经济和社会效益。

ANSYS软件是集结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，可广泛用于航空航天、土木工程、机械制造、车辆工程、生物医学、核工业、电子、造船、能源、地矿、水利、轻工等一般工业及科学研究。该软件可在大多数计算机及操作系统中运行. 国际对机床热变形的理论研究始于20世纪60年 代，开始阶段是利用热工学理论知识研究机床热变形问题，初步建立了温度场与热变形之间的定性关系。直到70年代初，由于计算机等分析工具和远红外热像仪、激光全息照相等测试技术在热变形研究中的有效应用，使机床热变形研究进入了定量分析的新阶段，开始利用有限差分法和有限元法计算复杂的机床基础件的瞬态、稳态温度场和热变形。现在，由于计算机辅助工程(CAE)的迅速发展，开发了适于计算各种复杂模型的通用有限元分析软件，利用有限元法求解分析热变形成为主流方法。

2 有限元原理

2.1 有限元法的基本思想

有限元法是在连续体上直接进行近似计算的一种数值方法。这种方法首先是将连续的求解区域离散为一组有限个单元(E1ernent)的组合体,而且认为单元之间只通过有限个点连接起来,这些连接点称为节点(Node)。单元与节点是有限元法中最基本的两个术语。有限元法利用在每一个单元内假定的近似函数分片地表示全求解域上待求的未知场函数(如位移场、应力场)。单元内的近似函数通常由未知场函数(或包括其导数)在单元内各个节点的数值通过函数插值来表示。这样，未知场函数(或包括其导数)在单元内各个节点的数值就成为新的未知量(即自由度),从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。一经求解出这些未知量,就可以通过函数插值计算出各个单元内场函数的近似值,从而得到整个求解域上场函数的近似值。显然,随着单元数量的增加,也即单元尺寸的减小,解的近似程度将不断改进。那么,单元越多,网格越密,解答就越接近于精确解吗?不一定。所以对假定的未知场函数进行收敛性分析,是有限元法必须研究的一个问题。由于单元本身可以有不同的形状,所以对几何形状复杂的问题都可方便地离散化,因此,有限元法可以处理各种复杂因素 , 如复杂的几何形状、任意的边界条件、不均匀的材料特性、结构中包含不同类型构件等等,它们都能用有限元法灵活地求解。有限元法在工程中得到了广泛的应用。

2.2 有限元法的发展概况

有限元法基本思想的提出,可以追溯到Courant 在1943年的工作,他第一次尝试应用定义在三角形区域的分片连续函数和最小势能原理求解圣维南(St.Venant)扭转问题。但由于当时没有计算机这一工具,没能用来分析工程实际问题,因而未得到重视和发展。现代有限元法第一个成功的尝试,是将刚架位移法推广应用于弹性力学平面问题,这是TImer、Clough 等人在分析飞机结构时于1956年得到的成果。他们第一次给出了用三角形 单元求平面应力问题的正确解答,他们的研究打开了利用计算机求解复杂问题的新局面。1960年Clough将这种方法命名为有限元法。

1963至1964年,Besseling、Melosh和Jbnes等人证明了有限元法是基于变分原理的里兹(Riu)法的另一种形式,从而使里兹法分析的所有理论基础都适用于有限元法,确认了有限元法是处理连续介质问题的一种普遍方法。利用变分原理建立有限元方程和经典里兹法的主要区别是,有限元法假设的近似函数不是在全求解域上规定的,而是在单元上规定的,而且事先不要求满足任何边界条件,因此它可以用来处理很复杂的连续介质问题。

有限元法在工程中应用的巨大成功,引起了数学界的关注。 20世纪60至70年代数学 工作者对有限元的误差、解的收敛性和稳定性等方面进行了卓有成效的研究,从而巩固了有限元法的数学基础。我国数学家冯康,在20世纪60年代研究变分问题的差分格式时,也独立地提出了分片插值的思想,为有限元法的创立作出了贡献。

四十多年来,有限元法的应用己由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题,由静力平衡问题扩展到稳定问题、动力问题和波动问题。分析的对象从弹性材料扩展到塑性、粘弹性、粘塑性和复合材料等,从固体力学扩展到流体力学、传热学等连续介质力学领域。在工程分析中的作用己从分析和校核扩展到优化设计,并和计算机辅助设计技术相结合。可以预计,随着现代力学、计算数学和计算机技术等学科的发展,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,必将在国民经济建设和科学技术发展中发挥更大的作用