有限元分析的步骤是什么(有限元分析的基本步骤)

有限元分析的步骤是什么(有限元分析的基本步骤)

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导语导读:Hi~我是小晴,今天分享的是有限元分析最简单明了的步骤,一起来看一下吧~

有限元分析是利用数学近似的方法对真实物理系统进行模拟。使用简单而又相互作用的元素(即单元),就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。可类比“化圆为直”来理解——用割圆法计算圆周长实际上就体现了离散逼近的思想。

为何要采用有限元分析:

减少模型试验

计算机模拟,容许对大量假设情况进行快速有效的试验。

模拟不适合在原型上进行试验的设计

例如:器官移植,人造膝盖

有限元分析优势:

节省费用

节省时间——缩短产品开发周期

创造出更可靠的高品质的设计

有限元分析软件目前最流行的有:ANSYS、ABAQUS、MSC等。

废话不多说直接上步骤!

制动盘的模态分析

制动器在制动时降低噪声是制动器设计的基本要求之一。汽车制动过程中,就会产生振动,若来自汽车内部的振动频率与制动零件的固有频率接近,零件将产生强烈的共振,就会破坏制动盘制动器构,降低零件寿命,从而产生危险。对其进行模态分析,分析其振型特征,提出相应的修改方案,尽量避免产生共振和噪声,保证制动器的安全运行是必要的。本设计中,运用UG软件建立制动盘的三维模型,导入ANSYS软件对其进行模态分析,首先进行自由状态下的模态分析,具体步骤如下:

1)载入模型

File(文件夹)>Import(输入)>NX(ug),找到ug建立的制动盘模型,确定。Plotctrls(绘图控制)>style(风格)>solid model facets(实体模型面)>选择normal faceting(正常面)>OK Plot(制图)>Volumes(体),同时修改标题及用户界面颜色;

2)定义单元类型

3)指定材料属性

Preprocessor(预处理)>Material Props(材料属性)>MaterialModels(材料模型)>Structural(结构分析)>Linear(线性)>Elastic(弹性)>Isotropic(各向同性的),指定制动盘的弹性模量EX为1.35e5,泊松比PRXY为0.25 ok,Structural结构分析>Density指定材料的密度DENS为7.3e-9,完成后通过Material file材料文件>exit退出即可;

4) 网格划分

Preprocessor(预处理)>Meshing(创建网格)>MeshTool(网格工具)>选择Volunes网格体,,指定网格划分精度为8级,然后mesh(网)>pick all(全选),完成网格划分(如图2所示),划分后得出其节点数Nodes为23470,单元数Elements为84735(查看步骤list(列表)>status(状态)>global status(里面的信息);

5)指定分析类型和选项

Solution(结算方案)>Analysis Type(分析类型)>New Analysis(新分析)>modal模态>ok,Analysis Type(分析类型)>Analysis Options(分析选项),定义Number of modes to extract(数量模式)阶数为10,ok。设置频率默认为0 ok。load step opts(载荷控制)>output ctrls(输出设置)>DB/Results File(结果文件)>every substep)每一个步骤)>ok;

6) 求解

Solution(结算方案)>Solve求解>Current LS(求解当前载荷)>ok>yes>yes,求解结束后单击Close;

图2制动盘网格划分

7) 列出固有频率

General Postproc(后处理)>Results Summary(结果摘要),结果如表1所示;

8) 读取各阶振型

General Postproc(后处理)>By Pick(轮流选择)>选择第一个Read>Close>PlotResults(绘制图形)>DeformedShape(变形形状)> Def undefe edge(下边缘)>ok,显示出一阶时的振型变化,以后的阵型读取方法只需将第三步骤中的Read换成Next即可(b)~(j)。如图3(a)所示。

表1求解结果

阶数

频率

1

0.00

2

0.00

3

0.00

4

0.32875E-02

5

0.39598E-02

6

0.46298E-02

7

1755.3

8

1756.0

9

2744.7

10

3571.9

图3一阶振型图

二阶振型图~十阶振型图就不一一列出了

9)制动盘非自由状态下的有限元模态分析

非自由状态下的模态分析其基本过程与自由状态下的基本相同,不同的只是在求解之前对实体进行添加约束,然后得出添加约束后的振型图。添加约束的方法是通过:solution(结算方案)>define loads(载荷定义)>apply(应用)>structrual(结构)>displacment取代>on areas(一些区域),OK选择要约束的表面,制动盘的约束表面为四个螺纹孔内孔面,然后单击ok。约束情况如图4所示。列出固有频率如表2所示。约束后求解的振型图如图5(a)~(j)所示。

图4制动盘添加约束

表2求解结果

阶数

频率

1

1113.2

2

1156.9

3

1712.5

4

1819.9

5

1950.5

6

2070.6

7

2716.7

8

2725.1

9

3536.6

10

3542.0

图5一阶振型图

二阶振型图~十阶振型图就不一一列出了

10) 分析结果

通过分析可得,制动盘非固定状态下的频率和振型分别如图6所示:

图6非固定状态的频率变化趋势图

固定状态下的分别如图7所示:

图7固定状态的频率变化趋势图

从各振型图和变化趋势图中可以看出:

非固定状态下分析的制动盘一到六阶的频率基本都0附近变动,制动盘仅仅是简单的绕着轴线稍有摆动;七、八阶模态的频率在1700Hz左右上,九、十阶模态的频率在2000Hz以上,第七、八、十阶制动盘的外边缘波浪型形变,第九阶制动盘外边缘向外发生形变,其中,第十阶变形量最大,最大振幅出现在盘面外边缘。

固定状态下分析的制动盘振动频率在1000Hz~4000Hz之间;制动盘变形第一、二、七、八阶制动盘仅仅是简单的绕着轴线稍有摆动;第三、五阶制动盘外边缘向外发生形变;第九、十阶制动盘的玩边缘波浪型形变;第六阶基本无变形。

通过查阅相关资料,得知盘式制动器的激振频率为2200Hz左右,因此,,第七、八、九阶的固有频率比较接近2200频率,所以就可能会产生共振和噪声。我们可以采取更改盘的通风槽的数量来改变盘本身的固有频率,可以把盘的固有频率进行改变,将盘式制动器的固有频率与激振频率避开,以实现更为符合要求的制动盘的设计。这样就可以有效地避免了车辆内部的震动激振频率引起的共振,提高了制动盘的质量,降低噪音等从而延长了制动盘的使用寿命,提高了车辆使用的制动安全性

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