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阶梯轴的有限元分析及其优化专用软件的开发

作　者: 李实
导　师: 陈芳祖
学　校: 湖南大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 阶梯轴有限元分析用户界面重量优化 APDL
分类号: TH133.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
下　载: 279次
引　用: 2次
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内容摘要

阶梯轴是组成机械的重要零件之一,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。因此阶梯轴的设计计算是机械设计必不可少的重要组成部分。以往阶梯轴的设计计算,工程技术人员往往是采用传统的机械设计理论进行计算,导致计算结果的不准确,设计计算效率低。随着现代有限元技术的日益完善,完全可以在保证精度的前提下对阶梯轴进行快速、精确的数值模拟与优化。针对不熟悉有限元分析和优化的一般工程技术人员,本文采用ANSYS的参数化设计语言APDL与Visual C++相结合的基础上,开发了阶梯轴的有限元分析及其优化专用软件,使得一般工程技术人员能快速对阶梯轴进行参数化设计、有限元分析与优化。该系统共包括四个部分:用户界面模块、ANSYS计算模块、Visual C++调用接口模块和后处理模块。采用Visual C++语言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Visual C++调用接口模块,将Visual C++与APDL编写的命令流嵌套起来:用Visual C++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,并将该实例的理论分析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。该软件的开发,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。尤其是计算精度得到了很大提高,这将为一般工程计算人员设计重要的阶梯轴提供了方便实用的软件系统。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-13
第1章绪论  13-18
  1.1 本文研究的目的和意义  13-15
    1.1.1 本文研究的目的  13
    1.1.2 国内外的研究现状  13-14
    1.1.3 本文的研究意义  14-15
  1.2 本文研究的主要内容  15-17
  1.3 阶梯轴参数化有限元分析软件开发的目的  17
  1.4 小结  17-18
第2章有限单元法和有限元分析软件 ANSYS  18-30
  2.1 实体单元  18-24
    2.1.1 完全的 Lagrangian 弱形式  18-20
    2.1.2 实体结构离散化  20-24
  2.2 有限元原理  24-25
  2.3 ANSYS 软件简介  25-29
    2.3.1 ANSYS 软件基本构架  25-26
    2.3.2 ANSYS 的典型分析过程  26-27
    2.3.3 ANSYS 二次开发技术  27-29
  2.4 小结  29-30
第3章阶梯轴设计与计算  30-38
  3.1 设计  30-32
    3.1.1 材料  31
    3.1.2 设计内容  31
    3.1.3 结构设计  31-32
    3.1.4 提高轴抗疲劳破坏的结构措施  32
  3.2 强度计算  32-35
    3.2.1 按扭转强度计算  32-33
    3.2.2 按弯扭合成强度计算  33-34
    3.2.3 精确疲劳强度校核计算  34-35
  3.3 刚度校核  35-37
    3.3.1 扭转刚度  36
    3.3.2 弯曲刚度  36-37
  3.4 小结  37-38
第4章 VISUAL C++与APDL 相互嵌套的实现  38-47
  4.1 面向对象编程技术  38-39
    4.1.1 面向对象方法  38
    4.1.2 面向对象程序设计  38
    4.1.3 面向对象程序设计语言Visual C++  38-39
  4.2 VISUAL C++与APDL 的相互嵌套  39-44
    4.2.1 Visual C++对话框编程  39
    4.2.2 Visual C++中文本文件的读写  39-44
    4.2.3 Visual C++中APDL 命令流文件读写的实现  44
  4.3 VISUAL C++调用ANSYS 以批处理方式运行的实现  44-46
    4.3.1 进程和线程  44-45
    4.3.2 ANSYS 批处理方式运行的程序实现  45-46
  4.4 小结  46-47
第5章用户界面模块的实现  47-60
  5.1 软件编写思路  47
  5.2 阶梯轴有限元模型的实现  47-55
    5.2.1 几何模型的选取  47-48
    5.2.2 参数化建模  48-52
    5.2.3 网格单元的选择  52-54
    5.2.4 加载情况  54-55
  5.3 阶梯轴有限元分析的参数化  55-57
  5.4 参数化阶梯轴有限元分析系统的开发  57-59
    5.4.1 参数化阶梯轴有限元分析的工作流程和原理  57-58
    5.4.2 参数化阶梯轴有限元分析系统功能介绍  58-59
  5.5 小结  59-60
第6章 ANSYS 的计算处理模块  60-67
  6.1 阶梯轴建模  60-63
  6.2 网格的划分  63-64
  6.3 施加载荷和约束  64-66
  6.4 小结  66-67
第7章阶梯轴优化设计  67-76
  7.1 ANSYS 优化概述  67-72
    7.1.1 基本概念  67-68
    7.1.2 优化设计的步骤  68-72
  7.2 阶梯轴的优化  72-75
    7.2.1 阶梯轴的优化数学模型  72-73
    7.2.2 阶梯轴优化的实现  73-75
  7.3 小结  75-76
第8章实例  76-84
  8.1 实例分析  76-77
  8.2 参数化设计流程  77
  8.3 有限元模型的自动生成  77-78
  8.4 网格划分  78-79
  8.5 载荷与约束  79-80
  8.6 计算结果分析  80-82
  8.7 优化过程及结果  82-83
  8.8 小结  83-84
结论与展望  84-86
  结论  84-85
  展望  85-86
参考文献  86-89
致谢  89-90
附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录  90

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