叉車主體結(jié)構的有限元設計與安全性能分析【含CAD圖紙、SW三維】

叉車主體結(jié)構的有限元設計與安全性能分析【含CAD圖紙、SW三維】,含CAD圖紙、SW三維,叉車,主體,結(jié)構,有限元,設計,安全,性能,分析,CAD,圖紙,SW,三維 分 類 號 密 級 寧 畢業(yè)設計(論文) 叉車主體結(jié)構的有限元設計與安全性能分析 所在學院 機械與電氣工程學院 專 業(yè) 機械設計制造及其自動化 班 級 11機自x班 姓 名 學 號 指導老師 年 3 月 31 日 摘 要 叉車是現(xiàn)在人們常用的搬運車輛之一，是成件托盤貨物進行裝卸、堆垛和短距離運輸、重物搬運作業(yè)的各種輪式搬運車輛。廣泛應用于港口、車站、機場、貨場、工廠車間、倉庫、流通中心和配送中心等，并可進入船艙、車廂和集裝箱內(nèi)進行托盤貨物的裝卸、搬運作業(yè)，是托盤運輸、集裝箱運輸中必不可少的設備。叉車應用之廣泛，使用之頻繁，必然引起叉車設計者及叉車使用人員對叉車主體結(jié)構和安全性能的重視。 關鍵詞：叉車，強度 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 叉車簡介 2 2.1 叉車工作原理 2 2.2 叉車發(fā)展狀況及部分功能 3 2.2.1國內(nèi)外發(fā)展趨勢 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)構設計 11 3.1 叉車設計 13 3.2 叉車配件設計 14 第4章 有限元分析 16 4.1 有限元簡介 16 4.1.1 有限元強度分析簡介 16 4.1.2 有限元模態(tài)分析簡介 16 4.2 前處理 17 4.3 網(wǎng)格劃分 19 4.4 邊界條件設定 21 4.5 強度分析 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 27 致 謝 28 第1章 緒論 目前，世界上所有的叉車在技術上分為歐系派和日系派，歐系派以林德叉車為代表，特點是行走系統(tǒng)采用靜壓傳動，車體采用上下車架組合式，中間有硅阻尼減震器減震，整車具有微動性能好，噪聲低，傳動精度高的特點。而日系叉車一般以豐田叉車為代表，特點是行走系統(tǒng)采用液力傳動，車體為整體式車架，具有傳動效率高，制造成本有效控制的特點。 上世紀年代后到2000年前，世界叉車的年銷量在40～70萬輛左右。叉車作為物流裝備，當世界經(jīng)濟平穩(wěn)運行時，叉車也將隨著經(jīng)濟的平穩(wěn)運行而平穩(wěn)發(fā)展。中國叉車的發(fā)展經(jīng)歷了三個階段。第一階段從建國開始到1978年，是中國叉車的起源階段。1953年上海生產(chǎn)了第一臺非機動搬運車，1958年沈陽電工機器廠研制了1.5噸電動平衡重式叉車，上世紀60年代，上海交通裝卸機械廠研制了首臺3噸內(nèi)燃平衡重式叉車，山西機器廠研制出了首臺1噸平衡重式汽油叉車。第二階段，1978～2000年，是中國叉車行業(yè)規(guī)范、發(fā)展的階段。1981年北京叉車總廠、大連叉車總廠引進了三菱技術，1985年安徽合力、寶雞叉車引進了TCM技術。1987年上剛?cè)龔S軋制了14號、16號門架C形異型鋼。根據(jù)日本技術，叉車行業(yè)的門架型鋼由CC型改為焊接的CJ型?，F(xiàn)國內(nèi)3噸叉車主要的配套機型為490發(fā)動機。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、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)束了中國沒有J型鋼的歷史，并在此基礎上，開發(fā)了10個型號的叉車門架異型鋼，有力地促進了叉車行業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量的提高，也促進了叉車的出口?，F(xiàn)在，中國叉車在產(chǎn)品規(guī)格型號上，已經(jīng)基本與國際接軌。叉車起重量的范圍達到了0.5～46噸，高度14米，基本接近或達到國際先進水平。 第2章 叉車簡介 2.1 叉車工作原理 叉車機構中的構件有桿狀、塊狀、偏心輪、偏心軸和曲軸等型式。當構件上兩轉(zhuǎn)動副軸線間距較大時，一般做成桿狀。 帶兩個轉(zhuǎn)動副的雙副桿結(jié)構： 帶三個轉(zhuǎn)動副的三副桿結(jié)構： 桿狀結(jié)構的構件應盡量做成直桿。有時為了避免構件之間的運動干涉，也可將桿狀構件做成其他結(jié)構。 帶三個轉(zhuǎn)動副的三副桿的結(jié)構設計較為靈活，與三個轉(zhuǎn)動副的相對位置和構件加工工藝有關，下圖為8種典型結(jié)構形式： 2.2叉車叉車發(fā)展狀況 1）、清潔排放是叉車技術發(fā)展的首要方向 2）、輕量化設計 不同品種叉車的發(fā)展趨勢: 1）、電動叉車市場需求的比例相對于內(nèi)燃叉車而言，將會持續(xù)、快速的提高。 2）、電動叉車的勵磁方式，將會按照串勵、他勵、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，可以達到“國四”的排放要求；在經(jīng)濟性上，可以節(jié)省大約40%的費用，在動力性上、蓄能方式上、持續(xù)工作時間上都優(yōu)于電動叉車，因此，天然氣叉車將會迎來快速的發(fā)展機遇。 4）、生產(chǎn)汽油和柴油叉車的企業(yè)，應當關注國家的排放政策和發(fā)動機的技術進步，以及石油價格的走勢，整體上增速會放緩。 發(fā)發(fā) 2.2.1國內(nèi)外發(fā)展趨勢 叉車小頭多為薄壁圓環(huán)形結(jié)構，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，以使飛濺的油沫進入潤滑襯套與活塞銷的配合表面。叉車桿身是一個長桿件，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)動機的叉車桿身大都采用Ⅰ形斷面， Ⅰ形斷面可以在剛度與強度都足夠的情況下使質(zhì)量最小，高強化發(fā)動機有采用H形斷面的。有的發(fā)動機采用叉車小頭噴射機油冷卻活塞，須在桿身縱向鉆通孔。為避免應力集中，叉車桿身與小頭、大頭連接處均采用大圓弧光滑過渡。 為降低發(fā)動機的振動，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)動機時，一般都以克為計量單位按叉車的大、小頭質(zhì)量分組，同一臺發(fā)動機選用同一組叉車。 V型發(fā)動機上，其左、右兩列的相應氣缸共用一個曲柄銷，叉車有并列叉車、叉形叉車及主副叉車三種型式。 2.2.2 叉車的整機結(jié)構及選擇 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量變形。通常疲勞斷裂的部位是在叉車上的三個高應力區(qū)域。叉車的工作條件要求叉車具有較高的強度和抗疲勞性能；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din標準)。合金鋼雖具有很高強度，但對應力集中很敏感。所以，在叉車外形、過度圓角等方面需嚴格要求，還應注意表面加工質(zhì)量以提高疲勞強度，否則高強度合金鋼的應用并不能達到預期效果。? 第3章 叉車設計 3.1 叉車原理 叉車體由三部分構成，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，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，以使飛濺的油沫進入潤滑襯套與活塞銷的配合表面。叉車桿身是一個長桿件，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)動機的叉車桿身大都采用Ⅰ形斷面， Ⅰ形斷面可以在剛度與強度都足夠的情況下使質(zhì)量最小，高強化發(fā)動機有采用H形斷面的。有的發(fā)動機采用叉車小頭噴射機油冷卻活塞，須在桿身縱向鉆通孔。為避免應力集中，叉車桿身與小頭、大頭連接處均采用大圓弧光滑過渡。 為降低發(fā)動機的振動，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)動機時，一般都以克為計量單位按叉車的大、小頭質(zhì)量分組，同一臺發(fā)動機選用同一組叉車。V型發(fā)動機上，其左、右兩列的相應氣缸共用一個曲柄銷，叉車有并列叉車、叉形叉車及主副叉車三種型式。 3.2 叉車配件設計 叉車蓋設計如上圖所示 第4章 有限元分析 4.1 有限元簡介 4.1.1 有限元強度分析簡介 在數(shù)學中，有限元法（FEM，F(xiàn)inite Element Method）是一種為求解偏微分方程邊值問題近似解的數(shù)值技術。求解時對整個問題區(qū)域進行分解，每個子區(qū)域都成為簡單的部分，這種簡單部分就稱作有限元。它通過變分方法，使得誤差函數(shù)達到最小值并產(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)域上的簡單方程聯(lián)系起來，并用其去估計更大區(qū)域上的復雜方程。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，對每一單元假定一個合適的(較簡單的）近似解，然后推導求解這個域總的滿足條件(如結(jié)構的平衡條件），從而得到問題的解。這個解不是準確解，而是近似解，因為實際問題被較簡單的問題所代替。由于大多數(shù)實際問題難以得到準確解，而有限元不僅計算精度高，而且能適應各種復雜形狀，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)點位移作為基本未知量時稱為位移法；選擇節(jié)點力作為基本未知量時稱為力法；取一部分節(jié)點力和一部分節(jié)點位移作為基本未知量時稱為混合法。位移法易于實現(xiàn)計算自動化，所以，在有限單元法中位移法應用范圍最廣。 當采用位移法時，物體或結(jié)構物離散化之后，就可把單元總的一些物理量如位移，應變和應力等由節(jié)點位移來表示。這時可以對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變量的簡單函數(shù)。這種函數(shù)稱為位移模式或位移函數(shù)。 分析單元的力學性質(zhì) 根據(jù)單元的材料性質(zhì)、形狀、尺寸、節(jié)點數(shù)目、位置及其含義等，找出單元節(jié)點力和節(jié)點位移的關系式，這是單元分析中的關鍵一步。此時需要應用彈性力學中的幾何方程和物理方程來建立力和位移的方程式，從而導出單元剛度矩陣，這是有限元法的基本步驟之一。 計算等效節(jié)點力 物體離散化后，假定力是通過節(jié)點從一個單元傳遞到另一個單元。但是，對于實際的連續(xù)體，力是從單元的公共邊傳遞到另一個單元中去的。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)點上去，也就是用等效的節(jié)點力來代替所有作用在單元上的力。隨著計算機技術的迅速發(fā)展，在工程領域中，有限元分析（FEA）越來越多地用于仿真模擬，來求解真實的工程問題。這些年來，越來越多的工程師、應用數(shù)學家和物理學家已經(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描述流動、電磁場以及結(jié)構力學等等。有限元方法用來將這些眾所周知的數(shù)學方程轉(zhuǎn)化為近似的數(shù)字式圖象。 早期的有限元主要關注于某個專業(yè)領域，比如應力或疲勞，但是，一般來說，物理現(xiàn)象都不是單獨存在的。例如，只要運動就會產(chǎn)生熱，而熱反過來又影響一些材料屬性，如電導率、化學反應速率、流體的粘性等等。這種物理系統(tǒng)的耦合就是我們所說的多物理場，分析起來比我們單獨去分析一個物理場要復雜得多。很明顯，我們需要一個多物理場分析工具。 在上個世紀90年代以前，由于計算機資源的缺乏，多物理場模擬僅僅停留在理論階段，有限元建模也局限于對單個物理場的模擬，最常見的也就是對力學、傳熱、流體以及電磁場的模擬?？雌饋碛邢拊抡娴拿\好像也就是對單個物理場的模擬。 這種情況已經(jīng)開始改變。經(jīng)過數(shù)十年的努力，計算科學的發(fā)展為我們提供了更靈巧簡潔而又快速的算法，更強勁的硬件配置，使得對多物理場的有限元模擬成為可能。新興的有限元方法為多物理場分析提供了一個新的機遇，滿足了工程師對真實物理系統(tǒng)的求解需要。有限元的未來在于多物理場求解。 千言萬語道不盡，下面只能通過幾個例子來展示多物理場的有限元分析在未來的一些潛在應用。 壓電擴音器可以將電流轉(zhuǎn)換為聲學壓力場，或者反過來，將聲場轉(zhuǎn)換為電流場。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，超聲生物成像儀，聲納傳感器，聲學生物治療儀等，也可用在一些機械裝置比如噴墨機和壓電馬達等。 壓電擴音器涉及到三個不同的物理場：結(jié)構場，電場以及流體中的聲場。只有具有多物理場分析能力的軟件才能求解這個模型。 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，將聲場邊界條件設置為壓力等于結(jié)構場的法向加速度，這樣可以將壓力傳到空氣中去。另外，晶體域中又會因為空氣壓力對其的影響而產(chǎn)生變形。仿真研究了在施加一個幅值200V，震蕩頻率為300 KHz的電流后，晶體產(chǎn)生的聲波傳播。這個模型的描述及其完美的結(jié)果表明在任何復雜的模型下，我們都可以用一系列的數(shù)學模型進行表達，進而求解。 多物理場建模的另外一個優(yōu)勢就是在學校里，學生們直觀地獲取了以前無法見到的一些現(xiàn)象，而簡單易懂的表達方式也獲得了學生們的好感。這只是Krishan Kumar博士在紐約Glassboro的Rowan 大學給高年級的畢業(yè)生講授傳熱方程課程時介紹建模及分析工具所感受到的，他的學生的課題是如何冷卻一個摩托車的發(fā)動機箱。Bhatia博士教他們?nèi)绾卫谩霸O計－制造－檢測”的理念來判斷問題、找出問題、解決問題。如果沒有計算機仿真的應用，這種方法在課堂上推廣是不可想象的，因為所需費用實在是太大了。 COMSOL Multiphysics擁有優(yōu)秀的用戶界面，可以使學生方便地設置傳熱問題，并很快得到所需要的結(jié)果?！拔业哪繕耸鞘姑總€學生都能了解偏微分方程，當下次再遇到這樣的問題時，他們不會再擔心，”博士說，“這不需要了解太多的分析工具，總的來說，學生都反映‘這個建模工具太棒了’”。 很多優(yōu)秀的高科技工程公司已經(jīng)看到多物理場建模可以幫助他們保持競爭力。多物理場建模工具可以讓工程師進行更多的虛擬分析而不是每次都需要進行實物測試。這樣，他們就可以快速而經(jīng)濟地優(yōu)化產(chǎn)品。在印度尼西亞的Medrad Innovations Group中，由John Kalafut博士帶領著一個研究小組，采用多物理場分析工具來研究細長的注射器中血細胞的注射過程，這是一種非牛頓流體，而且具有很高的剪切速率。 通過這項研究，Medrad的工程師制造了一個新穎的裝置稱為先鋒型血管造影導管同采用尖噴嘴的傳統(tǒng)導管相比，采用擴散型噴嘴的新導管使得造影劑分布得更加均勻。造影劑就是在進行X光拍照時，將病變的器官顯示得更加清楚的特殊材料。 另外一個問題就是傳統(tǒng)導管在使用過程中可能會使得造影劑產(chǎn)生很大的速度，進而可能會損傷血管。先鋒型血管造影導管降低了造影劑對血管產(chǎn)生的沖擊力，將血管損傷的可能性降至最低。 關鍵的問題就是如何去設計導管的噴嘴形狀，使其既能優(yōu)化流體速度又能減少結(jié)構變形。Kalafut的研究小組利用多物理場建模方法將層流產(chǎn)生的力耦合到應力應變分 析中去，進而對各種不同噴嘴的形狀、布局進行流固耦合分析?！拔覀兊囊粋€實習生針對不同的流體區(qū)域建立不同的噴嘴布局，并進行了分析，” Kalafut博士說，“我們利用這些分析結(jié)果來評估這些新想法的可行性，進而降低實體模型制造次數(shù)”。 摩擦攪拌焊接（FSW），自從1991年被申請專利以來，已經(jīng)廣泛應用于鋁合金的焊接。航空工業(yè)最先開始采用這些技術，正在研究如何利用它來降低制造成本。在摩擦攪拌焊接的過程中，一個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生熱，但是這個熱還不足以融化金屬。反之，軟化呈塑性的金屬會形成一道堅實的屏障，會阻止氧氣氧化金屬和氣泡的形成。粉碎，攪拌和擠壓的動作可以使焊縫處的結(jié)構比原先的金屬結(jié)構還要好，強度甚至可以到原來的兩倍。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大學的Paul Colegrove博士利用多物理場分析工具幫助他們理解了加工過程。 第一個研究成果是一個摩擦攪拌焊接的數(shù)學模型，這讓空客的工程師“透視”到焊縫中來檢查溫度分布和微結(jié)構的變化。Colegrove博士和他的研究小組還編寫了一個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度。 在這個摩擦攪拌焊接的模擬過程中，將三維的傳熱分析和二維軸對稱的渦流模擬耦合起來。傳熱分析計算在刀具表面施加熱流密度后，結(jié)構的熱分布?？梢蕴崛〕龅毒叩奈灰疲瑹徇吔鐥l件，以及焊接處材料的熱學屬性。接下來將刀具表面處的三維熱分布映射到二維模型上。耦合起來的模型就可以計算在加工過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需要一個真正的多物理場分析工具。一個典型的應用是在半導體的加工和退火的工藝中，有一種利用感應加熱的熱壁熔爐，它用來讓半導體晶圓生長，這是電子行業(yè)中的一項關鍵技術。 多物理場分析工具可以分析出整個電路板上熱量的轉(zhuǎn)移，結(jié)構的應力變化以及由于溫度的上升導致的變形。這樣做可以用來提升電路板設計的合理性以及材料選擇的合理性。 計算機能力的提升使得有限元分析由單場分析到多場分析變成現(xiàn)實，未來的幾年內(nèi)，多物理場分析工具將會給學術界和工程界帶來震驚。單調(diào)的“設計－校驗”的設計方法將會慢慢被淘汰，虛擬造型技術將讓你的思想走得更遠，通過模擬仿真將會點燃創(chuàng)新的火花。 自2000年以來,國內(nèi)外對非線性結(jié)構問題的數(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),為保證計算精度提供了保障。但是,對求解結(jié)構極限強度而言,這種方法仍很難找到極限點。Wright&Gaylord發(fā)展了假想彈簧法以保證后極限強度區(qū)域結(jié)構剛度矩陣的正定,并成功應用于框架結(jié)構的分析。Bergan等提出了當前剛度參數(shù)法,來抑制臨界區(qū)域的平衡迭代進而穿越極限點。Batoz提出了位移控制法,通過施加已知位移變化過程反求結(jié)構內(nèi)力,從而穿越極限點求出結(jié)構的后極限強度響應。Riks首次提出弧長控制法,1981年由Crisfield、Ramm、Powell和Simons等人做了改進,并與修正的牛頓－拉普森法相結(jié)合,成功地實現(xiàn)了求解后極限平衡路徑中的“階躍”(Snap-through)問題。高素荷等人對網(wǎng)格劃分密度與有限元求解精度的關系進行了研究。通過對不同網(wǎng)格密度、不同單元類型的有限元力學模型計算結(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行了有益的探索。研究證明:對于幾何尖角處、應力應變變化較大區(qū)域,有限元分析時應選擇高階次單元,并適當增加單元網(wǎng)格密度。這樣,既可保證單元的形狀,同時,又可提高求解精度、準確性及加快收斂速度。全自動劃分網(wǎng)格時,優(yōu)先考慮選用高階單元。在網(wǎng)格劃分和初步求解時,應做到先簡后繁,先粗后精。由于工程結(jié)構一般具有重復對稱或軸對稱、鏡象對稱等特點,為提高求解效率,應充分利用重復與對稱等特征,采用子結(jié)構或?qū)ΨQ模型以提高求解效率和精度。 4.1.2 有限元模態(tài)分析簡介 模態(tài)分析是研究結(jié)構動力特性一種近代方法，是系統(tǒng)辨別方法在工程振動領域中的應用。模態(tài)是機械結(jié)構的固有振動特性，每一個模態(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)可以由計算或試驗分析取得，這樣一個計算或試驗分析過程稱為模態(tài)分析。這個分析過程如果是由有限元計算的方法取得的，則稱為計算模態(tài)分析；如果通過試驗將采集的系統(tǒng)輸入與輸出信號經(jīng)過參數(shù)識別獲得模態(tài)參數(shù)，稱為試驗模態(tài)分析。通常，模態(tài)分析都是指試驗模態(tài)分析。 振動模態(tài)是彈性結(jié)構固有的、整體的特性。通過模態(tài)分析方法搞清楚了結(jié)構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，就可以預言結(jié)構在此頻段內(nèi)在外部或內(nèi)部各種振源作用下產(chǎn)生的實際振動響應。因此，模態(tài)分析是結(jié)構動態(tài)設計及設備故障診斷的重要方法。 機器、建筑物、航天航空飛行器、船舶、汽車等的實際振動模態(tài)各不相同。模態(tài)分析提供了研究各類振動特性的一條有效途徑。首先，將結(jié)構物在靜止狀態(tài)下進行人為激振，通過測量激振力與響應并進行雙通道快速傅里葉變換（FFT）分析，得到任意兩點之間的機械導納函數(shù)（傳遞函數(shù)）。用模態(tài)分析理論通過對試驗導納函數(shù)的曲線擬合，識別出結(jié)構物的模態(tài)參數(shù)，從而建立起結(jié)構物的模態(tài)模型。根據(jù)模態(tài)疊加原理，在已知各種載荷時間歷程的情況下，就可以預言結(jié)構物的實際振動的響應歷程或響應譜。 近十多年來，由于計算機技術、FFT分析儀、高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及振動傳感器、激勵器等技術的發(fā)展，試驗模態(tài)分析得到了很快的發(fā)展，受到了機械、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)分析硬件與軟件問世。 4.2 前處理 打開ansys軟件，界面如圖所示 點擊Geometry功能選項，將其拖入Project schematic界面，如上圖所示 在Analysis Systems中點擊Static Structural功能選項，將其拖入到Geometry旋向框上面，如圖所示，自動生成分析選項界面。 導入模型以后，需要對模型賦予材質(zhì)。本結(jié)構中，零部件材質(zhì)設定為結(jié)構鋼 楊氏模量為2.1e13pa 泊松比為 0.3 如下圖所示，分別對每個零部件進行材料設定 4.3 網(wǎng)格劃分 在劃分網(wǎng)格前，用戶首先需要對模型中將要用到的單元屬性進行定義。單元屬性主要包括：單元類型、實常數(shù)、材料常數(shù)。典型的實常數(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)在沒有特定的準則，對單元形狀無限制，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)點位置比較隨意，用戶無法控制。操作方式是打開Mesh?Tool工具條上的Free選項。所用單元形狀依賴于是對面還是對體進行網(wǎng)格劃分。對于面，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。對于映射網(wǎng)格劃分，生成的單元尺寸依賴于當前DSIZE、ESIZE、KESIZE、LESIZE和ASIZE的設置。Smartsize不能用于映射網(wǎng)格劃分。當使用硬點時，不支持映射網(wǎng)格劃分。此面必須由3或4條線圍成，在對邊上必須有相等的單元劃分數(shù)。如果此面由3條線圍成，則三條邊上的單元劃分數(shù)必須相等且必須是偶數(shù)。對邊網(wǎng)格數(shù)之差相等，或者一對對邊網(wǎng)格數(shù)相等，另一對網(wǎng)格數(shù)之差為偶數(shù)，也可以進行映射網(wǎng)格劃分。? 如果一個面由多于4條的線圍成，則它不能直接采用映射網(wǎng)格進行劃分，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（add）或連接起來（concatenated，一種進行網(wǎng)格劃分時的操作）。? 代替進行連接操作（concatenation），可以用拾取一個面的3個或4個角點來進行面映射網(wǎng)格劃分，這種簡化的映射網(wǎng)格劃分方法將兩個關鍵點之間的多條線內(nèi)部連接起來。? 為了得到映射網(wǎng)格，必須在面的對邊上指定相等的線的劃分數(shù)（或者定義線的劃分數(shù)對應于某種傳遞方式）。不需要在所有的線上指定劃分數(shù)，只要是采用映射網(wǎng)格劃分，程序會將線的劃分數(shù)由一條邊傳遞到對邊，傳遞所有相鄰的要劃分網(wǎng)格的面）? 體映射網(wǎng)格：為了給一個體劃分六面體單元，則必須滿足?·它必須是塊形（六面體），五面體或四面體形?·在對面和側(cè)邊上所定義的單元劃分數(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劃分數(shù)必須是偶數(shù)?·相對棱邊上劃分的單元數(shù)必須相等 導入模型以后如上圖所示，打開主界面,對模型進行網(wǎng)格劃分，點擊mesh功能旋向，右擊插入mesh方法，選擇sizing，即設定網(wǎng)格大小。設定整體網(wǎng)格大小為1mm。點擊mesh，軟件對模型進行網(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)點數(shù)量為170523 網(wǎng)格質(zhì)量100 4.4 邊界條件設定 網(wǎng)格劃分完畢需要對整體裝置進行邊界條件設定，如下圖所示，為模型固定條件，即模型中某些零部件進行固定設定。 設定軸承外圈上與小棍接觸部分為固定。即fixed support 另外設定約束條件，即受力載荷或者位移載荷 設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 強度分析 點solve，軟件對模型進行計算，最終計算結(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力圖，由圖可知，在有重物下落的時候，頂棚的受力狀況如上圖，中間橫支撐部分有很大的應力集中，說明其在整個受力過程中起很大的作用。 由上圖可知，在受力過程中，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計過程中給予參考。 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，需要在設計過程中重點加強桿件部分的力學強度?？梢圆捎酶邚姸鹊牟牧匣蛘邿崽幚砑訌姉U件的強度。 結(jié)論 一、總結(jié) 第一部分，文獻資料的搜集與整理。通過專利網(wǎng)、文獻庫和老師給的資料，了解了當前主流的幾種機車轉(zhuǎn)向架助推器類型。然后根據(jù)文獻資料，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構，將助推器分為執(zhí)行系統(tǒng)、系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)三部分。然后先對執(zhí)行機構進行理論受力分析，分析其位移量。借此計算出部分齒輪減速的比和需要的電機的轉(zhuǎn)矩，從而確定電機選型，至此部分和驅(qū)動部分也同時確定下來。 第四部分，各部件具體機構設計和校核。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各部件進行校核。 二、設計的不足之處 這次的設計還只是階段性的，助推器的結(jié)構還可以進行局部優(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、個人體會 畢業(yè)設計是大學四年期間最后一次正式的機構設計了，可以說是跨出大學校園的最后一步。需要考察自己大學期間學習的各項專業(yè)技能和課程知識，并且要綜合運用，對自己也是一次全面的提高。 因為考研的關系，很多時間被占用了，所以畢業(yè)設計的時間比較緊，中間過程略顯倉促。剛開始做課題使并沒有什么頭緒，不知道從哪里下手。就像無頭的蒼蠅，這里做一些，那里做一些，其中受力分析就做了很多遍，事實證明這些都是無用功。后來跟指導老師溝通了很多次，確定下來步驟。先綜合分析助推器的總體結(jié)構，分成幾部分，比如驅(qū)動、、執(zhí)行部分，這樣就有了一個大的方向。 因此，我體會到初步設計必須確定每一部分的工作，由大到小，先分析結(jié)構，再對結(jié)構的運動和動力性能綜合分析，不斷的修正、不斷的改進，這樣才能做出完整的設計。 參考文獻 [1]楊穎萍，施俊俊，孫英彪.客車轉(zhuǎn)向架構架焊修工藝的探討[A].第十四屆全國機械設計年會論文集[C].中國機械工程學會，2008. 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