有限元分析论文模板(10篇)

导言：作为写作爱好者，不可错过为您精心挑选的10篇有限元分析论文，它们将为您的写作提供全新的视角，我们衷心期待您的阅读，并希望这些内容能为您提供灵感和参考。

篇1

在NX仿真导航器中激活FEM文件，将其设为显示部件，选择“3D四面体网格”工具，选用具有较高计算精度的“10节点四面体单元”对零件进行网格划分。在NX仿真导航器中激活仿真文件，将其设为显示部件，在约束类型中选择“固定约束”工具，选择尺寸100的平面定义固定全约束。在载荷类型中选择“力”工具，选择固定约束对面椭圆面（事先适当分割面），设置作用力为500N，力的方向为100平面的垂直方向。有限元模型建立后，可进行模型检查，如网格、节点/单元、载荷、约束及材料等，检查没有错误，进行求解，求解完成后，对分析结果进行综合评定，如图2所示。

变形输出excel文件格式，经过后处理输出的excel文件详细地记录了各坐标点上的变形量，如表1所示。有限元分析施加载荷和边界条件时，添加的力和约束与实际加工时工件的夹紧力、支撑点应相符合，以模拟工件实际受力情况。

2数控编程加工

利用excel的计算功能，将原始点和变形量进行比较，得到变形后的坐标点。将这些坐标点输入NX软件，用NX的建模功能三维建模，得到变形后的椭圆模型，因为NX平面铣适用于侧壁垂直底面或顶面为平面的工件加工，故选用NX的平面铣类型，加工轮廓刀具选用D40立铣刀，30°斜面选用60°成型刀，选择加工面，设置相关参数，生成轨迹后，后处理输出G代码。实际加工中可以通过测量工件夹紧后的变形量来控制夹紧力。本例在有限元分析时添加的力为500N，分析椭圆200mm尺寸变形量为0.516mm。加工时工件夹紧后，实际测量椭圆200mm尺寸变形量达到0.516mm时停止夹紧，这时有限元分析时添加的力与实际工件夹紧力应基本相等。实际加工时上下方向可增加辅佐支撑，以防止数控加工时工件震动。

篇2

引言：自欧洲早期航海贸易从船商合一到船商分离，出现提单雏形起，提单己在海上货物运输中使用了很长的历史。17世纪，为解决因货物通过海运时间长，不便商人处分货物的矛盾，在贸易领域逐渐承认提单可以直接代表运输途中的货物，转让提单具有转让货物一样的效力，处分提单等于处分正在海上运输途中的货物。现代意义的提单就这样顺应航海贸易的发展而出现了，其被赋予了货物收据、运输合同证明及保证据以交付货物的功能。国际贸易的发展推动提单的发展，而提单功能的完善使国际货物买卖实现了由实物交易到单证交易过渡，国际贸易因此蓬勃发展，进而又促进了海上货物运输事业的繁荣。提单成为国际贸易与海上货物运输中最重要的单证之一。

一、提单的定义

提单是海上货物运输特有的重要运输单证。英美等国将海陆空运单据通称提单，当专指海运时则称为海运提单，英国船运法规定，提单是由船东或其他人所签发的文件，该文件确认货物装上何船并驶往何港，以及运输装船货物的若干条件；在德国，提单是承运人接受承运货物的书面证明，承运人通过提单承担将接管的货物依其所证明的状况运至目的地，并根据提单的内容交付货物的义务。在台湾地区，海运提单称作载货证券，载货证券为运送人或船长于货物装载后、同托运人之请求发给托运人、承认货物业已装船，约定运送期间权利义务及领受货物之特种有价证券。简言之，载货证券为一种货物已上船之书据。它是海上货物运输合同的证明及承运人收受或装载货物的文件。缴回该文件时，承运人应交付货物；提单条款内所载的人或所指定或持有提单人请求交货时，承运人即有交付货物的义务。

《联合国1978年海上货物运输公约》（《汉堡规则》）第1条规定：“提单是指一种用以证明海上货物运输合同和货物由承运人接管或装船，以及承运人据以保证交付货物的单证。单证中关于货物应交付指定收货人或按指示交付，或交付提单持有人的规定，即构成了这一保证”。

我国《海商法》第71条对提单所作的解释是：“提单，是指用以证明海上货物运输合同和货物已经由承运人接收或者装船，以及承运人保证据以交付货物的单证。提单中载明的向记名人交付货物，或者按照指示人的指示交付货物，或者向提单持有人交付货物的条款，构成承运人据以交付货物的保证”。

通过比较，不难发现，两者的内容是基本一致的。它们都概括了提单的本质属性，即：证明海上货物运输合同，证明承运人接管货物或货已装船和保证据以交付货物。提单的上述本质属性则决定了提单在海上货物运输关系中的法律地位。

二、提单的法律功能

一位著名的英国法官曾说：国际贸易像一张网，提单是这张网的中心。这高度概括了提单在国际贸易中的重要地位。从上述提单的定义和它的由来不难看出，提单具有如下三个基本法律功能，而这些构成其法律地位的核心内容：

（一）提单是承运人出具的已接收货物的收据

提单是承运人应托运人的要求签发的货物收据，以此确认承运人己收到提单所列的货物。无论是《海牙规则》还是我国《海商法》均规定，承运人对于非集装箱运输货物的责任期间是从“货物装上船时起”，并在货物装船后签发“己装船提单”，表明“货物己处于承运人掌管下”，所以提单具有货物收据的性质。但是，提单的货物收据的属性，在班轮运输的实践中，通常不以将货物装船为条件。通常的作法是，当托运人将货物送交承运人指定的仓库或地点时，根据托运人的要求，先签发备运提单，而在货物装船完毕后，再换发已装船提单。

提单中属于收据性的内容主要是提单下面所载的有关货物的标志、件数、数量或重量等。当提单在托运人手中时，它是承运人按照提单的上述记载收到货物的初步证据。原则上承运人应按照提单所载事项向收货人交货。但允许承运人对货物的真实情况在提单上进行批注，并允许承运人就清洁提单所列事项以确切的证据向托运人提出异议。当提单转让给善意的受让人时，除非提单上订有有效的“不知条款”，承运人对于提单受让人不能就提单所载事项提出异议。此时，提单不再是已收到货物的初步证据，而是已收到货物的最终证据。

（二）提单是承运人与托运人之间订立的运输合同的证明

提单不仅包括上述收据性的内容，而且还载明一般运输合同所应具备的各项重要条件和条款，这些内容从法律上讲，只要不违反国家和社会公共利益并不违背法律的强制性规定，对承运人和托运人就应具有约束力。同时，当承、托双方发生纠纷时，它还是解决纠纷的法律依据。基于这些原因，可以说提单在一定程度上起到了运输合同的作用。但是，由于提单是由承运人单方制定，并在承运人接收货物之后才签发的，而且在货物装船前或提单签发前，承、托双方就已经在订舱时达成了货物运输协议。所以，它还不是承运人与托运人签订的运输合同本身，而只是运输合同的证明。原则上，提单上的条款应与运输合同相一致：当它与运输合同的规定发生冲突时，应以后者为准，

另外，为了保护善意的提单受让人的利益，也为了维护提单的可流通性，我国《海商法》规定：“承运人同收货人、提单持有人之间的权利、义务关系，依据提单的规定确定”。也就是说，一旦提单流转到运输合同当事人以外的收货人或提单持有人手中时，提单可成为海上货物运输合同本身，但它此时是个新的合同，其效力优于先手存在于承运人和托运人之间在订舱时达成的协议。在托运人和承运人之间，如果他们在货物装船之前还订有运输协议或签有其他书面文本，提单就是他们合同关系成立的证明，而不是合同本身，其权利义务关系依运输合同。但在托运人之外的收货人或提单持有人与承运人之间，法律直接将提单认定为书面合同，不需要当事人再去约定，其权利义务关系依海商法的相关法律规范。由此，提单若为托运人持有，那么他和承运人之间便具有以提单为证明的约定运输合同关系；提单若为托运人之外的第三人合法持有时，该第三人与承运人之间形成的则是以提单为文本的法定合同关系。明确这一问题的法律意义是：海商法在两种情况下对提单的性质和作用等作出了规定，不论是承运人和托运人之间，还是承运人和提单持有人之间，他们总是一种海上货物运输合同关系。区别仅在于前者属于约定的合同关系，后者属于法定的合同关系。

（三）提单是承运人船舶所载货物的物权凭证

提单使其持有人有权提取货物，同时也能用以代表货物，处分提单就相当于处分了仍在海上的货物。由此在法律上可以反映为这样的概念，持有提单事实上就意味着对货物的支配，这是对货物占有权利的一种体现。在海上货物运输过程中，运输本身无非就是占有的转移，提单在一定的意义上，充当了作为承运人识别占有人凭证的作用；在国际贸易中，提单成为货物的象征，以单据交付作为交付货物的有效证明，同样也反映了提单交付就是占有的转移。当然提单只是拟制为货物，因而它所标示的也只是一种“拟制占有”，即拟制为对海上运输运送物的占有。

对于提单的这个法律功能，我国《海商法》第71条规定：“提单中载明的向记名人交付货物，或者向提单持有人交付货物的条款，构成承运人据以交付货物的保证”。

三、提单法律功能适用的基本原则

提单在远洋运输和国际贸易中都发挥着重要作用，围绕提单可能发生纠纷也是多种多样的，主要涉及提单的债权关系、提单的物权关系以及提单法律行为的效力等等。而通常所说的提单的准据法多指的是提单债权关系的准据法，这是由于现实中关于提单的立法多集中在提单的债权关系方面，此外，关于提单的公约以及不少国家关于提单的立法也多集中在提单的债权制度方面。

（一）内国强制性规则最为优先

一般海上货物运输的国际公约和国内涉外法律都会有专门的条款规定本法的适用范围。例如波兰海商法规定，本法是调整有关海上运输关系的法律；我国海商法第2条也相应规定了本法的适用范围。但这些条款都是国际私法意义上的法律适用条款，并没有规定哪些案件必须适用本法。但也有国家直接在本国海上货物运输的法律中适用单边冲突规范的形式规定了法律适用规范，其中主要是由于某些参加国际公约的国家为使公约生效，将公约的内容列入各自的国内立法，在二次立法的过程中，往往根据本国的具体情况，对其法律的适用范围作出不同于公约规则本身规定的法律适用范围的强制性规定。

英国1924年《海上货物运输法》第1条规定，除本法另有规定的外，以英国港口为航次起运港的所有出口提单均适用该法。英国1971年海上运输法也相应地把原来只管辖与适用出口签发的提单的条款改为也适用进口。

美国1936年的《海上货物运输法》的规定，对外贸易中作为进出美国港口的海上货物运输合同的证据——提单或其他权利单据受本法的约束。除美国外，类似的国家如比利时、利比里亚、菲律宾等，只要外贸货物运输是进出其国内港口的，提单就须适用其国内法化的海牙规则，而不论提单签发地是否在缔约国。因此这类国家法院在审理以上所言及的法律所规定的某些案件时，是直接适用这些法律适用规范所指向的国内法，一般是排除当事人的选择和其它法律适用原则的，因此具有强制性，当事人不能通过任何手段排除其适用。

这类国家在依据所缔结或加入的国际公约制定内国法时，同时也是在履行公约规定的义务，因此制定这些强制性法律适用规范，并没有违反公约的规定，只是在一定程度上扩大了国际公约的适用范围。

（二）缔约国法院优先适用国际公约原则

关于提单的三个公约均是实体法性质的国际公约，公约既然是国家制定的，按照“合约必须遵循”的原则，缔约国负有必须实施其所缔结的国际公约的责任。缔约国在其域内实施其所缔结的统一实体法公约，在许多情况下都意味着缔约国的法院必须对于符合条件的案件适用该国公约。当然也有例外。某些国际公约规定合同当事人可以全部或部分排除该公约的适用。但是有关提单的三个公约没有“当事人意思自治”的条款，在法律效力上，它们属于具有强制性的国际统一实体法规范，缔约国的法院有义务对符合公约适用条件的案件优先适用公约，在这种情况下，缔约国的法院是排除当事人选择的其它法律的。

（三）当事人意思自治原则

当事人意思自治原则，是指当事人可以通过协商一致的意思表示自由选择应适用的法律。大多数国家在一般情况下是承认这种条款的效力的。单据的流转是海上运输的一个特点，因此承运人不可能和每个有关的当事人都一起协商法律适用条款，各国制定有关的法律和缔结国际公约，规定了承运人的义务和责任，在很大程度上就是为了限制承运人的缔约自由，从而保护货主的利益，因此没有必要再去否定提单上的法律选择条款。对于交易而言，法律关系的稳定性比公平性更加重要。提单条款虽是格式条款，但都是公布在外的，托运人或提单持有人并非不能知道该条款，无法表达对争议解决条款的意思。而且与提单的交易流转结合起来，提单持有人和收货人虽然没有与船方协商争议解决条款，但可以通过与托运签订买卖合同开具信用证时，就签发何种提单作出约定，从而表达其对解决争议的意思。在我国，根据国内外国际私法理论、立法及司法实践，对该原则应从以下几个方面加以限制，并应据此确定当事人选择法律的效力。

1、法律选择的方式

当事人选择法律的方式有明示法律选择和默示法律选择两种。前者是指当事人双方以合同中的法律选择条款或合同之外的专门法律选择协议明确表达有关法律选择的意图，这种方式已为各国普遍接受。后者是指当事人通过合同条款或其行为表达的有关选择法律的暗示。

为了避免法官在推定当事人选择法律的默示意思时过于主观臆断，最近许多国家的立法和一些国际条约的发展趋向是对默示选择加以限制，要求必须在事实十分明显或者在确定的条件下才得推定当事人的意思。如1985年《海牙公约》第7条第1款规定：“当事人选择协议必须是明示的或者从合同的当事人的行为整体来看可以明显地推断出来”。

2、选择法律的时间和范围

一般来说各国立法以及实践不仅允许双方当事人在订立合同时进行法律选择，而且也允许在争议发生后，法院开庭审理前，甚至直到判决前再选择法律.同时也允许当事人协议变更以前所选择的法律，但要此时选择的法律不能影响合同的形式效力，或第三人的利益。对此，我国《最高人民法院关于适用“涉外经济合同法”若干问题的解答》仅允许当事人在订立合同时，法院开庭审理前选择法律。。笔者认为，这一时间应从当事人订立合同时延长到法院判决前，而且在满足上述条件的情况下可以变更所选择的法律。在涉外合同冲突法中，我国同国际上的普通做法一致，不接受反致。故国际海上货物运输合同当事人选择法律当然仅指所选国家法律中的现行的实体法，不包括其冲突法。

3、选择法律的空间范围

选择法律的空间限制是指，当事人所选择的法律必须与合同或当事人之间有一定的客观上的联系，否则当事人的选择无效。波兰、葡萄牙、西班牙等国家的法律都有此种要求。美国1971年《第二次冲突法重述》也强调：允许当事人在通常情况下选择准据法，并不等于给他们完全按照自己的意愿去缔结合同的自由。当事人选择法律时，必须有一种合理的根据，而这种合理的根据主要表现为当事人或合同与所选法律之间有着重要的联系，即合同或在那里缔结，或在那里履行，或合同标的位于该地，过当事人的住所、居所、国籍、营业地在该地。否则，选择应被法院认为无效。而在美国司法实践中，只要当事人的选择是善意的、合法的、不存在规避公共政策的意图，当事人可以选择与合同没有客观联系的法律。日本、泰国、奥地利、比利时、丹麦、德国、瑞士等国的立法，也没有这种限制。

此外，1978年的《海牙法律适用公约》、1980年欧共体《关于合同义务法律适用公约》和1986年《海牙国际货物销售合同适用法律公约》。也没有禁止当事人选择与合同无客观联系的法律。对于该问题，我们认为应当允许当事人自行选择任何一国法律来制约其合同。尤其对海上货物运输合同而言，它所涉及的国家和地区较多，海商法和一般的民商法相比，又具有很强的涉外性、技术性和专业性，只要当事人不存在规避法律的意图，允许他们选择某一更加完备且为双方熟悉的第三国法律来决定其权利义务，不仅有利于当事人达成协议，也可以更好地体现意思自治原则的优越性。实际上，我国海事司法实践对当事人选择法律也无特别的空间上的限制。如1995年“全国海事审计工作（宁波）研讨会纪要”写道：“根据海商法第269条的规定应承认提单中约定的适用法律条款，在具体适用时应受当事人提供证据的制约”。

（四）最密切联系原则

最密切联系原则是指选择与合同有最密切联系的国家的法律作为合同的准据法。该原则是在批判传统冲突规范的机械性、僵硬性的基础上产生的，与传统的冲突规范相比具有灵活性，有利于案件公正、合理地解决，然而，由于“最密切联系原则”这一概念本身的抽象与模糊，若不对该原则进行适当的限制，就无法减少或避免法官自由裁量权的滥用。这同样也是不利于案件公正合理地解决的。因此在运用“最密切联系”原则时，要尽可能做到既能防止法官自由裁量权的滥用又能保证案件处理的公正合理。我国海事法院在审理涉外提单纠纷案件时，经常适用“最密切联系”原则，但在运用此原则确定提单应适用的法律时，却有较大的随意性，有的案例中仅写明：“原告与被告未在合同中约定解决纠纷所适用的法律，应适用与合同最密切联系的国家的法律解决本案纠纷。由于本案货物运输目的港是中国汕头港，故本案适用中国法律。”也有案例只是简单地写明：“综合考虑，中国与本案合同纠纷的联系最密切，因此，应适用中华人民共和国法律处理本案。”

对于海上货物运输合同或提单法律关系不同国家的法律或国际公约在运用“特正性履行”的方法适用“最密切联系”原则结果都不同。如1975年《德意志民主共和国关于国际民事、家庭和劳动法律关系以及国际经济合同适用法律的条例》第12条规定，对于货物运输合同、承揽运送合同，其合同应当分别适用运输人、承运人的主营业所所在地的法律。但也有的法律对运用“特征性履行”方法对海上货物运输合同的法律适用进行的推定，规定了较严格的条件，如欧共体于1980年在罗马签定的《欧洲经济共同体关于合同义务的法律适用公约》第4条规定，货运合同在订立时，承运人的主营业所所在国也是装货地或卸货地所在国，或者也是承运人的主营业所所在国，应推定这个国家为与该合同有密切联系的国家。我国法律则对海上货物运输合同和提单的法律适用未进行推定，因此法院对此类案件在适用“最密切联系”原则时仍有较大的自由裁量权。超级秘书网

大多国家的提单纠纷案件可适用的往往只有其中几种，但在考虑如何适用时的顺序却是一致的。根据我国《海商法》的规定，我国目前提单法律适用的原则主要是“当事人意思自治原则”和“最密切联系原则”，那么在审理提单纠纷案件时，首先考虑适用的就是“当事人意思自治原则”，在当事人未就法律适用达成一致时，再考虑“最密切联系原则”。此外，如果我国将来加入有关的国际公约，则还要承担相应国际公约的义务。超级秘书网

结束语

提单的法律功能涉及到提单的国际公约，各国国内海事立法等。虽然世界各国尤其是西方重要的海运大国在解决提单法律适用纠纷方面已经逐渐以判例或成文法的形式给我们提供了相对成熟、先进的成例，对我国的航运实践以及司法实践都有很好的借鉴作用。但是毕竟各国在制定其海事法律时，更多的是从其本身的政治、经济等利于本国的诸因素来考虑的，各国的政治经济背景不同，制定出来的海事法律也不尽相同，仅靠各国制定各自的冲突规则来解决海上货物运输的法律冲突问题已不能符合日益发展的海事法律关系的需要。海事冲突法、海事实体法的统一是国际海事法发展的必然趋势。

参考文献

[1]杨良宜：《提单及其付运单证》，北京：中国政法大学出版社，2001年版。

[2]蔡镇顺：《国际商法研究》，北京：法律出版社，1999年版。

[3]司玉琢：《国际海事立法趋势与对策研究》，北京：法律出版社，2000年版。

[4]郭瑜：《提单法律制度研究》，北京：北京大学出版社，1997年版。

[5]司玉琢：《海商法学案例教程》，北京：知识产权出版社，2003年版。

[6]郭国乡：《提单法律适用条款与首要条款若干问题研究》，载《海商法研究》，2000年第1期。

[7]许俊强：《论海事国际公约的适用》，载《人民司法》，2003年第11期。

[8]王国华：《论国际海上货物运输合同的法律选择》，载《海商法研究》，1999年第1期。

篇3

【Keywords】gear；temperature；finiteelementanalysis；ANSYS

【中图分类号】TH122【文献标志码】A【文章编号】1673-1069（2018）04-0159-02

1引言

齿轮在工作中，轮齿啮合面由于相对滑动产生摩擦熱，同时齿轮油和空气，与齿轮有对流传热作用，它们的综合影响会引起轮齿的温度场分布。轮齿的温度影响着齿轮的传动性能、胶合失效和冷却系统，特别是在高速传动中，如列车、机床、航空航天设备中。因此，分析工作过程中齿轮的温度分布规律十分必要。目前，虽然可通过实验获得轮齿温度的离散值，但是受限较大，因此，用有限元理论分析轮齿的温度规律是目前一个重要的趋势。

2理论分析

轮齿啮合面间的摩擦热，啮合面、端面与空气和油间的对流传热是齿轮温度有限元分析的边界条件。

2.1摩擦热

摩擦热主要取决于齿面接触压力，接触点上沿切线方向的相对滑动速度及齿面摩擦系数三方面。齿面接触应力的计算公式为[1-2]：pnc=（1）

式中：F为接触点的法向力（N），vi为齿轮i的泊松比，Ei为齿轮i的弹性模量（MPa），L为接触线的长度（mm），F为齿面的法向载荷（N），ρic为齿轮i在啮合C点处齿廓的曲率半径（mm），i=1，2。

任意接触点C的相对滑动速度VgC为：

VgC=（2）

式中：n1为主动轮转速（r/min），gyC为啮合线上接触点与节点之间的距离（mm），d1、d2分别为主、从动轮的分度圆直径（mm）。

任意接触点C的摩擦系数μC根据下列公式计算：

μC=0.002（Ftc/（b×0.001）0.2

（）0.2η-0.05XR（3）

式中：Ftc为轮齿切向载荷（N），b为齿宽（mm），α为齿轮压力角（°），V1c、V2c分别为主、从动轮上沿任意接触点C切线方向的速度（mm/s），REc为接触点C处的Reynolds数，η为油动力粘度系数，XR为齿面的粗糙度因子。

点C处，主、从动齿轮的摩擦热流量q1C、q2C分别为：

q1C=βηtμCpnCVgC×106（4）

q2C=（1-β）ηtμCpnCVgC×106（5）

2.2对流传热

轮齿啮合面的对流传热具有瞬态强制间隙性，在瞬态和强制对流传热条件下，间隙冷却过程中标准化冷却总量：

qtot=（）（6）

式中：G为齿轮的离心加速度（m/s2），v0油运动粘度（m/s2），α为热扩散系数，H为接触点C的高度值，Qtot为轮齿啮合面间隙冷却过程中扩散的摩擦热（W/m2），ρ为油密度（Kg/m3），C为油比热（KJ/（Kg·℃），θS为油温度与齿面温度的差值（℃）。

任意啮合点C的对流传热系数公式为：

htC=（）qtot（7）

式中：k为啮合区载荷分配系数，rC为啮合点C处主动轮的半径。这里应注意，流动状态不同，相应的对流换热系数也不同。

3轮齿温度有限元分析

3.1有限元分析的热平衡方程与边界条件

根据能量守恒定律和Fourier定律，轮齿瞬态热平衡方程有如下表达[3]：k[++]=ρc（9）

式中：T（x，y，z，t）为轮齿温度（℃），它是轮齿上关于位置和时间的函数。

结合牛顿冷却定律，求解所需要的瞬态对流传热边界条件为：-k|m=htF（T-Toil）+qF-k|t=htF（T-Toil）-k|s=hsF（T-Tα）（10）

式中：ht为啮合面对流传热系数，Toil为油温度（℃），qF为啮合面摩擦热流量，Tα为齿轮箱空气温度，hs为端面对流传热系数。

轮齿本体温度TB（x，y，z）是基本恒定的，而表面瞬态温度TF（x，y，z）按周期变化，在单个周期tT内，本体热平衡方程如下：k[++]dt+k[++]dt=ρc[+]dt（11）

需要的边界条件如下：-k|m=tF（TB-T0）+F-k|t=tF（TB-T0）-k|s=sF（TB-Tα）（12）

式中：F为平均摩擦热流量（W/m2），S为啮合面积（m2），tF为平均对流传热系数。

3.2有限元分析

选择某高速机床中的标准渐开线圆柱直齿轮副，其模数m为2mm，压力角α为20°，齿顶高系数ha*为1，顶隙系数c*为0.25，标准中心矩a为120mm，传动比i为1.55，重合度ε为1.78，主動轮齿数z1为47，从动轮齿数z2为73，输入转矩T为52N·m，主动轮转速为5000r/min，材料均为20Cr。当齿轮稳定传动时，摩擦生热和油对流散热达到平衡，轮齿各点温度趋于稳态[4]，且齿轮每运转一周，过程完全相同，因此可取单个齿进行分析[5]。

在ANSYS中有限元分析，结果显示，主、从动轮齿的齿面最大本体温度均出现在齿根啮入的位置区域，分别为85.779℃和83.041℃。主、从动轮齿齿面上，位于齿根齿顶的啮入与啮出区域，均出现了两个温度峰值，这是摩擦热流量、对流和齿轮结构及材料综合作用的结果。而由于齿面上节线处的摩擦热流量为零，节线附近的温度较低。齿宽方向上，轮齿的本体温度是对称分布的，且温度沿齿宽方向的中心向两侧逐渐降低，这是因为对流传热带走了轮齿端面的部分热量。

由于高速传动下轮齿温度的测量特别困难，为验证本文有限元分析的准确性，将本文结果与由某高速数控机床研究中心提供的“高速齿轮轮齿热电偶本体温度测量实验”的测量结果进行对比分析。对比结果显示，本文有限元温度分析结果与实验结果基本符合，误差均在以内，验证了轮齿温度有限元分析的可行性，对该方向的研究应用有一定的借鉴意义。

4结论

通过理论分析，建立了轮齿温度有限分析的热平衡和边界条件方程，建立有限元分析模型并确定加载条件后，求解出齿轮轮齿温度的分布规律。结果表明：主、从动轮齿的齿面最大本体温度均出现在齿根啮入的位置区域，轮齿的本体温度沿齿宽方向是对称分布的且沿齿宽方向中心向两侧逐渐降低。与实验室结果的对比验证了轮齿温度有限元分析的可行性，并为高速齿轮传动的合理设计提供了一定的理论依据。

【参考文献】 

【1】萨本佶.高速齿轮传动设计[M].北京：机械工业出版社，1986. 

【2】李润方.齿轮传动的刚度分析和修形方法[M].重庆：重庆大学出版社，2002. 

【3】龚宪生，王欢欢，张干青.行星齿轮轮齿本体温度场与闪温研究[J].农业机械学报，2011，42（10）：209-216. 

篇4

0 引言

行星齿轮减速器因具有体积小、重量轻、承载能力高、结构紧凑、传动效率高等优点而广泛应用于冶金机械、工程机械、轻工机械、起重运输机械、石油化工机械等各个方面。UG软件是集CAD/CAE/CAM为一体的三维化的软件，它是当今最先进的计算机辅助设计、分析、制造软件，广泛应用于航空、航天、汽车、造船、通用机械和电子等工业领域。UG的CAD/CAE/CAM功能模块有复杂的特征建模、装配、运动仿真和有限元分析等功能。实现UG有限元分析功能，必须要遵从UG有限元分析的一般过程，构建有限元模型，其中包括自动网格划分、添加约束与载荷，利用图形的方式得到模型应力、应变的分布情况。机械优化设计，就是在给定的载荷和约束条件下，选择设计变量，建立目标函数并使其获得最优值的一种新的设计方法。

1 齿轮轴几何参数的初选

通过常规设计方法设计计算出齿轮轴的几何参数，齿轮轴的齿形为渐开线直齿。分配减速器传动比，计算齿轮模数，并根据传动比条件、同心条件、装配条件和邻接条件确定齿轮的齿数。齿轮轴的齿轮基本参数如表1所示。

2 齿轮轴的三维建模

利用UG/Modeling模块建立齿轮轴模型，如图1所示（去掉网格后的实体模型）。

2.1 网格划分

网格划分越密集，计算结果越精确，但是这会使计算时间加长。单元网格的划分采用UG自带的3D四面体自动网格划分，单元尺寸为3mm。网格划分情况如图1所示。

图1 齿轮轴的网格划分

2.2 定义材料特性

齿轮轴材料选择20Cr，其材料属性如下：质量密度 7.850e3kg/m^3，杨氏模量205000N/mm^2（MPa），泊松比0.29，屈服强度等于540N/mm^2（MPa）。

2.3 施加约束和载荷

齿轮轴两端由两个滚子轴承支撑，限制了空间5个自由度，只允许转动。本论文只考虑齿轮轴齿轮处的应力进而对其进行优化，所以为齿轮轴加载荷及约束，安装轴承处加圆柱形约束，在轴端即与联轴器相连处施加大小为175.083N·m的扭矩。约束和载荷施加情况如图2所示。

图2 齿轮轴的载荷施加

2.4 求解和结果查看

UG软件的结构分析模块提供了强大的后处理功能，可以自动生成计算分析报告。齿轮轴的Von Mises应力图如图3所示。单元节点最大应力为325.8MPa，基本接近材料屈服强度的60%。总体来说，输出轴在强度方面不仅满足了设计要求，而且还有很大的裕量，材料的承载能力并没有得到充分的利用，这为齿轮轴的优化提供了很大的空间。

图3 Von Mises应力图

3 齿轮轴的优化

设计目标：

最小化 模型 重量

设计约束：

模型 Von Mises 应力，上限=320000.000000

设计变量：

a：：p53，初值=38.000000，下限=32.000000，上限=38.000000

最大迭代次数：20

优化结果如图4，图5所示。

由图6迭代分析结果可以看出，在进行第三次迭代的过程中，应力值超出上限，所以，以第二次的迭代结果为准，此时的齿宽为35mm，应力值为295MPa，比较理想。所以常规设计方法得到的齿宽b=38应变为优化设计方法得到的齿宽b=35，此时的应力值为295Mpa，亦满足强度要求。

4 结束语

本论文利用UG的高级建模功能，在对行星齿轮减速器齿轮轴进行参数化建模的基础上，建立了有限元模型并进行了有限元分析，得到了齿轮轴的Von Mises应力图，替代了常规校核的设计方法，大大提高了设计效率。同时对齿轮轴的齿宽进行了优化设计，使得设计方案比原常规设计方案在齿轮轴重量上下降了2.02%。为多个设计变量（如模数、齿数）的单或多目标函数优化奠定了基础。

参考文献：

[1]孙恒，陈作模.机械原理.7版[M].北京：高等教育出版社，2002.

[2]濮良贵，纪名刚.机械设计.8版[M].北京：高等教育出版社，2001.

篇5

1.概述

有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。有限元分析方法可以利用简单而又相互作用的单元元素，用有限数量的未知量去逼近无限未知量。尤其近年来，广大学者不停的完善有限元中各个模型的参数，使其能更加准确且广泛的应用于各个行业领域。同时，利用有限元分析方法分析并解决土木工程上的问题也得到越来越广泛的应用。利用有限元分析的方法来分析地基的沉降可以预测并防治地基沉降带来的危害[1]，将有限元分析方法应用在地基沉降中的重要前提是建立与当地地基沉降相符的模型，从而确保分析结果的可靠性。本文以内蒙古110国道为依托，建立适合于分析内蒙古地区110国道的沉降有限元模型，以供对其进行改建等工程时进行相对准确的使用及分析。

内蒙古地区110国道路线带主要地貌为低山丘陵、熔岩台地和盆地型地貌单元，地势陡缓相接呈波状起伏。地质构造较为单一，地基以粉土、砾砂、中砂为主，软土地基段较少且软土段土层较浅。其地基土黏聚力c=4.77～35.38Kpa，内摩擦角φ=1.06～31.10°。本文主要以此段国道常见地质条件分析，软土地段施工时已采取换填等施工技术，故不单独考虑。

2. 分层总和法计算地基总沉降

2.1几点假定

分层总和法是将地基土分成若干一定厚度的水平土层，先计算每层土体的压缩量S，最后将各层累计作为总的土体沉降量。但是，在应用分层综合法计算沉降量的时候为了应用相关附加应力公式以及室内压缩试验的数据指标，需要对地基土体作下列假定：

（1）地基土为一均匀、等向的半无限空间弹性体；

（2）地基土的变形条件，为侧限条件；

（3）沉降计算的深度，理论上应计算至无限深，实际情况中附加应力扩散随深度而减小，根据压力减小情况，本文计算至30米深度。

2.1分层总和法计算过程

分层总和法在计算沉降量时只能对某点进行计算，本文在计算时选取了地基沉降量最大的点，即路基中心处对应的地基进行沉降量计算。结合传统分层总和法中的规范法[2]及相关学者所做研究 [3]，选取适合道路荷载方式的附加应力公式：

σz=

式中：αs1、αs2分别为大、小三角形的应力系数。

通过设计资料及土工试验，确定孔隙比变化范围，根据计算，得到路基中心点地基30米深度内沉降值为1.58cm。

地基沉降计算过程如下表，表中Si= hi

表 1 沉降计算表

深度 土层厚度m 平均

自重应力 平均

附加应力 总应力平均值 受压前

孔隙比 受压后

孔隙比 沉降量m

1 1 9 126.4 135.4 1.0510 1.0470 0.001950

5 4 54 119.95 173.95 1.0500 1.0450 0.009756

10 5 149 106.85 255.85 0.5930 0.5925 0.001569

15 5 258 98.2 356.2 0.5926 0.5923 0.000941

20 5 358 82.35 440.35 0.5923 0.5921 0.000628

25 5 458 62.15 520.15 0.5917 0.5915 0.000628

30 5 558 35.05 593.05 0.5913 0.5912 0.000314

3.有限元模型的建立[4]

3.1材料本构模型的选择

材料的本构模型是材料应力、应变关系的数学描述，是有限元计算的基础，直接影响有限元计算的精度，甚至影响有限元的计算进程。所以，在对沉降进行有限元模拟时，模型的选择直接影响其应变的结果，从而影响对沉降的预测。本文采用了与土体应变规律较为一致的Drucker-Prager模型进行模拟计算，Drucker-Prager模型为弹塑性模型，同时克服了Mohr-Coulomb模型的屈服面棱角奇异性，在进行有限元分析时较能准确的反应出土体沉降变形的实际情况。

3. 2 所选模型的假定条件

在进行有限元分析时，需要对现存路基及荷载进行下列假设，以保证有限元分析的进程：

（1）将三维问题转化为二维平面问题来考虑，按平面应变问题来模拟计算；

（2）路堤足够长，且地基土均匀分布且各向特性相同；

（3） 交通荷载作用在本文有限元模拟计算中等效为10kPa静载[5]

3.3模型边界条件的设定及参数的选取

据本文所依托110国道改建工程，根据设计文件相关参数，为简化计算，路基宽取值为26米，路基高度取为6米。边界条件上，结构左右边界定位横向固定约束，限制了水平位移；底部为横向和竖向双向固定约束，同时限制了水平和竖直位移；同时，将边界条件定位不透水的边界；水位线根据水文勘测资料取值为地表下0.4m，水位线以上地基土体以及路基填土均假定为孔隙水压为零。为更符合实际沉降原理，在选择单元时，地基土体采用平面应变减缩积分孔压/应力耦合单元，路基填土采用平面应变减缩积分单元。

材料参数的选取依据相关论文[6]研究，初始按下表所示选取：

表2 材料参数的选取

类别 厚度（m） rd（kN/m3） φ（°） c（kPa） κ E（kPa） μ

路基 6 18 20 10 0.43 40000 0.3

地基 5 18 9.9 8 0.53 2000 0.35

3.4基于分层总和法计算结果的参数调整

根据相关软件操作方法将有限元模拟计算输出结果，得到地基最大沉降量为1.52cm且位于路基的中心点下，最大沉降量发生位置与分层总和法以及工程实际相符，但可以看出，有限元分析数值结果上略小于分层总和法计算结果，现不改变边界条件及路基材料参数，对地基参数进行调整。本文选取影响因素较大的两个参数φ、c进行调整。

当c一定时，分别取φ值30、20、15、9.9、5，计算得到地基最大沉降量为0.16cm、0.77cm、1.08cm、1.52cm、2.03cm；

当φ一定时，分别取c值30、20、15、8、4，计算得到地基最大沉降量为

0.97cm、1.21cm、1.37cm、1.52cm、1.65cm。

由上结果可以看出，φ值在变化时，有限元分析结果变化明显，且成反比关系。调整材料参数时，结合实际土工试验及相关工程地质的取值范围，取c值为8、φ值为9，计算得到地基最大沉降量为1.58cm，与分层总和法计算结果吻合。

4.结论

4.1由本文中有限元分析及计算结果可以看出，在竖向位移的结果分析上，改变地基土内摩擦角φ的取值，其影响程度要大于改变粘聚力c的取值，且都与沉降量呈现反比关系。在调整有限元材料参数时，可结合分层总和法计算结果与有限元分析结果之间的误差范围，并考虑工程实际土工试验结果，有效快速的调整参数的取值。

4.2内蒙古地区110国道的地基沉降有限元模拟参数取c值为8、φ值为9，较为合理，根据设计资料以及现场土工试验结果可以看出，c、φ取值低于试验平均值的大小时较能准确反映出实际沉降的结果。

【参考文献】

1 石亦，周玉蓉.ABAQUS有限元分析实例详解[M].机械工业出版社，2006

2 马宁.土力学与地基基础[M].北京：科学出版社，2003

3 陈开圣，刘宇峰.分层总和法在路基沉降计算中应注意的几个问题[J].岩土工程，2005，19（1）：3-6

4 廖公云，黄晓明.ABAQUS有限元软件在道路工程中的应用[M].南京：东南大学出版社，2008

篇6

1.磨削力的数学模型

磨削力是表征磨削过程的重要参数，是磨削中主要的研究对象之一，其影响因素和作用效应是人们一直所关注的问题。磨削力主要来自工件与切削刀具接触引起的切削变形、弹性变形、塑性变形及磨粒和粘合剂与被加工件之间的摩擦作用。磨削过程中，磨削力的大小不仅可以反映出磨削过程中油石与工件之间的相互干涉过程，判定磨削效果的好坏，还能在一定程度上预测加工的表面质量和变质层厚度。故有必要对磨削过程中的磨削力进行系统性的研究，这将有助于进一步揭示磨削机理和合理解释磨削中的各种物理现象及选择适当的磨削用量。

关于磨削力数学模型的建立，想要对其进行严格的解析是很困难的。

2.磨削力的有限元分析

利用专业切削分析软件Third wave AdvantEdge对振动切削进行有限元分析。由于磨粒的形状不是固定的，它有很多种形式，现在的研究人员基本都是用圆锥形、四面体形和八面体形等模型，这里采用八面体型的一个具有负前角的模型进行分析。

4.结论

本文通过理论模型结合有限元软件对超声振动外圆珩磨磨削力进行了分析，并对机理进行进一步的阐述。超声振动切削技术的磨削力小这一工艺效果对精密加工和超精密加工有着重要的作用。对其机理的研究对丰富切削理论和提高经济效益都有着积极的意义。

【参考文献】：

[1] 高春强.超声振动珩磨加工技术的试验研究.中北大学硕士学位论文.2008.

[2] 张云电.超声加工及其应用.北京：国防工业出版社，1995.

[3] 袁易全.近代超声原理及应用.南京大学出版社，1996.

[4] 王爱玲，祝锡晶，吴秀玲.功率超声振动加工技术.国防工业出版社，2007.

[5] 祝锡晶.功率超声振动珩磨技术的基础与应用研究.南京航空航天大学博士学位论文，2007.

篇7

 

承德石油高等专科学校

无论在国内还是国外，振动消除残余应力都己经被广泛应用。目前，振动消除残余

应力不但被用在传统的重型机械和大型焊接构件、床身铸件、煤机产品、锅炉制造等方

面，而且许多其它行业也开始应用振动消除残余应力技术。目前，该项技术在铝合金试

件、化工设备领域、建筑领域、风机制造等方面都发挥着它的魅力。本文通过对试件进行振动时效处理，验证了对振动时效机理的分析及振动时效效果的判据。在此基础上，提出了用有限元模拟振动时效的想法，井作了初步的探讨。

一、振动时效前残余应力的有限元模拟

有限元分析以试验所用的对接焊薄板为研究对象，试件的尺寸单位为毫米，材质为低碳钢，焊缝与母材材质相同。我们近似认为它是以焊缝为对称轴，在考虑残余应力时只要考虑焊缝一侧即可。由于残余应力在沿焊缝方向的分布大致相同，所以将其看成无限大板，分析时选取一部分即可。

图1为模拟振前残余应力的网格划分及加载图。模型左端为焊缝处，延长度方向10等分，因靠近焊缝处应力较大，故在距左端0.1处进行网格细化。有限元采用面单元，119个节点，面面之间用强接触处理。左边和下边单向约束，右边自由，上边加载。

图2、3为第一、第二主应力分布图。

图1模拟振前残余应力的网格划分及加载图

图2第一主应力分布图

图3第二主应力分布图

二、振动时效的有限元模拟

上面通过对模型加载模拟了振动前残余应力的分布，现在要加上激振力，模拟振功

时效过程。图4.8为模拟激振力的网格划分及加载图，图4.9为Y方向上的应力。

图4模拟激振力的网格划分及加载图

图5Y方向上的应力分布

三、结果分析

加激振力前后沿远离焊缝方向节点的Y方向应力见表1。

表1节点对应的应力值

从上表可见，对残余应力的模拟与实际测量的应力值有一致的分布趋势。加上激振

力后残余应力的变化也与实际测量得到的变化趋势一致。当然，实际的振动时效过程是一个非常复杂的过程，涉及到各种参数的变化以及材料本身各种物理性能的变化。因此，用有限元来模拟整个振动时效过程是比较麻烦的事情，受到诸多方面因素的影响。如何模拟振动时效过程使其更贴近实际情况仍需做大量的工作。

参考文献

1 孙丰华等.振动时效消除金属工件残余应力效果检测.大连理工大学学报,1994,34(3):28-33

2 WalkerCAetal.Vibrato Srtess Relief一一 an Investigation of the Underlying Poreess.Eoll93 IMeeEh.proe.Josut.Meeh.Engrs,1995,209:52-57

3 房德馨等编著.金属的残余应力与振动处理技术.大连:大连理工大学出版社,1989

篇8

[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2013）16-0076-02

创新教育是一种全新的教育理念，主要是树立以学生为中心的观念，通过调动学生的学习积极性，教给学生创造性的思维方式，培养学生的创新精神和创造能力。“材料加工过程中的物理场”是材料加工专业的学科基础理论课，该课程理论性强，且涉及的学科基础理论课程多，曾经是该专业本科生和硕士研究生比较头疼的课程之一。但由于该专业在产品开发及工艺设计阶段普遍采用计算机仿真技术，该课程作为计算机仿真的理论基础对提高仿真的技术水平具有重要的价值，开展该课程的教学和研究又是非常必要的。下面就推进该课程的教学改革，提高培养工程应用创新人才的质量谈一些体会。

一、因材施教，抓好教材建设是推进课程教学改革的突破口

“材料加工过程中的物理场”是材料成形计算机仿真的基础理论课程，教学目标是让学生学习材料成形的数值分析理论基础，预先需要开设的课程有高等数学、线性代数、材料力学、弹性力学理论基础及金属塑性成形原理等，是一门教学起点高、理论性很强的课程。虽然国内已经有不少通用数值分析理论书籍及材料成形数值分析教材，但多数教材太注重自身理论体系的严密性和完整性，不太注重学生的知识基础及认知规律，因而往往起点太高并不适合作为我校本科生及硕士研究生的教材。鉴于此，我们结合当前应用型大学材料加工工程专业本科及硕士研究生教育专业知识背景的实际情况，并着眼于未来市场对工程创新人才的需要，编写了《材料成形的数值分析理论基础及软件应用讲义》供内部使用，作为推进该课程教学改革的突破口，取得了良好效果。在课程教材建设的过程中，主要基于以下思考：

1.教材内容及课程设置一定要符合学生的认知规律。

对于本科生，考虑到对预先开设的理论课程的要求，该课程应设置在专业基础课讲授完成以后为好。在教材内容上，要做到循序渐进、由浅入深、量体裁衣、因材施教。

2.教材内容总体把握分为两大部分，即线性有限元分析理论基础和非线性有限元及其在金属塑性加工中的应用。

第一部分侧重于基本概念、基本知识、基本理论的学习，第二部分在线性有限元分析理论的基础上，侧重于金属塑性加工非线性有限元理论体系的构建，并理论联系实际落实到应用实例。

3.在具体章节内容的安排上，不追求理论体系的严密性和完整性，但要符合学生的认知规律，由浅入深、循序渐进、量体裁衣，并在一定程度上注重知识的系统性。

譬如，第一章绪论主要介绍了工程上常用的几种数值分析方法及其适用的应用领域，有限元法作为最重要的一种数值分析方法做了详细介绍，并介绍了工程上常用的通用有限元分析软件及材料成形专用有限元分析软件。使学生对开设该课程的背景有一个直观的认识，该课程离现实并不遥远，对于将来的工程应用或理论研究都具有重要价值。

考虑到我校材料加工专业及多数高校工程专业在本科课程中并未开设弹性力学理论课程，而弹性力学的基础理论及变分原理又是学习数值分析理论必须要掌握的内容，因此在教材的第二章对弹性力学的基本方程及变分原理做了系统介绍。第三章介绍了杆梁系结构有限元分析的一般过程，以杆单元分析为主，并简要介绍梁单元的概念。杆单元是有限元分析中最简单的一种单元，但杆系结构的有限元分析却能反映有限元分析的一般流程和有限元法最本质的东西，并且学生容易接受，所以本章安排了一个一般杆系结构的有限元分析实例，使学生对有限元分析的整个过程有一个清晰的认识。第四章介绍了连续体结构有限元分析的基础理论，重点介绍二维平面问题、轴对称问题及三维连续体问题单元模型的构造方法，并简要介绍板壳单元的基本理论。第五章介绍等参元的概念及计算、二维及三维连续体等参元的构造方法、三维一般壳体单元的构造方法，并介绍数值积分的概念及计算方法。

金属的塑性成形主要是通过锻造、挤压、拉拔、轧制、冲压等工艺把金属加工成所需零件形状的一种方法，反映金属塑性加工的有限元法主要是指刚（粘）塑性有限元理论及大变形弹塑性有限元理论。所以第二部分针对锻造、挤压等工艺着重介绍指刚（粘）塑性有限元理论体系及应用，而针对冲压工艺着重介绍大变形弹塑性有限元理论体系及应用。

4.教材力求语言精辟、通俗易懂，并把知识的系统性和应用性相结合。

教材在编写过程中，要注意把握知识理论的逻辑性，并用精辟和通俗易懂的语言叙述出来。由于该课程最后要体现为金属塑性加工数值仿真的基础理论课，在第一部分线性有限元理论内容的设置上，要注意把握知识的系统性和应用性的结合，譬如轴对称体单元及三维一般壳单元等理论知识的介绍。

5.教材建设要在实践中不断充实、完善和提高。

针对每次的教学实践，都应该和学生和有关专家及时进行沟通交流，了解哪些地方需要补充，哪些地方需要改进，力求教材在教学实践中不断完善和提高，更好地为我校和其他高等院校工程专业提供服务。

二、更新教育理念，改革课堂教学方式是推进课程教学改革的重要内容

1.积极推进主动式学习方式，发挥学生学习的创造性。

在研究生该课程的课堂教学中，针对非线性有限元理论的学习，由于该部分内容多且理论深度较深，总学时有限，以前采用灌输式的教学方式并没有取得好的教学效果。我们采用了以下教学改革方式，结合笔者在非线性有限元理论以往丰富的研究经验，首先从总体上概括性地分别向学生讲授刚塑性及大变形弹塑性有限元理论体系，然后针对每一部分分别推荐有效的参考资料，并布置若干研究专题。学生在分组获得一个研究专题后，到图书馆或通过网络主动查阅资料，首先对每一部分进行系统学习，然后针对自己的研究专题深入研究，撰写研究论文和PPT。在以后的课堂教学中，各个同学分别用PPT讲解自己的研究内容，并在课堂交流中和老师、同学一起讨论，共同促进研究专题的学习。

2.采用多媒体教学方式，改进课堂教学效果。

事实证明，采用多媒体教学并和板书方式相结合，能够做到言简意赅，重点突出，科学知识的逻辑性和结果的形象性相结合，改进了教学效果，提高了工作效率。

三、加强课堂实践教学，是推进课程教学改革的重要环节

理论学习和软件应用相结合，一方面可以加深对理论学习抽象概念和严密知识的理解，对金属塑性成形仿真过程有一个比较直观的认识，是课堂教学知识性和趣味性一个比较好的结合；另一方面，软件应用本身不单纯是对学生一门操作技能的训练，更重要的是通过实践教学对学生创新能力的一种培养。我们采取了以下方式加强了课堂实践教学：

1.优选出一种金属塑性加工仿真软件，拿出一定的学时上机讲授该软件的具体操作方法。

2.精选出一个金属塑性加工实例，应用该软件向学生讲授实例的建模、运算和后处理整个操作过程。结合已经学习的仿真基础理论知识，详细讲授实例建模过程中一些技术参数、工艺参数的设置方法，并学会运用理论知识查阅软件理论手册，让学生真正理解理论知识和软件应用相结合，并终生受益。

3.让学生独立操作一个工程实例，作为培养其工程创新能力的一个训练和该课程的一个考核指标。

四、改革课程评价指标，是推进课程教学改革的保障

课程教学效果科学的评价指标，不但是对课程教学效果的检验，而且是对推进课程教学改革的一个保障。由于该课程是由理论知识讲授、师生互动学习及课堂实践教学有机结合的整体，因此该课程的科学评价指标应反映这三方面的实际教学效果。学生该课程的最终考核成绩是由三方面综合确定的：一是理论考核笔试成绩，二是平时作业及专题研究论文成绩，三是工程实例仿真研究成绩。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 王祖源，严导淦.工科物理课程改革与教材建设[J].中国大学教学，2011，（12）：36-38.

篇9

厚壁圆筒是最简单的高压与超高压设备,是工程中经常使用的一种结构。爆轰自增强技术可以成功的对这类设备进行自增强处理,从而提高其静强度和疲劳强度。在爆轰载荷的作用下筒壁,特别是内壁处的应力、位移、速度随时间的变化规律是我们关心的问题之一。

本文采用通用有限元分析软件ANSYS,对厚壁圆筒进行极限应力分析，就其工程应用意义上来说是很重要的[1] [2]。

2问题描述及解析解

图1所示为钢制厚壁圆筒，其内径=50mm,外径=100mm,作用在内孔上的压力=375MPa,无轴向压力，轴向长度视为无穷。材料的屈服极限=500MPa，无强化，弹性模量E=206GPa,泊松比μ=0.3。

图1 厚壁圆筒问题

根据材料力学的知识，此时圆筒内部已发生屈服，根据VonMises屈服条件，弹性性区分界面半径可由下式计算得到【3】 [5]

将上式中的个参数的值代入，可解出=0.08m。

则加载时，厚壁圆筒的应力分布为

弹性区（≤r≤）

塑性区（≤r≤）

将两式代入数值，可得，，处切向应力分别为202MPa、473MPa、369MPa。

弹性区（≤r≤）

塑性区（≤r≤）

将两式代入数值，可得，，处的残余应力分别为-422MPa、153MPa、119MPa。

3厚壁圆筒的有限元分析

3.1 有限元模型的建立

将圆筒简化为平面应变问题，同时为减少节点和单元数量以加快计算速度，利用几何模型和载荷的均匀对称性，故选取圆筒截面的四分之一建立几何模型进行求解[4] [6]，简化后几何模型如图2所示：

图2 简化几何模型

3.2 网格划分

建立几何模型后，需要对其进行单元划分，单元的选取和划分非常重要，它关系到求解的收敛性和精确性。在单元类型上本计算采用PLANE183单元，这种单元是2维8节点单元，每个节点有2个自由度，分别为x和y方向的平移。本单元既可用作平面单元(平面应力、平面应变和广义平面应变)，也可用作轴对称单元。它具有塑性、蠕变、应力刚度、大变形及大应变的能力。采用映射网格划分，选择单元形状为四边形，有限元模型如图3所示：

图3 映射网格划分

3.3 边界条件与载荷

本计算是在笛卡尔坐标系下建立的模型，在模型1/4边界线处节点上施加垂直和水平的固定约束，通过两个载荷步在内壁节点施加均布载荷，施加第一个载荷步的载荷为375Mpa,施加第一个载荷步的载荷为0，如图4，5所示：

图4 载荷步一

图5 载荷步二

3．4 结果显示

从结果中读取第一载荷步结果，用等高线显示圆筒VonMises应力，如图6所示：

图6 加载时圆筒Von Mises应力

从图中可以看出，圆筒内部材料已经发生屈服。

由内向外向外依次拾取与x轴平行的水平直线边上的所有节点，定义路径，将数据映射到路径上，作出路径图，如图7所示：

图7 路径计算应力结果图

图7所示的路径图是径向应力和切向应力关于半径的分布曲线。图中横轴为径向尺寸（单位：）,纵轴为应力（单位：Pa）,横轴的零点对应着厚壁圆筒的内径，横轴坐标为对应着厚壁圆筒的外径。

卸载后，此时内压为零，圆筒残余应力云图如图8所示：

图8 卸载后圆筒Von Mises 应力

而径向残余应力和切向残余应力随半径的分布情况如图9所示：

图9 路径计算应力结果图

通过对比分析厚壁圆筒处于工作压力条件下沿其半径方向力分布图,延半径方向选取，，三处，通过对比解析法分析和有限元分析求解所得径向和切向应力值，差异不大,其最大相对误差仅为3.8%，理论计算值与实验值基本吻合,从而验证了厚壁圆筒结构理论分析的正确性。对比分析如下表10所示：

径向应力

切向应力

解析解

MPa

数值解

MPa

相对误差

解析解MPa

数值解MPa

相对误差%

-375

-368

1.9%

202

209

3.5%

473

471

0.4%

-104

-108

3.8%

369

370

0.2%

表10 厚壁圆筒应力计算理论值与实测值结果

4小结

本文采用通用有限元分析软件ANSYS，对厚壁薄壁圆管在内压下的响应问题进行初步探讨，通过有限元分析来直观反映厚壁圆筒沿其半径方向的应力分析规律，并结合经典理论公式，证明用ANSYS求解的正确性，以此来验证厚壁圆筒结构理论分析的正确性，并为工程设计提供理论依据。

参考文献：

[1] 陶春达,战人瑞.冲击内压作用下厚壁圆筒弹性动力分析[J].西南石油学院学报,2000,(02)

[2] 冯剑军,张俊彦,张平,谭援强,韩利芬.在复杂应力状态下厚壁圆筒的极限分析[J].工程力学,2004,(05)

[3] 高耀东，郭喜平.ANSYS机械工程应用25例[M].电子工业出版社,2007

[4] 张朝辉．ANSYS11.0 结构分析工程应用实例解析（第二版）[M]．北京：机械工业出版社，2008．

篇10

中图分类号：U461.91 文献标志码：A 文章编号：1005-2550（2013）02-0050-03

在车辆发生碰撞时，安全气囊是否起爆是由ECU通过采集车身加速度响应的曲线与寄存器算法中固化的曲线进行对比来判定的。因此ECU采集到的车身加速度信号的准确性对于气囊起爆的控制精度起着至关重要的作用。大部分的气囊ECU都是安装在车身结构上，如果车身安装点结构的动刚度不足，对ECU采集加速度信号就会有干扰，影响信号的质量。目前，绝大部分的气囊ECU厂家对于ECU的安装点动刚度都有相应的要求和标准。在某微车开发过程中，ECU厂家通过对安装点进行锤击法动刚度试验发现，车身结构的动刚度没有达到企业的设计标准，因此需要通过改变车身结构以提高ECU安装点的动刚度。

1 动刚度有限元分析

1.1 有限元模型建模

ECU安装在驾驶室前地板上，车身后部结构对该点的影响甚微，为了缩短分析计算的时间，因此可以截取B柱以前的车身结构进行分析研究，如图1。在模型中约束车身前悬架安装点和截取边界节点的全部平动自由度，并在ECU安装的螺栓孔上方20 mm处的节点上施加X、Y、Z三个方向上的单位载荷100 N，激励的频率范围0～1000 Hz，有限元模型前处理采用Hypermesh软件，车身结构的阻尼比取0.02。

1.2 有限元分析求解

分析计算采用NASTRAN求解器。NASTRAN求解器具有完善的频率响应分析功能，在分析模型中采用直接频率响应法进行求解，输出激励点的位移、速度和加速度。

1.3 动刚度结果后处理

在NASTRAN的计算结果OP2文件中，可以找出激励点随频率变化的位移值，绘制成频响位移曲线。加载的单位激励力为100 N，通过计算激励力和位移的比值即可得到对应频率下动刚度。

如图2所示，德国BOSCH公司对ECU支架X、Y、Z三个方向上的动刚度要求在50～2 000 Hz频域内都不能低于2 000 N/mm（目标线）。原方案计算发现，车身ECU安装点的动刚度（曲线）明显不满足要求，与试验的结论是一致的。

2 车身结构改进

通过有限元分析的结果，发现车身前地板动刚度低的原因主要是：

（1）前地板为0.8 mm的单层钢板，地板垂直方向的刚度很难提高。

（2）前地板上的加强筋形状设计不够合理，在某些频率下，加强筋没有起到加强的作用。

（3）前地板与发动机舱连接的拐角的抗弯刚度不足，在ECU安装点受到X向冲击时，发动机舱挡板不能提供支撑，增加刚度。

根据发现的问题，设计了五种新的加强结构方案，并进行了对比分析。

2.1 方案一

在地板上部增加1.2 mm厚槽型加强板，这可以增加地板与发动机舱挡板之间的抗弯刚度，见图3。但是由于ECU上方设计了水杯托架，这个加强方案受其影响不能设计的太大，因此效果不明显。从分析结果可知，在300 Hz～450 Hz之间，X和Z向的动刚度均低于目标值。

2.2 方案二

在方案一的基础上将前地板通道的形状进行优化，以增加前地板的刚度。通过计算发现安装点Z向的动刚度有了明显的提高，基本达到了设计要求，但是X向的动刚度仍然不足，该方案不能满足要求。

2.3 方案三

设计了一个新的支架用于连接地板和圆管梁。前地板下方有一根圆管梁，刚度比地板要大。在地板和圆管梁之间增加连接件可以提高地板的刚度。通过有限元分析发现，前地板动刚度仍然低于目标值。

2.4 方案四

在前地板ECU安装处增加0.7 mm厚的加强板。但是效果并不理想，动刚度只有略微的改善。

2.5 方案五

基于前四种方案，设计了一个组合型的结构，既连接前地板和圆管梁，也增加前地板局部的料厚，这样一来可以把前几种方案的改进效果叠加在一起，通过分析计算，效果非常明显，前地板ECU安装点在X、Y、Z三个方向的动刚度都达到了设计要求的目标值。

3 结论

本文通过有限元分析方法，对安全气囊ECU安装点动刚度进行了分析计算，并对安装点的结构进行了改进设计，方案五的结构动刚度有了明显的提升，达到了设计要求。最后的验证试验也表明安装点结构的改进是有效的。

参考文献：