刀架拨叉有限元强度与变形计算(附件)【字数：9073】
摘 要 拨叉零件是机床中的重要组成部分,其强度决定了寿命。采用有限元分析（FEA）方法，运用HyperMesh有限元分析软件，计算拨叉零件应变和应力分布情况，验证零件的合理性。从而根据这一分析结果提出正确的设计与优化方案，这对提高刀架的综合性能，降低生产成本，增强市场竞争力有着重大意义。本文通过增设加强筋使得优化后具有更好的强度，相比于之前的分析，刀架拨叉的最大应力下降了21.5%，最大形变量下降了18.4%，使得刀架拨叉结构更为合理。
目 录
第一章 绪 论 1
1.1 课题的背景 1
1.2 有限元法概述 2
1.3 国内外研究现状 4
1.4 课题研究内容和目标 5
第二章 刀架拨叉的三维建模 6
2.1 CAD软件的选择 6
2.2 刀架拨叉几何模型建模过程 6
第三章 拨叉有限元计算模型的建立 10
3.1 Hypermesh软件的简介 10
3.1.1 Hypermesh的发展概述 10
3.1.2 Hypermesh的主要功能 10
3.1.3 Hypermesh的主要特点 11
3.2 分析模型 12
3.3 材料参数 14
3.4 约束与载荷 15
第四章 计算结果及优化方案 18
4.1 计算结果分析 18
4.2 优化方案 19
4.2.1 优化依据 19
4.2.2 优化结果 20
第五章 结 论 21
致 谢 22
参考文献 23
第一章 绪 论
1.1 课题的背景
伴随着现代科学技术的高速与高效发展，更高的大楼、更快捷的交通工具、更精密的机械设备、更符合人体工学的产品一一被我们设计出来。这一切设计都需要设计师在产品的研发设计阶段就要考虑到产品在未来所要面临的问题，这就需要对产品的结构进行静、动力分析以及温度、流体、电磁等进行分析计算。例如分析滑梯在过载时易发生破坏的位置；分析流对 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
方程式赛车的影响（如图11）；分析不同力对人体脊椎的影响（如图12）；分析叶片内流体的动力学参数，用来提高其运转效[1]；分析人类口腔生物的力学问题[2]。等由于需要很大的计算量，传统的计算无法满足所需的要求，因此很多的国内外学者致力于此。
随着时间的推移，一种以部分插值和能量原理为基础，以计算机为工具的结构分析数值方法：有限元分析（FEA）[3]解决了这复杂的计算。
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图11 流体对赛车的影响
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图12 力对脊椎的影响
拨叉是煤矿机械、车床、汽车等变速系统中的重要零部件之一，可以改变速度及运动方向，所以在长时间的冲击和磨损的工况下，对拨叉的强度和硬度，耐磨性及抗冲击性能有着很高的要求。由于拨叉运用在不同的场合中，形态各异，具有很差的互换性，在工作过程中经常出现磨损和断裂的情况，所以要通过对拨叉的材料、结构设计及工艺分析进行检查，这样才能加工出合格的零件。通过利用有限元分析软件来对拨叉进的强度及受力情况分析，优化拨叉的结构设计，从而减少设计成本，获得更大收益。
为了提高拨叉的设计水平，必须将有限元分析与结构设计相结合。本文以刀架的拨叉为研究对象，对拨叉UG三维建模并利用有限元分析软件Hypermesh来对刀架拨叉进行静态特征分析以及优化。
1.2 有限元法概述
有限元法有提出(1943)、发展(1944一1960)和完善(1961二十世纪九十年代)三个阶段。有限元法是在接受内外综合动力作用而产生的。1943年，柯朗发表了数学论文《平衡和振动问题的变分解法》和阿格瑞斯在工程学中取得的重大突破标志着有限元法的诞生。有限元法早期发展阶段中，有限元法的代数表达形式被研究得出，同时开始了对单元划分、单元类型选择的研究，并且在解的收敛性研究上取得了很大突破。1960年，克劳夫第一次提出了“有限元法”这个名称，标志着有限元法早期发展阶段的结束。我国著名数学家冯康在特定的环境中独立于西方已有的理论提出了有限元法。1965年，著名论文《基于变分原理的差分格式》的发表，标志着有限元法在我国的诞生[4]。
有限单元法[5]的本质是将连续解的区域分成一组以某种方式连接在一起的有限元。因为单元格可以以不同的方式组合，并且单元本身可以具有不同的形状，所以可以对域的复杂几何进行建模。有限元方法作为数值分析方法的另一个重要特征是使用每个单位假设的近似函数，对整个解域中求解的未知域函数进行切片。单元通常由单元的每个节点处的未知场函数或其导数的值及其插值函数来表示。这样一来，一个问题的有限元分析中，未知场函数或及其导数在各个结点上的数值就成为新的未知量(也即自由度)，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。这将获得整个解域的测量解，很明显，解决方案的近似程度将随单元尺寸减小或元件自由度增加以及内插函数改进的元素数量的增加而得到改善。如果单元满足收敛要求，则结果将最终收敛到确切的解决方案[6]。
有限元分析是用一组离散单元来代替连续体结构进行分析的，该单元称为有限元模型。假如各个单元的刚度特性是已知的，可以根据变形条件和节点的条件推导出结构的特性，并且可以研究其性能。
在有限元方法中，连续体被划分为多个单位，以每个单位的几个节点的位移为未知数，即，则单元内任一点的位移为。
引入位移函数N(x,y,z)表示场变量在单元内的分布形态和变化规律，以便用场变量在节点上的值来描述单元内任一点的场变量。因此在单元内建立的位移模式为：
（11）
其中：，I为单位矩阵。
目 录
第一章 绪 论 1
1.1 课题的背景 1
1.2 有限元法概述 2
1.3 国内外研究现状 4
1.4 课题研究内容和目标 5
第二章 刀架拨叉的三维建模 6
2.1 CAD软件的选择 6
2.2 刀架拨叉几何模型建模过程 6
第三章 拨叉有限元计算模型的建立 10
3.1 Hypermesh软件的简介 10
3.1.1 Hypermesh的发展概述 10
3.1.2 Hypermesh的主要功能 10
3.1.3 Hypermesh的主要特点 11
3.2 分析模型 12
3.3 材料参数 14
3.4 约束与载荷 15
第四章 计算结果及优化方案 18
4.1 计算结果分析 18
4.2 优化方案 19
4.2.1 优化依据 19
4.2.2 优化结果 20
第五章 结 论 21
致 谢 22
参考文献 23
第一章 绪 论
1.1 课题的背景
伴随着现代科学技术的高速与高效发展，更高的大楼、更快捷的交通工具、更精密的机械设备、更符合人体工学的产品一一被我们设计出来。这一切设计都需要设计师在产品的研发设计阶段就要考虑到产品在未来所要面临的问题，这就需要对产品的结构进行静、动力分析以及温度、流体、电磁等进行分析计算。例如分析滑梯在过载时易发生破坏的位置；分析流对 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
方程式赛车的影响（如图11）；分析不同力对人体脊椎的影响（如图12）；分析叶片内流体的动力学参数，用来提高其运转效[1]；分析人类口腔生物的力学问题[2]。等由于需要很大的计算量，传统的计算无法满足所需的要求，因此很多的国内外学者致力于此。
随着时间的推移，一种以部分插值和能量原理为基础，以计算机为工具的结构分析数值方法：有限元分析（FEA）[3]解决了这复杂的计算。
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图11 流体对赛车的影响
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图12 力对脊椎的影响
拨叉是煤矿机械、车床、汽车等变速系统中的重要零部件之一，可以改变速度及运动方向，所以在长时间的冲击和磨损的工况下，对拨叉的强度和硬度，耐磨性及抗冲击性能有着很高的要求。由于拨叉运用在不同的场合中，形态各异，具有很差的互换性，在工作过程中经常出现磨损和断裂的情况，所以要通过对拨叉的材料、结构设计及工艺分析进行检查，这样才能加工出合格的零件。通过利用有限元分析软件来对拨叉进的强度及受力情况分析，优化拨叉的结构设计，从而减少设计成本，获得更大收益。
为了提高拨叉的设计水平，必须将有限元分析与结构设计相结合。本文以刀架的拨叉为研究对象，对拨叉UG三维建模并利用有限元分析软件Hypermesh来对刀架拨叉进行静态特征分析以及优化。
1.2 有限元法概述
有限元法有提出(1943)、发展(1944一1960)和完善(1961二十世纪九十年代)三个阶段。有限元法是在接受内外综合动力作用而产生的。1943年，柯朗发表了数学论文《平衡和振动问题的变分解法》和阿格瑞斯在工程学中取得的重大突破标志着有限元法的诞生。有限元法早期发展阶段中，有限元法的代数表达形式被研究得出，同时开始了对单元划分、单元类型选择的研究，并且在解的收敛性研究上取得了很大突破。1960年，克劳夫第一次提出了“有限元法”这个名称，标志着有限元法早期发展阶段的结束。我国著名数学家冯康在特定的环境中独立于西方已有的理论提出了有限元法。1965年，著名论文《基于变分原理的差分格式》的发表，标志着有限元法在我国的诞生[4]。
有限单元法[5]的本质是将连续解的区域分成一组以某种方式连接在一起的有限元。因为单元格可以以不同的方式组合，并且单元本身可以具有不同的形状，所以可以对域的复杂几何进行建模。有限元方法作为数值分析方法的另一个重要特征是使用每个单位假设的近似函数，对整个解域中求解的未知域函数进行切片。单元通常由单元的每个节点处的未知场函数或其导数的值及其插值函数来表示。这样一来，一个问题的有限元分析中，未知场函数或及其导数在各个结点上的数值就成为新的未知量(也即自由度)，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。这将获得整个解域的测量解，很明显，解决方案的近似程度将随单元尺寸减小或元件自由度增加以及内插函数改进的元素数量的增加而得到改善。如果单元满足收敛要求，则结果将最终收敛到确切的解决方案[6]。
有限元分析是用一组离散单元来代替连续体结构进行分析的，该单元称为有限元模型。假如各个单元的刚度特性是已知的，可以根据变形条件和节点的条件推导出结构的特性，并且可以研究其性能。
在有限元方法中，连续体被划分为多个单位，以每个单位的几个节点的位移为未知数，即，则单元内任一点的位移为。
引入位移函数N(x,y,z)表示场变量在单元内的分布形态和变化规律，以便用场变量在节点上的值来描述单元内任一点的场变量。因此在单元内建立的位移模式为：
（11）
其中：，I为单位矩阵。
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