利用有限元的方法,对某保护罩强度进行设计分析.docx

CAE及其在航天技术中的应用二、利用有限元的方法，对某保护罩强度进行设计分析专业：飞行器设计与工程学号：1120130098姓名：李想时间：2016年1月22日1、题目介绍利用有限元的方法，对某保护罩强度进行设计分析，其结构外形及参数如下图所示（共五个部件，采用拓扑互锁形式搭接分析时可用glue将其各部分粘接）。分析两种载荷情况下均满足强度要求和最大变形小于1mm的壳体厚度（取整数）。长度单位：mm壳体厚度：4～10材料弹性模量：200GPa材料泊松比：0.3材料强度：280MPa载荷1:全部拱形上表面压强0.5MPa载荷2:标a的部分上表面压强0.5MPa提示：采用壳模型或者实体模型，地面约束轴向位移，侧面约束径向位移，选一个点约束周向位移。2、分析思路：2.1、力学模型：通过对题目的分析，这是一个结构力学的问题，并且由图上给出的条件，不难看出，整个系统的自由度为零，整个系统是静定的，所需要我们求解的就是在不同载荷下，满足各个位移约束的条件中，在范围内选择出厚度最薄的壳体。通过材料力学的知识，我们可以知道基本的应力和应变之间的关系以及一些基本的常见的构件的内力的求解，但是在本次结构力学的分析中，各个点受力的情况是各不相同的，如果采用材料力学的方法是难以解决的。所以只能采用有线元的方法来分析结构的强度。同时在校核的过程中，选用第三强度理论来考虑结构的屈服失效形式。2.2、软件模型：通过ANASYS软件，我按照1:1的比例，将题目中的模型在其工作平台上建立起来，并按照题目的要求施加约束以及载荷。需要说明的两点是：壳体是在柱坐标系下建立的；在建立模型的过程中，所画的网格的间隔是0.01，而且是通过扫略式进行的网格划分，详细的过程会在之后的分析模型中讲到。2.3、数值计算：第一、在探究壳体厚度变化对壳体变形的影响过程中：最直观的数据就是在不同载荷情况下，壳体受压之后，产生的形变量的大小。倘若最大形变量能够小于允许值，那么该壳体厚度就能够达到要求。第二、在探究壳体厚度变化对壳体应力强度的影响过程中：最直观的数据不是直接给出最大应力在哪里，而是能通过强度理论找打最危险的点，并对其进行校核，倘若能够满足强度要求，那么壳体厚度就能够达到要求。在不同的壳体厚度设定下，重复1、2两个步骤就能得到一组关于厚度变化的数据，那么只要从这组数据中，找到既能满足变形量，又能满足强度要求的最小壳体厚度即可。通过上面的分析：我选择在数值计算过程中：选择计算出两种载荷情况下，各个厚度对应的应变量和对应的第三强度理论值的大小。3、分析模型我现在将主要分析一下我是如何建立模型的。首先，进入前处理模块，先设置材料的属性；其次，画缺顶的内球面，在笛卡尔坐标系下画出一个内圆弧，然后变换坐标系到柱坐标系下（原点在球心），让圆弧绕着轴线旋转90度四次组成缺顶的内平面；同理画出缺顶的外弧面；之后将外弧面组成一个壳体；然后画壳顶盖，同样的方法，先画出一道圆弧，然后再旋转，建立面。最后用布尔操作的Glue 将其全部粘接起来。注意：在画壳体的时候，要计算好外壳体到内壳体之间的厚度为4mm，5mm......划分网格：在这里，我采用hex——sweep扫略式划分的方法，选择全部实体都划分。如下图：然后是施加约束条件：首先选择底面的圆环，先将其的整个z轴方向固定住；然后对于侧面的位移，我采取约束的方式是：将坐标换到圆柱坐标系下，然后将侧面的圆柱侧表面的沿着径向方向进行约束；对于周向约束，我选择了一点，将其的x方向和y方向的位移都进行约束。如下图所示：施加压力：在选取施加平面的时候，一定要注意施加在上表面，不要施加在下表面。如下图所示：4、分析结果：首先我分析的是壳体厚度为4mm情况下的变形量和应力强度。其分析图像分别如附图1、2、3、4（标题手写）；通过附图可以很轻松发现，在4mm情况下，两种载荷产生的形变量和最大应力（第三强度理论）都在要求范围之内。为了进一步分析，我直接分析了壳体厚度为3mm情况下的变形量和应力强度，其分析图形分别如下附图5、6、7、8（标题手写）；通过附图可以很轻松发现，在3mm情况下，两种载荷产生的形变量和最大应力（第三强度理论）都在要求范围之内。5、结论通过分析可以知道，在壳体厚度为3mm的情况下都能够满足强度和刚度的要求，所以我选择4mm的厚度，这样既能够满足刚度强度的要求，又偏向于安全的设计，且在备选范围内，壳体的质量最轻。但是我发现在我建立模型的过程中，可能是由于在径向位移约束或者是在施加周向位移约束的过程中出了差错，也可能是我没有将所有的体积都glue好，所以导致在后面的分析中，出现了应力集中的现象。根据材料力学的基本原理，施加分布力系的过程中是不应该出现集中应力的，我觉得这是我在此次分析过程中应该去解决的；其次，可以发现，相比于对称载荷和非对称载荷，