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江苏师范大学科文学院本科生毕业设计（论文）
论文题
姓名：冯恺伟
系别：机电工程系
专业：机械设计与自动化
年级、学号： 10Z机制 088321009
指导教师：姜海波
江苏师范大学科文学院教务部印制
徐州师范大学科文学院学士学位
毕业设计报告（毕业论文）原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的毕业设计报告（论文）基于有限元方法的人工髋臼参数设计是本人在导师指导下，在江苏师范大学科文学院学习期间，进行毕业设计（论文）时取得的成果。本人知道，除文中已经标明引用的内容外，本毕业设计报告（论文）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人或集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
班级：10Z机制
学号：088321009
学生签名：冯恺伟
年月日
基于有限元方法的人工髋臼参数设计
摘要：本次毕业设计的题目是“基于有限元方法的人工髋臼参数设计”。在于运用ANSYS软件分析球窝球头受到静力或冲击载荷受力分析，并通过对ANSYS软件的学习，掌握该软件完成有限元分析的方法与步骤，并运用软件对毕业设计中具体给定的髋关节球窝球头实例进行分析，通过完成整个分析过程使自己达到对ANSYS软件的熟练操作，要求测得以下相关参数：应力，应变，变形等。并通过分析对不合理机构提出改进方案，并验证改进的方案。
在对本次球窝球头设计之前首先需要熟练掌握ANSYS软件系统，对球窝球头分析第一要求对它们进行建模，建模分为两种，一种是二维建模，在建模过程中，通过建模面指令将球窝球头的2维平面构造起来，本次设计是有限元静力分析，为此我设计5组尺寸进行了分析，所以建立了5组尺寸模型。另一种是3维建模，2维建模完成后就可以通过VROTA T指令对其进行三维建模，通常三维建完的模是分成四份，在软件前处理器运算中相加实体完成
当模型建立完之后，就可以对其进行网格划分，根据球窝球头模型结构采用实体自由划分，将其实体分成若干份小四面体，将分析部分进行细化完成划分。
划分完网格后就对球头施加静力，模仿髋关节运动设定球窝固定，球头上施加1200kg的力，对其进行求解。
当求解完成后，就对球窝球头做分析并生成图形，在后处理器中，对5组位移变形和应力数据分析比较得出结果
结论：分析结果发现，当球头直径变化时，整体应力与球头应力发生了波动，成上升趋势，但球头直径为31mm时应力明显下降，而位移变形却增大了，这说明在其尺寸下极其不稳定，在静力施加下尽量避免其尺寸出现，而位移变形成整体线性下降趋势，通过五组数据比较球头直径为30mm的较稳定
【关键词】球窝压头；应力载荷有限元分析；三维建模；ANSYS；动静态分析
Abstract
The graduation project entitled "ball nest structure of the indenter, the stress load, finite element analysis. The purpose of the topic is the analysis of the ball head and the use of the nest environment force. Focused on the use of ANSYS software to analyze ball ball and socket head by static or impact loads, stress analysis, and ANSYS software to learn, to master the software to complete the finite element analysis methods and procedures, and the use of software specifically given to the graduate design the hip ball and socket ball head instance to analyze, through the completion of the entire analysis process to achieve their proficiency in the ANSYS software, requiring measured the following parameters: stress, strain, deformation. Unreasonable institutions by analyzing the improvement program and verify that the improved scheme.
ANSYS software system, you first need to master before the ball head of the ball and socket design analysis requirements modeling, modeling is divided into two ball head on the ball and socket, a two-dimensional modeling, the modeling instruction through modeling surface of the ball nest ball head process, the two-dimensional planar structure together, this design is the finite element static analysis, and I design the group size, so the group size model. The other is a 3-D modeling, 2-D modeling is complete after three-dimensional modeling VROTAT instruction, usually three-dimensional mold of the finished building is divided into four parts, the sum of the entity in the processor-intensive software to complete
When the model is finished, it can be meshed using solid freeform divided according to the model structure of the ball and socket ball head will be in fact the body is divided into several small tetrahedron, will analyze part of the refinement to complete division.
The division finished the grid after the static, imposed on the ball head to mimic the hip movement to set the ball and socket fixed ball head imposed 1200kg force to solve.
When the solution is finished, the ball head on the ball and socket do analysis and generate the graphical post-processor, 5 groups of displacement data analysis of the deformation and stress the outcome
【Key words 】:ball and socket head; finite element analysis of stress load; three-dimensional modeling; the ANSYS; static and dynamic analysis
目录
绪论 (5)
第一章分析方法和研究对象 (9)
1.1 ANSYS简介 (9)
1.2 ANSYS的主要应用领域 (11)
1.3 ANSYS主要分析步骤 (11)
1.4 圆球髋关节简介 (12)
第二章ANSYS模型建立 (15)
2.1 圆球髋关节二维制图 (15)
2.2 三维建模 (16)
2.3 人体髋关节静力学类型分析 (17)
2.4 网格划分 (18)
2.5 球头球窝网格划分设计 (20)
2.5球窝球头约束和受力特点 (20)
2.6球头的变形位移图 (22)
2.7球窝球头应力图 (23)
第三章球头球窝大小变化分析比较 (24)
3.1整体应力图变化 (24)
3.2整体位移变形图变化 (25)
3.3球窝应力图变化 (26)
3.4球窝位移变形图变化 (27)
3.5球头应力图变化 (29)
3.6球头位移变形图变化 (30)
第四章总结与展望 (32)
4.1 总结 (32)
4.2 毕业论文体会 (32)
4.3致谢 (33)
参考文献 (34)
绪论
1.1课题目的
本次毕业设计的题目是“圆球窝压头结构，应力载荷有限元分析”。课题的目的是对球头窝的使用环境受力情况的分析。重点在于运用ANSYS软件分析钻杆受到静力或冲击载荷受力分析，并通过对ANSYS软件的学习，掌握该软件完成有限元分析的方法与步骤，并运用软件对毕业设计中具体给定的钻杆实例进行分析，通过完成整个分析过程使自己达到对ANSYS软件的熟练操作，要求测得以下相关参数：应力，应变，变形等。并通过分析对不合理机构提出改进方案，并验证改进的方案。
1.2背景
近年来随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高，三维软件建模技术及有限元分析技术在工程设计和分析中得到了越来越广泛的重视，特别是有限元技术已经成为解决复杂的工程分析计算问题的有效途径，现在从汽车到航天飞机几乎所有的设计制造都已离不开有限元分析计算，其在机械制造、材料加工、国防军工、能源、铁道等各个研究领域的广泛应用使得工程师的设计水平发生了质的飞跃，这足以体现出了计算机应用技术的重要性。
髋关节是人体最大、最稳定的关节之一，由股骨头、髋臼和股骨颈形成关节。由于髋关节的重要性和置换的多样性，目前对于髋关节和置换假体的生物力学特性研究的较多。对髋关节进行了三维有限元模拟，研究其非线性接触压力分布，对医学，对假体的研究，具有非同一般的意义。如下图就是关于人体髋关节的结构类似图人工髋关节假体是仿照人体髋关节的结构，将假体柄部插入股骨髓腔内，利用头部与关节臼或假体金属杯形成旋转，实现股骨的曲伸和运动。人工全髋关节假体由人工髋臼和人工股骨头组成，分为单极、单极全髋、双动半髋和全髋、可换头部双动半髋和全髋形式。纵观历史，可以了解到人工髋关节假体的发展历程已走过很久。
1822年英国人Anthony.White医生施股骨大粗隆下5cm截骨术，以改善髋关节功能，缓解疼痛，12个月后形成假关节。
1876年美国人Barton施股骨小粗隆上截骨术，术后3个月扶单拐行走。
1840年-1860年美国JM.Carnochan首先进行了下颌关节成形术，橡木片（非生物材料）置入，关节可以活动，但后来橡木片被排出而失败，这一手术应该说是人工假体置换术的开端。
1910年德国Dethert用橡胶假体施行了全髋关节置换术。
1923年 Smith Petersen设计了玻璃杯关节成形术，被认为是髋关节置换术的鼻祖，以后用了许多不同材料做的杯效果均不佳。
1934年 Rehn用不锈钢杯置入髋关节脱位患者的髋臼。
及至如今，人工全髋关节的技术研究已有一定成绩。人工髋臼和人工股骨头在过去均用金属，由于实践证明该设计并发症多，现已不用。目前国内外均用超高分子聚乙烯制成的髋臼，低强度模量金属制成的人工股骨头。人工全髋关节的类型和设计较多，主要是股骨头的直径和与骨固定的髋臼面的设计。较厚的髋臼，直径相对小的人工股骨头组成的全髋，头臼摩擦力小，人工臼稳定，局部反应小。人工全髋关节置换术的并发症除有人工股骨头置换的并发症外，尚有人工髋臼的松动，脱位及负重区的超高分子聚乙烯面磨损后引发的局部反应。
假体的外形设计和手术中的安装、固定方法是现今研究的重点，针对这些方面国内外专家进行了很多的尝试。而通过有限元分析法以及相关软件的帮助，对于人工假体设计相信可以在一定程度上化简了研究的工作。
1.3有限元分析的内容及方法
有限元方法是数值计算中的一种离散化方法。用数学术语来说,就是从变分原理出发，通过分区插值，把二次泛函（能量积分）的极值问题转化为一组多元线性代数方程来求解；从物理和几何概念来说，有限元方法是结构分析的一种计算方法，是矩阵方法在结构力学和弹性力学等领域的发展和应用，其基本思想是将弹性体划分为有限个单元，对每个单元，用有限个参数来描述它的力学特性，而整个连续弹性体的力学特性可认为是这些小单元力学特性的总和，从而建立起连续体的力平衡关系。这种方法常用于复杂弹性振动系统，其求解方式现在有多种可利用的商业化软件，这里我们应用ANSYS 软件系统。有限元分析步骤如下：
第一步，问题及求解域定义：根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域。
第二步，求解域离散化：将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限个单元组成的离散域，习惯上称为有限元网络划分。显然单元越小（网络越细）则离散域的近似程度越好，计算结果也越精确，但计算量及误差都将增大，因此求解域的离
散化是有限元法的核心技术之一。
第三步，确定状态变量及控制方法：一个具体的物理问题通常可以用一组包含问题状态变量边界条件的微分方程式表示，为适合有限元求解，通常将微分方程化为等价的泛函形式。
第四步，单元推导：对单元构造一个适合的近似解，即推导有限单元的列式，其中包括选择合理的单元坐标系，建立单元试函数，以某种方法给出单元各状态变量的离散关系，从而形成单元矩阵。
第五步，总装求解：将单元总装形成离散域的总矩阵方程（联合方程组），反映对近似求解域的离散域的要求，即单元函数的连续性要满足一定的连续条件。总装是在相邻单元结点进行，状态变量及其导数连续性建立在结点处。
第六步，联立方程组求解和结果解释：有限元法最终导致联立方程组，联立方程组的求解可用直接法、选代法和随机法。求解结果是单元结点处状态变量的近似值。对于计算结果的质量，将通过与设计准则提供的允许值比较来评价，并确定是否需要重复计。静力分析Ansys的大体步骤：
1、确定结构的分析方案（线、面、体）：桁架、壳、实体等；注意线性单元和高次单元
的使用；对称性等简化方法的运用；
2、根据分析的类型确定单元类型、实常量等，特别是单元类型的某些选项，对于某些
分析十分重要；
3、设定材料模型；
4、采用各种方法建立模型。在进行布尔运算时特别注意运算对以后分析的影响，尤其
是在某些情况下有些网格较难生成，因此对于布尔运算要慎重考虑，为解决该问题应尽量采用几何体素直接建模；
5、将材料、实常量等参数赋给模型，在某些情况下可以同时指定方向点；
6、按情况划分网格：自由网格或自由网格，设置合适的网格密度等，尤其注意网格设
置；
7、在生成节点和单元后，根据实际情况定义接触单元、自由度的耦合及约束方程等；
8、施加力和约束等；
9、求解：注意设置合适的求解选项；
10、进入后处理菜单获得计算结果等。ANSYS提供两种后处理方式，即POST1和POST26。
前者用于处理整个模型在某一载荷步(时间点)的结果。后者处理模型中特定点在所
有载荷步(整个瞬态过程)的结果。结果均可用彩色云图、矢量图和列表来显示；11、评价分析结果。
有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。有限元的概念早在几个世纪前就已产生并得到了应用，例如用多边形（有限个直线单元）逼近圆来求得圆的周长，但作为一种方法而被提出，则是最近的事。有限元法最初被称为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。
通过有限元分析法以及相关软件的应用，介入人体假体的研究，从而对假体进行受力分析，可以对假体的形状，材料等进行分析，一方面化简研究过程，另一方面在节约时间的同时，也不会因此让其结果影响到研究的准确性。
研究内容
基于有限元方法对圆球窝压头结构进行分析，球窝球头运动类似于人体髋关节运动，本次设计是假想通过股骨头施加静力在骨臼上，下面有关骨臼股骨头的相关图片
对髋关节球头施加力后，观察他们的变形位移和应力变化，再通过改变其球头直径尺寸来分析位移变形和应力与球头尺寸的变化关系，球窝壁厚设计为8mm，球头直径设计为28mm，29mm,30mm,31mm,32mm5个尺寸，算出每一组尺寸数据之后进行分析比较，
得出结果
第一章分析方法和研究对象
1.1 ANSYS简介
ANSYS 10.0在CAE 功能上引领现代产品研发科技，涉及的内容包括：高级分析、网格划分、优化、多物理场和多体动力学。
ANSYS 10.0 不仅为当前的商业应用提供了新技术，而且在以下方面取得了显著进步：
?继续开发和提供世界一流的求解器技术
?提供了针对复杂仿真的多物理场耦合解决方法
?整合了ANSYS 的网格技术并产生统一的网格环境
?通过对先进的软硬件平台的支持来实现对大规模问题的高效求解
?继续改进最好的CAE 集成环境－ANSYS WORKBENCH
?继续融合先进的计算流体动力学技术
加速多步求解
ANSYS VT 加速器，基于ANSYS 变分技术，是通过减少迭代总步数以加速多步分析的数学方法。这包括了收敛迭代和时间步迭代或者二者的综合。收敛迭代的例子是非线性静态分析，不涉及接触或塑性，而时间步迭代指的是线性瞬态结构分析，二者组合的例子，非线性结构瞬态或者热瞬态分析。
ANSYS VT 加速器提供了2-10X 的加速比，允许用户快速重新运行模型。具体的加速比受到硬件、模型和分析类型的影响。而且，这个工具在非线性或瞬态分析的参数研究中可以获得5-30X 的加速。在使用ANSYS VT 加速器之前，用户可以作下列类型的改进：
?修改或者增加或移除载荷（约束不能更改，但是数值可以修改）
?材料和材料模型
?截面常数和实常数
?几何
ANSYS VT 加速器软件，使用ANSYS MECHANICAL HPC 的授权，可以应用到结构循环对称模态分析以及高频电磁谐分析。ANSYS VT 加速器可以结合ANSYS DESIGNXPLORER VT 技术，实现更快速的参数化研究。
网格变形和优化
对于很多单位，进行优化分析的最大障碍是CAD 模型不能重新生成，特征参数不能反映那些修改研究的几何改变。通过与ANSYS WORKBENCH 的结合，ANSYS MESH MORPHER （FE-MODELER 的新增加模块）可以实现这个功能，甚至更多。
通过网格操作而不是实体模型，ANSYS MESH MORPHER 对于来自于CAD 的非参数几何数据，如IGES 或者STEP，以及来自于ANSYS CDB 文件的网格数据，实现了模型参数化。将网格读入FE MODELER，并且产生对应于该网格的“综合几何”的初次配置。在ANSYS 10.0，ANSYS MESH MORPHER 提供了四种不同的转换：面平移、面偏置、边平移和边偏置。更多样的配置可以通过以上转换的组合实现。例如，一个圆柱表面的面偏置就等效于变更其半径。
这些转换决定了目标配置并自动定义转换参数。一旦确定，这些转换参数可以通过ANSYS DESIGNXPLORER VT 拟合方法来拟合，如KRIGING 算法、非参数化退火算法和神经网络算法等。一旦拟合完成，可以使用ANSYS DESIGNXPLORER VT 中的能量优化技术找到最优值或者执行6 SIGMA 分析设计。ANSYS MESH MORPHER 为仿真驱动的产品开发打破了优化障碍。
统一网格技术
ANSYS 10.0 提供给用户新的统一分网环境，帮助用户实现基于物理的网格划分解决方案，例如机械、电磁、CFD 或者显式仿真。来自于ANSYS、ANSYS ICEM CFD 和ANSYS CFX 的一流网格几乎已经延伸到ANSYS WORKBENCH 中，综合多种算法的优势，提供一个智能的、灵活且鲁棒的网格划分能力。
基于预定义的物理过滤器，各种控制自动定义了，比如网格尺寸、网格过渡、网格均匀性、划分速度、网格质量和曲率的细化控制等。如果必要，高级用户控制选项可用来使用。划网的智能特性提供了灵活的附加控制，帮助初级用户为了改进求解速度或者精度而得到适合于物理问题的良好网格。多重网格控制方法，以及高级选项，提供了备份网格划分方法以改善网格划分的整体鲁棒性。
在10.0 中，共同网格对象已经实现了，为多个应用之间的交互提供了附加的灵活性。这为求解器（FSI、隐式/显式等）之间的交互提供了增强的双向通讯。同时也提供了网
格划分的统一方法。这个共同网格对象保证了在ANSYS WORKBENCH 框架中集成第三方的划网功能。
ANSYS ICEM CFD 和AI ENVIRONMENT 10.0 中的创新在于多区域体网格划分工具，可用于空气动力学中。新的网格划分方法提供了对块（结构网格方法）的灵活性和控制，易于使用的自动（非结构化）网格方法。半自动多区网格算法允许用户在面和体上对网格进行总体控制，边界上通过映射或者扫描块提供了纯六面体网格，而内部过渡到四面体或者六面体为主的网格。映射、扫描和自由划分技术为模型中最重要区域的结构化六面体网格划分提供了自由，可以保证用较少的精力得到高质量的自动化网格。
ANSYS ICEM CFD 和AI ENVIRONMENT 10.0 产品也回答了古老的问题：“我应该用四面体划网还是花更多的时间用六面体划网”。相对于传统的四面体网格算法，新的体-拟合笛卡儿划网方法可以帮你用更少的时间划分纯六面体网格。包含四面体和金字塔形状的混合网格划分方法减少了限制并且提供了更容易的方法编辑网格。这个方法产生的六面体网格的统一性更适合于显式碰撞分析或者任何六面体网格更适合的分析。
1.2ANSYS的主要应用领域
ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。因此它可应用于图1-1 ANSYS操作界面
以下工业领域：航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。
1.3ANSYS主要分析步骤
静力分析的定义：静力分析计算在固定不变的载荷作用下结构的响应，即由于稳态外载引起的系统或部件的位移、应力、应变。同时，结构静力分析还可以计算那些固有不变的惯性载荷以及那些可以近似为静力作用的随时间变化的载荷对结构的影响。
静力分析中的载荷静力分析用于计算有那些不包括惯性和阻尼效应的载荷作用于结构或部件上引起的位移、应力、应变和力。固定不变的载荷和响应是一种假定：即假定载荷和结构的响应随时间的变化非常缓慢。静力分析所施加的载荷包括：(1)外部施加的作用力和压力；(2)稳态的惯性力；(3)位移载荷；(4)温度载荷。我们以静力分析为例来介绍一下ANSYS。主要分析步骤：
1、确定结构的分析方案（线、面、体）：桁架、壳、实体等；注意线性单元和高次单元
的使用；对称性等简化方法的运用；
2、根据分析的类型确定单元类型、实常量等，特别是单元类型的某些选项，对于某些
分析十分重要；
3、设定材料模型；
4、采用各种方法建立模型。在进行布尔运算时特别注意运算对以后分析的影响，尤其
是在某些情况下有些网格较难生成，因此对于布尔运算要慎重考虑，为解决该问题应尽量采用几何体素直接建模；
5、将材料、实常量等参数赋给模型，在某些情况下可以同时指定方向点；
6、按情况划分网格：自由网格或自由网格，设置合适的网格密度等，尤其注意网格设
置；
7、在生成节点和单元后，根据实际情况定义接触单元、自由度的耦合及约束方程等；
8、施加力和约束等；
9、求解：注意设置合适的求解选项；
10、进入后处理菜单获得计算结果等。ANSYS提供两种后处理方式，即POST1和POST26。
前者用于处理整个模型在某一载荷步(时间点)的结果。后者处理模型中特定点在所有载荷步(整个瞬态过程)的结果。结果均可用彩色云图、矢量图和列表来显示；11、评价分析结果。
1.4圆球髋关节简介
在髋臼的边缘有关节盂缘附着。加深了关节窝的深度。在髋臼切迹上横架有髋臼横韧带，并与切迹围成一孔，有神经、血管等通过。关节囊厚而坚韧，上端附于髋臼的周缘和髋
臼横韧带，下端前面附于转子间线，后面附于转子间嵴的内侧（距转子间嵴约1厘米处），因此，股骨颈的后面有一部分处于关节囊外，而颈的前面则完全包在囊内。所以股骨颈骨折时，根据其骨折部位而有囊内、囊外或混合性骨折之分。髋关节周围有韧带加强，主要是前面的髂股韧带，长而坚韧，上方附于髂前下棘的下方，呈人字形，向下附于股骨的转子间线。髂股韧带可限制大腿过度后伸，对维持直立姿势具有重要意义。此外，关节囊下部有耻骨囊韧带增强观察髋关节的运动，可限制大腿过度外展及旋外。关节囊后部有坐骨囊韧带增强，有限制大腿旋内的作用。关节囊的纤维层呈环形增厚，环绕股骨颈的中部，称为轮匝带，能约束股骨头向外脱出，此韧带的纤维多与耻骨囊韧带及坐骨囊韧带相编织，而不直接附在骨面上。股骨头韧带为关节腔内的扁纤维束，主要起于髋臼横韧带，止于股骨头凹。韧带有滑膜被覆，内有血管通过。一般认为，此韧带对髋关节的运动并无限制作用。
髋关节为多轴性关节，能作屈伸、收展、旋转及环转运动。但由于股骨头深嵌在髋臼中，髋臼又有关节盂缘加深，包绕股骨头近2/3，所以关节头与关节窝二者的面积差甚小，故运动范围较小。加之关节囊厚，限制关节运动幅度的韧带坚韧有力，因此，与肩关节相比，该关节的稳固性大。而灵活性则甚差。这种结构特征是人类直立步行，重力通过髋关节传递等机能的反映。当髋关节屈曲、内收、内旋时，股骨头大部分脱离髋臼抵向关节囊的后下部，此时若外力从前方作用于膝关节，再沿股骨传到股骨头，易于发生髋关节后脱位。
近年来随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高，三维软件建模技术及有限元
分析技术在工程设计和分析中得到了越来越广泛的重视，特别是有限元技术已经成为解决复杂的工程分析计算问题的有效途径，现在从汽车到航天飞机几乎所有的设计制造都已离不开有限元分析计算，其在机械制造、材料加工、国防军工、能源、铁道等各个研究领域的广泛应用使得工程师的设计水平发生了质的飞跃，这足以体现出了计算机应用技术的重要性。
髋关节是人体最大、最稳定的关节之一，由股骨头、髋臼和股骨颈形成关节。由于髋关节的重要性和置换的多样性，目前对于髋关节和置换假体的生物力学特性研究的较
多。对髋关节进行了三维有限元模拟，研究其非线性接触压力分布，对医学，对假体的研究，具有非同一般的意义。如下图就是关于人体髋关节的结构类似图
人工髋关节假体是仿照人体髋关节的结构，将假体柄部插入股骨髓腔内，利用头部与关节臼或假体金属杯形成旋转，实现股骨的曲伸和运动。人工全髋关节假体由人工髋臼和人工股骨头组成，分为单极、单极全髋、双动半髋和全髋、可换头部双动半髋和全髋形式。纵观历史，可以了解到人工髋关节假体的发展历程已走过很久。
第二章ANSYS模型建立
2.1 圆球髋关节二维制图
A NSYS 10.0建模都是在前处理器中进行的，虽然没有autocad,UG等软件绘图方便，但其效果都是一样的，而且无需导入。
1.开ANSYS软件后，窗口左边是主页菜单，里面有首选项，前处理器，求解器，通用处理器，时间历程后处理器，扩扑优化等功能，其中建模则在前处理器中完成，点击前处理器后,在接下来的菜单中选择模型选项之后又出现了一些菜单选项，点击创建，点击面，在面选项中选择圆形绘图，接着点击通过尺寸，随后会弹出一个框架进行填写当外径，内径，开始角，终止角选好后按确定，球窝半型面完成。
2.按照同样的方法在创建里进入面选择，点击圆形，根据要求我们先选择了直径为28的圆，开始角和终止角分别为-90到90，右半圆绘画完成。
3.球头下需要增加一个圆柱，用来作为加载的承载面，因此我需要在二维平面上画出一个矩形，在创建命令里面选择矩形绘图，根据要求设计尺寸，矩形绘画完之后整体效果如图所示。
图2-1 圆球髋关节二维模型
除了以上方法还可以通过AUTOCAD导入图形，根据各个材料所查得的数据，我们首先在AutoCAD中建立,人体圆球髋关节的二维图形。AutoCAD的功能强大主要图2-1圆球窝二维图纸
2.2 三维建模
三维建模的软件很多，常用的有CATIA、UG、PROE、SOLIDWORKS等。他们都有各自的特点，使用与不同的领域。在机械零件的建模上，一般ANSYS就可以建模。所以，在对人体圆球髋关节采用ASYSY10.0软件就可以了。
实体模型可以定义为生成实体模型的过程:
使用命令“VROTAT, NA1, NA2, NA3, NA4, NA5, NA6, PAX1, PAX2, ARC, NSEG”可以使面旋转成体。
其中，NA1-NA6是你要旋转的面的编号，PAX1, PAX2是确定旋转轴的的两个关键点，ARC是你要旋转的角度，NSEG是生成体的数目，即将你旋转生成的体分割为几份，最大为8。例如，你要把编号为1，2，3的面绕由关键点1，2确定的轴旋转360度，且把体分为六瓣，那么命令是“VROTAT, 1, 2, ,,,,,3,2,360,4”。使用该命令旋转成体，
图 2-2 3维模型图
2.3 人体髋关节静力学类型分析
材料参数
假设三维有限元模型中涉及的各种材料均为各向同性、均质的线弹性材料，全髋人工关节置换术最常见的模式是应用超高分子量聚乙烯髋臼与金属股骨头和股骨柄。
其中,超高分子量聚乙烯髋臼的弹性模量为700 MPa ,泊松比为0.46 ;钴铬钼合金的弹性模量为210000 MPa ,泊松比为0.29 。
2.4 人体髋关节受力特点
类型分析
对人体髋关节结构进行分析时，在满足精度的前提下应对力学模型进行必要的简化，从而简化计算工作量。由于软骨的分辨率难以达到建模要求，本文建立的三维实体模型只对人体髋关节进行了重建分析，没有考虑软骨的影响，由于髋臼与金属股骨头的材料特性相差很远，从建模和计算工作量角度考虑，建模时不考虑其他环节部分，建立一个中空的人体髋关节三维实体模型，根据国外文献报道[4]计算时可把人体髋关节看作分布均匀且各向同性体材料进行分析，结果不会产生大的偏差。将三维模型导入有限元分析软件(Ansys 10.0）单元选择 Solid92和Solid82，一个是为了满足人体髋关节结构特点，二是满足髋臼与金属股骨头网格划分。
设计球窝球头运动特点
本次分析是根据人体髋关节的结构进行运动分析，我们将其分成球窝球头运动，球头可以沿着球窝完成上下，左右，以及旋转运动，运动方式很多，变形和应力也不同，根据加载方向，确定球窝球头运动方向，将球窝固定，将力竖直施加在球头表面上，这就是本次的有限元静力分析设计。
有限元分析方法
有限元分析的任务就是把无限维空间转化到有限维空间，把连续系统转变
为离散型单元。所谓有限单元法，其基本思想就是把连续的几何机构离散成有限个单元，再在每一个单元中设定有限个节点，从而将连续体看作仅在节点处相连接的一组单元的集合体，同时把选定场函数的节点值作为基本未知量，并在每一单元中假设一个近似插值函数用来表示单元中场函数的分布规律，然后建立用于求解节点未知量
的有限元方程组，进而将一个连续域中的无限自由度问题转换为离散域中的有限自由度问题。
当单元组合体在已知外载荷作用下处于平衡状态时，列出一系列以节点、位移为未知量的线性方程组，利用计算机求出节点位移后再结合
弹性力学的有关公式计算出各单元的应力、应变等，当各单元小到一定程度，那么它就可以代表连续体各处的真实情况。有限元方法是利用场函数分片多项式的逼近模式来实现离散化过程的，也就是说有限元方法依赖于这样的有限维子空间其基函数系是具有微小支集的函数系这样的函数系同大范围分析相结合即可反映场内任何两个局部地点场变量的相互依赖关系。对任何一个局部地点，它的影响函数和影响区域恰好就是基函数本身和它的支集。在线性力学范畴里，场内处于不同位置力在相互作用中产生的能量，可用双线性泛函来表示
可知离散化所得到的方程其系数矩阵是稀疏的。若区域分割细小化，则支集不相交的基函数对愈多，矩阵也就愈稀疏。这给数值解法带来了极大的方便。
有限元基本步骤
有限元分析的基本思路是用较简单的问题，代替复杂问题后再求解。将求解域看成是由有限多的称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元给定一个合适的（较简单的近似解，然后推导求解这个域上的总的满足条件，如结构的平衡条件的解从而得到问题的解。这个解只是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。但对大多数实际问题来说都难以得到准确解，只要满足工程需要即可，而有限元的计算精度不仅足够高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。
有限元的概念早在几个世纪前就己产生并得到了应用，例如用多边形有限个直线单元逼近圆而求得圆的周长，但作为一种方法而被提出则是最近几十年的事。矩阵近似方法是有限元法最初的名称应用于航空器的结构强度计算并由于其方便性、实用性及有效性而引起从事力学研究的科学家和研究人员的浓厚兴趣。经过短短数十年的努力伴随着计算机技术的快速发展和普及，有限元分析方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩而又应用广泛和实用高效的数值分析方法。
2.4网格划分
自由网格和映射网格为常用的网格划分方式。在对模型进行网格划分之前，要确定
采用自由网格还是影射网格进行分析，这是非常重要的。自由网格对实体模型无特殊要求，对任何几何模型，规则的或不规则，都可以进行网格划分，并且没有特定的准则。映射网格划分要求面或体是有规则的形状，而且必须遵循一定的准则。
在本分析中，采用是自由网格划分。
在划分网格时，采用了ANSYS提供的最常用的网格划分控制工具“MeshTool”中的“Smart Size Controls”,它是对网格划分进行智能化控制，它是网格划分的操作捷径。网格划分的值越小得到的结果越好，但网格太细则会占用大量的分析时间，造成资源浪费，同时太细的网格在复杂的结构中，也可能会造成划分不同网格时的连接困难。
为提高计算效率，而又可以兼顾网格的精度，可以使用网格的局部细化功能。如图3-7局部细化选择项图，在使用网格的局部细化功能对某个或某些面细化时，首先调出网格划分控制工具“MeshTool”，在网格划分控制工具“MeshTool”中的“Refine at”项目中点选“Areas”选项，然后点击“Refine”准备去选择细化的面。
图2-3 局部细化选择项图
在网格划分密度时，选取值为2，然后选取球窝球头的接触面，以接触面为基础进行网格局部细化，如图3-8细化后效果。
CATIA有限元分析计算实例 CATIA有限元分析计算实例 11.1例题1 受扭矩作用的圆筒 11.1－1划分四面体网格的计算 （1）进入【零部件设计】工作台 启动CATIA软件。单击【开始】→【机械设计】→【零部件设计】选项，如图11－1所示，进入【零部件设计】工作台。 图11－1单击【开始】→【机械设计】→【零部件设计】选项 单击后弹出【新建零部件】对话框，如图11-2所示。在对话框内输入新的零件名称，在本例题中，使用默认的零件名称【Part1】。点击对话框内的【确定】按钮，关闭对话框，进入【零部件设计】工作台。 （2）进入【草图绘制器】工作台 在左边的模型树中单击选中【xy平面】, 如图11-3所示。单击【草图编辑器】工具栏内的【草图】按钮，如图11-4所示。这时进入【草图绘制器】工作台。 图11－2【新建零部件】对话框
图11－3单击选中【xy平面】 （3）绘制两个同心圆草图 点击【轮廓】工具栏内的【圆】按钮，如图11-5所示。在原点点击一点，作为圆草图的圆心位置，然后移动鼠标，绘制一个圆。用同样分方法再绘制一个同心圆，如图11-6所示。 图11－4【草图编辑器】工具栏 图11－5【轮廓】工具栏 下面标注圆的尺寸。点击【约束】工具栏内的【约束】按钮，如图11-7所示。点击选择圆，就标注出圆的直径尺寸。用同样分方法标注另外一个圆的直径，如图11-8所示。 图11－6两个同心圆草图 图11－7【约束】工具栏 双击一个尺寸线，弹出【约束定义】对话框，如图11－9所示。在【直径】数值栏内输入100mm，点击对话框内的【确定】按钮，关闭对话框，同时圆的直径尺寸被修改为100mm。用同样的方法修改第二个圆的直径尺寸为50mm。修改尺寸后的圆如图11-10所示。
机械结构有限元分析 作业名称：基于ANSYS的机械结构仿真学生姓名：陆宁 学号： 班级：机械电子工程103班 指导教师：谢占山老师 作业时间： 2013.05.28 二零一二----二零一三第二学习期
基于ANSYS的机械结构仿真 摘要：介绍了ANSYS优化设计模块，并针对机械结构优化设计给出了具体设计步骤，利用实例分析介绍ANSYS在机械结构优化设计中的应用。证明了ANSYS优化设计模块在机械结构优化设计上的方便性和可行性，为从事机械优化设计人员提供了新的方法和思路。 关键词：机械结构；ANSYS；优化设计；悬臂梁 前言：有现场合，比如，在研究桥梁的受迫振动时，由于激振载荷和和桥梁自重比较接近，所以桥梁自重是必须考虑的因素。激振载荷是正弦载荷，桥梁自重是静载荷，此时桥梁同时受静载荷和正弦载荷的作用。当结构只作用于静载荷时，可以用静力学分析计算其应力、应变等；当结构只作用于正弦载荷时，可以对其进行谐响分析。但是当结构同时作用于静载荷和正弦载荷时，却无法单独用静力学分析或谐响应分析来求解问题，因静力学分析要求载荷恒定，谐响应分析施加的载荷都是正弦载荷。如果用瞬态分析，则载荷就不能是从负无穷时刻到正无穷时刻的周期函数，即施加载荷要对正弦载荷进行加窗处理，势必存在误差，此时就应用有限元法进行分析。
一、基于ANSYS参数化语言的机械结构优化设计概述 机械最优化设计是在现代计算机广泛应用的基础上发展起来的一门新学科，是根据最优化原理和方法综合各方面的因素，以人机配合方式或/自动探索0方式在计算机上进行的半自动或自动设计，以选出在现有工程条件下最佳设计方案的一种现代设计方法.人机连接的传媒是靠一些编程语言来实现，例如C、C十十、VC、FOR-TRAM 等等，这些语言要求用户必须有深厚的理论知识，对于普通用户实现起来就显得很困难。 ANSYS软件是容结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件，其内嵌的参数化设计语言(APDL)用建立智能分析的手段为用户提供了自动完成循环的功能，即程序的输入可设定为根据指定的函数、变量以及选出的分析标准作决定.这样的功能扩展完全满足优化设计的要求，而且其强大的前处理建模、可视化界面也是其他优化语言所无法比拟的，更重要的是ANSYSAPDL编程语句简单，更具人性化即使是普通用户也能够掌握。 目前，关于利用ANSYS进行机械优化设计的文献鲜有报道[C17，本文具体剖析了ANSYS优化设计模块，并运用ANSYS12.0的参数化语言求解机械工程设计中的优化问题，给出了在机械优化设计方面的实现方法和具体实例，旨在为从事机械优化设计的人员提供一种新的方法和思路。
有限元法的基本思想及计算步骤 有限元法是把要分析的连续体假想地分割成有限个单元所组成的组合体，简称离散化。这些单元仅在顶角处相互联接，称这些联接点为结点。离散化的组合体与真实弹性体的区别在于：组合体中单元与单元之间的联接除了结点之外再无任何关联。但是这种联接要满足变形协调条件，即不能出现裂缝，也不允许发生重叠。显然，单元之间只能通过结点来传递内力。通过结点来传递的内力称为结点力，作用在结点上的荷载称为结点荷载。当连续体受到外力作用发生变形时，组成它的各个单元也将发生变形，因而各个结点要产生不同程度的位移，这种位移称为结点位移。在有限元中，常以结点位移作为基本未知量。并对每个单元根据分块近似的思想，假设一个简单的函数近似地表示单元内位移的分布规律，再利用力学理论中的变分原理或其他方法，建立结点力与位移之间的力学特性关系，得到一组以结点位移为未知量的代数方程，从而求解结点的位移分量。然后利用插值函数确定单元集合体上的场函数。显然，如果单元满足问题的收敛性要求，那么随着缩小单元的尺寸，增加求解区域内单元的数目，解的近似程度将不断改进，近似解最终将收敛于精确解。 用有限元法求解问题的计算步骤比较繁多，其中最主要的计算步骤为： 1）连续体离散化。首先，应根据连续体的形状选择最能完满地描述连续体形状的单元。常见的单元有：杆单元，梁单元，三角形单元，矩形单元，四边形单元，曲边四边形单元，四面体单元，六面体单元以及曲面六面体单元等等。其次，进行单元划分，单元划分完毕后，要将全部单元和结点按一定顺序编号，每个单元所受的荷载均按静力等效原理移植到结点上，并在位移受约束的结点上根据实际情况设置约束条件。 2）单元分析。所谓单元分析，就是建立各个单元的结点位移和结点力之间的关系式。现以三角形单元为例说明单元分析的过程。如图1所示，三角形有三个结点i，j，m。在平面问题中每个结点有两个位移分量u，v和两个结点力分量F x，F y。三个结点共六个结点位移分量可用列
Finite element analysis system development present situation and forecast Along with modern science and technology development, the people unceasingly are making the faster transportation vehicle, the large-scale building, the greater span bridge, the high efficiency power set and the preciser mechanical device. All these request engineer to be able precisely to forecast in the design stage the product and the project technical performance, needs to be static, technical parameter and so on dynamic strength to the structure as well as temperature field, flow field, electromagnetic field and transfusion carries on the analysis computation. For example analysis computation high-rise construction and great span bridge when earthquake receives the influence, has a look whether can have the destructive accident; The analysis calculates the nuclear reactor the temperature field, the determination heat transfer and the cooling system are whether reasonable; Analyzes in the new leaf blade the hydrodynamics parameter, enhances its operating efficiency. The sell may sum up as the solution physics question control partial differential equations often is not impossible. In recent years the finite element analysis which develops in the computer technology and under the numerical analysis method support(FEA, Finite Element Analysis) the side principle for solves these complex project analysis estimation problems to provide the effective way. Our country in " 95 " Plan period vigorously promotes the CAD technology, mechanical profession large and middle scalene terries CAD popular rate from " 85 " End 20% enhances that present 70%.With enterprise application of CAD, engineering and technical personnel has gradually get rid drawing board, and will join the main energy how to optimize the design, engineering and improving the quality of products, computer-aided engineering analysis (CAE. Computer Aided Engineering) method and software will be the key technical elements . ln engineering practice, finite element analysis software and CAD system integration design standards should be a qualitative leap, mainly in the following aspects : The increase design function, reduces the design cost; Reduces design and the analysis cycle period; Increase product and project reliability; Uses the optimized design, reduces the material the consumption or the cost;
《有限元分析与应用》详细例题 试题1：图示无限长刚性地基上的三角形大坝，受齐顶的水压力作用，试用三节点常单元和六节点三角形单元对坝体进行有限元分析，并对以下几种计算方案进行比 较： 1）分别采用相同单元数目的三节点常应变单元和六节点三角形单元计算； 2）分别采用不同数量的三节点常应变单元计算； 3）当选常应变三角单元时，分别采用不同划分方案计算。 一．问题描述及数学建模 无限长的刚性地基上的三角形大坝受齐顶的水压作用可看作一个平面问题，简化为平面三角形受力问题，把无限长的地基看着平面三角形的底边受固定支座约束的作用，受力面的受力简化为受均布载荷的作用。 二．建模及计算过程 1. 分别采用相同单元数目的三节点常应变单元和六节点三角形单元计算 下面简述三节点常应变单元有限元建模过程（其他类型的建模过程类似）： 1.1进入ANSYS 【开始】→【程序】→ANSYS 10.0→ANSYS Product Launcher →change the working directory →Job Name: shiti1→Run 1.2设置计算类型 ANSYS Main Menu: Preferences →select Structural →OK 1.3选择单元类型 单元是三节点常应变单元，可以用4节点退化表示。 ANSYS Main Menu: Preprocessor →Element Type→Add/Edit/Delete →Add →select Solid Quad 4 node 42 →OK (back to Element Types window)→Options… →select K3: Plane Strain→OK→Close (the Element Type window) 1.4定义材料参数
摘要 高位自卸汽车是专用自卸汽车一种，高位自卸汽车主要用于运输散装并可以散堆的货物（如沙、土、以及农作物等），还可用于运输成件的货物，主要服务于建材厂、矿山、工地等。高位自卸汽车主要装备有车厢举升和倾卸机构，使用方便，运输效率高，具有高度机动性和卸货机械化的特点。 文中一开始阐述了高位自卸汽车改装设计的目的和意义、发展状况以及应用前景。接着分析论证了一种装载质量为5t的高位自卸汽车的总体设计方案，进行了其举升机构、倾卸机构和后厢门开合机构等主要机构的方案分析和选择、运动分析、动力学分析以及强度和刚度的计算校核；并对其主要构件进行了ANSYS10.0建模和静力学分析。 另外，文中还简单介绍了液压系统的设计计算方法和过程。最后对改装完成后的高位自卸汽车进行了必要的动力性、燃油经济性和稳定性等主要整车性能的计算分析，计算结果表明整车性能满足要求。 关键词：改装设计；高位自卸汽车；剪式举升机构；有限元；静力学分析
ABSTRACT High-order dump truck is one of special-purpose dump truck, it mainly be used to transport those goods which can be scattered such as sandstone, soil and some crops, and also be used to transport unit goods, severing for tectonic grounds, mines, workshop. High-order dump truck have carriage rise and dump organization to lift to equip mainly, easy to use, it is with high efficiency to transport, the mechanized characteristic that have high mobility and unload. First,it talking about the purpose and meaning of this design aout the High-order dump truck.And then, analytical argument a kind of lading quality for the high with 5ts High-order dump truck of total design,about the sport and motive analytical of it,s lifting and revolving.At last, regard high-order dump truck as the research object, analyse software ANSYS10.0 with the finite element , has set up finite element model to the principal organ of the high-order dump truck, carry on statics characteristic analyse to model. Moreover,in brief introduced the method and calculation process of the design that the liquid press system in the text. Finally carry on necessary of the calculation of the main whole car of the functions such as motive, the fuel economy and stability etc.Then the result expresses that the car function satisfy designing request. Keyword:Refiting design; High-order dump truck;The shear type of lifting; Finite element; Statics analysis
有限元法发展综述 随着现代科学技术的发展，人们正在不断建造更为快速的交通工具、更大规模的建筑物、更大跨度的桥梁、更大功率的发电机组和更为精密的机械设备。这一切都要求工程师在设计阶段就能精确地预测出产品和工程的技术性能，需要对结构的静、动力强度以及温度场、流场、电磁场和渗流等技术参数进行分析计算。例如分析计算高层建筑和大跨度桥梁在地震时所受到的影响，看看是否会发生破坏性事故；分析计算核反应堆的温度场，确定传热和冷却系统是否合理；分析涡轮机叶片内的流体动力学参数，以提高其运转效率。这些都可归结为求解物理问题的控制偏微分方程式往往是不可能的。近年来在计算机技术和数值分析方法支持下发展起来的有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）方法则为解决这些复杂的工程分析计算问题提供了有效的途径。 有限元法是一种高效能、常用的计算方法．有限元法在早期是以变分原理为基础发展起来的，所以它广泛地应用于以拉普拉斯方程和泊松方程所描述的各类物理场中（这类场与泛函的极值问题有着紧密的联系）。自从1969年以来，某些学者在流体力学中应用加权余数法中的迦辽金法(Galerkin)或最小二乘法等同样获得了有限元方程，因而有限元法可应用于以任何微分方程所描述的各类物理场中，而不再要求这类物理场和泛函的极值问题有所联系． 一、有限元法的孕育过程及诞生和发展 大约在300年前，牛顿和莱布尼茨发明了积分法，证明了该运算具有整体对局部的可加性。虽然，积分运算与有限元技术对定义域的划分是不同的，前者进行无限划分而后者进行有限划分，但积分运算为实现有限元技术准备好了一个理论基础。 在牛顿之后约一百年，著名数学家高斯提出了加权余值法及线性代数方程组的解法。这两项成果的前者被用来将微分方程改写为积分表达式，后者被用来求解有限元法所得出的代数方程组。在18世纪，另一位数学家拉格郎日提出泛函分析。泛函分析是将偏微分方程改写为积分表达式的另一途经。 在19世纪末及20世纪初，数学家瑞雷和里兹首先提出可对全定义域运用展开函数来表达其上的未知函数。1915年，数学家伽辽金提出了选择展开函数中形函数的伽辽金法，该方法被广泛地用于有限元。1943年，数学家库朗德第一次提出了可在定义域内分片地使用展开函数来表达其上的未知函数。这实际上就是有限元的做法。 所以，到这时为止，实现有限元技术的第二个理论基础也已确立。 20世纪50年代，飞机设计师们发现无法用传统的力学方法分析飞机的应力、应变等问题。波音公司的一个技术小组，首先将连续体的机翼离散为三角形板块的集合来进行应力分析，经过一番波折后获得前述的两个离散的成功。20世纪
有限元分析软件 有限元分析是对于结构力学分析迅速发展起来的一种现代计算方法。它是50 年代首先在连续体力学领域--飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析方法，随后很快广泛的应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。 有限元分析软件目前最流行的有：ANSYS、ADINA、ABAQUS、MSC 四个比较知名比较大的公司，其中ADINA、ABAQUS 在非线性分析方面有较强的能力目前是业内最认可的两款有限元分析软件，ANSYS、MSC 进入中国比较早所以在国内知名度高应用广泛。目前在多物理场耦合方面几大公司都可以做到结构、流体、热的耦合分析，但是除ADINA 以外其它三个必须与别的软件搭配进行迭代分析，唯一能做到真正流固耦合的软件只有ADINA。ANSYS是商业化比较早的一个软件，目前公司收购了很多其他软件在旗下。ABAQUS专注结构分析目前没有流体模块。MSC是比较老的一款软件目前更新速度比较慢。ADINA是在同一体系下开发有结构、流体、热分析的一款软件，功能强大但进入中国时间比较晚市场还没有完全铺开。 结构分析能力排名：ABAQUS、ADINA、MSC、ANSYS 流体分析能力排名：ANSYS、ADINA、MSC、ABAQUS 耦合分析能力排名：ADINA、ANSYS、MSC、ABAQUS 性价比排名：最好的是ADINA，其次ABAQUS、再次ANSYS、最后MSC ABAQUS 软件与ANSYS 软件的对比分析： 1．在世界范围内的知名度：两种软件同为国际知名的有限元分析软件，在世界范围内具有各自广泛的用户群。ANSYS 软件在致力于线性分析的用户中具有很好的声誉，它在计算机资源的利用，用户界面开发等方面也做出了较大的贡献。ABAQUS软件则致力于更复杂和深入的工程问题，其强大的非线性分析功能在设计和研究的高端用户群中得到了广泛的认可。由于ANSYS 产品进入中国市场早于ABAQUS，并且在五年前ANSYS 的界面是当时最好的界面之一，所以在中国，ANSYS 软件在用户数量和市场推广度方面要高于ABAQUS。但随着ABAQUS北京办事处的成立，ABAQUS软件的用户数目和市场占有率正在大幅度和稳步提高，并可望在今后的几年内赶上和超过ANSYS。 2．应用领域：ANSYS 软件注重应用领域的拓展，目前已覆盖流体、电磁场和多物理场耦合等十分广泛的研究领域。ABAQUS 则集中于结构力学和相关领域研究，致力于解决该领域的深层次实际问题。 3．性价比：ANSYS 软件由于价格政策灵活，具有多种销售方案，在解决常规的
本科学生毕业设计 基于有限元中型货车半轴与桥壳的设计 系部名称：汽车与交通工程学院 专业班级：车辆工程 学生姓名： 指导教师： 职称：讲师
The Graduation Design For Bachelor's Degree Medium Goods Vehicle Axle Based on Finite Element Design and Axle Housing Candidate：Liuyuanxin Specialty：Vehicle Engineering Class：B07-4 Supervisor：Lecturer. Wang Yongmei Heilongjiang Institute of Technology
摘要 中型货车在汽车行业中应用较广泛，而半轴与桥壳是中型货车重要的承载件和传力件。驱动桥壳支承汽车重量，并将载荷传给车轮。其设计的成功与否决定着车辆的动力性、平顺性、经济性等多方面的设计要求。因此，驱动桥壳应具有足够的强度、刚度和良好的动态特性，合理地设计驱动桥壳也是提高汽车平顺性的重要措施。 本文以有限元静态分析理论为基础，将CAD软件Pro/E和ANSYS结合运用主要完成了以下设计内容： （1）驱动桥的总体方案确定和半轴的设计校核； （2）驱动桥的设计和多工况校核； （3）桥壳模型的简化和Pro/E建模； （4）运用ANSYS软件对桥壳进行多工况分析，验证设计的合理性。 将CAD软件Pro/E和ANSYS结合运用，完成了从驱动桥壳和半轴三维建模到有限元分析的整个过程，并对其进行了强度和刚度的校核。 关键词：ANSYS；驱动桥壳；半轴；静力分析；强度；刚度
有限元分析的发展趋势 摘要：1965年“有限元”这个名词第一次出现，到今天有限元在工程上得到广泛应用，经历了三十多年的发展历史，理论和算法都已经日趋完善。有限元的核心思想是结构的离散化，就是将实际结构假想地离散为有限数目的规则单元组合体，实际结构的物理性能可以通过对离散体进行分析，得出满足工程精度的近似结果来替代对实际结构的分析，这样可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题。 关键词：有限元分析结构计算结构设计 Abstract: The 1965 "finite" appeared for the first time this term, and today is widely used finite element in engineering, after more than 30 years of history, theory and algorithms have been improved. Finite element discretization of the core idea is to structure, is the actual structure of the supposed discrete combination unit for a limited number of rules, the actual structure to analyse the physical properties can be felt through a discrete body of drawn precision engineering approximation as an alternative to the analysis of actual structures, this would solve a lot of theoretical analysis and practical engineering needed to address complex problems that cannot be resolved. Key words: finite element analysis structural calculation physical design 1 有限元的发展历程 有限元法的发展历程可以分为提出(1943)、发展(1944一1960)和完善(1961-二十世纪九十年代)三个阶段。有限元法是受内外动力的综合作用而产生的。 1943年，柯朗发表的数学论文《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(1944一1960)发展阶段中，得出了有限元法的原始代数表达形式，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。 有限元法完善阶段(1961一二十世纪九十年代)的发展有国外和国内两条线索。在国外的发展表现为: 第一，建立了严格的数学和工程学基础;第二，应用范围扩展到了结构力学以外的领域;第三，收敛性得到了进一步研究，形成了系统的误差估计理论;第四，发展起了相应的商业软件包。 近年来随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高，有限元分析在工程设计和分析中得到了越来越广泛的重视，已经成为解决复杂的工程分析计算问题的有效途径，现在从汽车到航天飞机几乎所有的设计制造都已离不开有限元分析计算，其在机械制造、材料加工、航空航天、汽车、土木建筑、电子电器，国防军工，船舶，铁道，石化，能源，科学研究等各个领域的广泛使用已使设计水平发生了质的飞跃，主要表现在以下几个方面： 一、增加产品和工程的可靠性； 二、在产品的设计阶段发现潜在的问题 三、经过分析计算，采用优化设计方案，降低原材料成本
有限元分析软件的比较（购买必看）－转贴 随着现代科学技术的发展，人们正在不断建造更为快速的交通工具、更大规模的建筑物、更大跨度的桥梁、更大功率的发电机组和更为精密的机械设备。这一切都要求工程师在设计阶段就能精确地预测出产品和工程的技术性能，需要对结构的静、动力强度以及温度场、流场、电磁场和渗流等技术参数进行分析计算。例如分析计算高层建筑和大跨度桥梁在地震时所受到的影响，看看是否会发生破坏性事故；分析计算核反应堆的温度场，确定传热和冷却系统是否合理；分析涡轮机叶片内的流体动力学参数，以提高其运转效率。这些都可归结为求解物理问题的控制偏微分方程式，这些问题的解析计算往往是不现实的。近年来在计算机技术和数值分析方法支持下发展起来的有限元分析（FEA，Finite Element A nalysis）方法则为解决这些复杂的工程分析计算问题提供了有效的途径。在工程实践中，有限元分析软件与CAD系统的集成应用使设计水平发生了质的飞跃，主要表现在以下几个方面： 增加设计功能，减少设计成本； 缩短设计和分析的循环周期； 增加产品和工程的可靠性； 采用优化设计，降低材料的消耗或成本； 在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题； 模拟各种试验方案，减少试验时间和经费； 进行机械事故分析，查找事故原因。 在大力推广CAD技术的今天，从自行车到航天飞机，所有的设计制造都离不开有限元分析计算，FEA在工程设计和分析中将得到越来越广泛的重视。国际上早20世纪在50年代末、60年代初就投入大量的人力和物力开发具有强大功能的有限元分析程序。其中最为著名的是由美国国家宇航局（NASA）在1965年委托美国计算科学公司和贝尔航空系统公司开发的NASTRAN有限元分析系统。该系统发展至今已有几十个版本，是目前世界上规模最大、功能最强的有限元分析系统。从那时到现在，世界各地的研究机构和大学也发展了一批规模较小但使用灵活、价格较低的专用或通用有限元分析软件，主要有德国的ASKA、英国的PA FEC、法国的SYSTUS、美国的ABQUS、ADINA、ANSYS、BERSAFE、BOSOR、COSMOS、ELAS、MARC和STARDYNE等公司的产品。 以下对一些常用的软件进行一些比较分析： 1. LSTC公司的LS-DYNA系列软件
摘要 离合器是汽车传动系统中的重要组成，离合器位于发动机和变速箱之间的飞轮壳内，用螺钉将离合器总成固定在飞轮的后平面上，离合器的输出轴就是变速箱的输入轴。在汽车行驶过程中，驾驶员可根据需要踩下或松开离合器踏板，使发动机与变速箱暂时分离和逐渐接合，以切断或传递发动机向变速器输入的动力。 本文主要是对轿车的膜片式弹簧离合器进行设计。根据车辆使用条件和车辆参数，按照离合器系统的设计步骤和要求，主要进行了以下工作：选择相关设计参数主要为：摩擦片外径的确定，离合器后备系数的确定，单位压力的确定。并进行了总成设计主要为：分离装置的设计，以及从动盘设计和圆柱螺旋弹簧设计等。并通过有限元软件对设计离合器进行结构分析，根据分析结果对离合器进行改进设计得出合理的设计方案。 关键词：离合器；膜片弹簧；摩擦片；有限元分析；设计
ABSTRACT The clutch is an integral of the automotive transmission system,Clutch in the engine and gearbox between the flywheel shell, with screw will be fixed in the clutch assembly after the plane of the flywheel, clutch gearbox output shaft is the input shaft. In the process of moving vehicle, the driver may need Pedal or release the clutch pedal so that the engine and gearbox temporary separation and progressive joint, to cut off the engine or transmission to the transmission input power. This paper is the saloon car theca spring clutch design. According to traffic conditions and vehicle parameters, in accordance with the clutch system of steps and requirements, mainly for the following work：Select the design for the main parameters: the determination of friction-diameter, the determining factor clutch reserve, the pressure on the units identified. And the design of the main assembly: the separation device design, set design and follower and cylindrical coil spring design.And through the design of finite element software for structural analysis of clutch,Based on analysis results,the improved frictional design.preferred design option,can therefore be attained. Key words：Clutch ;Theca spring;Friction disc;Finite element analysis; Design
建筑工程学院 本科毕业设计（论文） 题目QTZ40塔式起重机总体及塔身有限元分析法设 计 优秀论文审核通过 未经允许切勿外传
学科专业机械设计制造及其自动化 辅导教师 目录 第1章前 言····················································· ·1 1.1塔式起重机概 述 (1) 1.2塔式起重机的发展情 况 (1) 1.3塔式起重机的发展趋 势 (3) 第2章总体设计 (5) 2.1 概
述 (5) 2.2 确定总体设计方案 (5) 2.2.1 金属结构 (5) 2.2.2 工作机构 (22) 2.2.3 安全保护装置 (29) 2.3 总体设计设计总则 (32) 2.3.1 整机工作级别 (32) 2.3.2 机构工作级别 (32) 2.3.3主要技术性能参数 (33) 2.4 平衡重的计算 (33) 2.5 起重特性曲线 (35) 2.6 塔机风力计算 (36) 2.6.1 工作工况Ⅰ (37)
2.6.2 工作工况Ⅱ (41) 2.6.3 非工作工况Ⅲ (43) 2.7整机的抗倾翻稳定性 (45) 2.7.1工作工况Ⅰ (46) 2.7.2工作工况Ⅱ (47) 2.7.3非工作工况Ⅲ (49) 2.7.4工作工况Ⅳ (50) 2.8固定基础稳定性计算 (51) 第3章塔身的有限元分析设计 (53) 3.1 塔身模型简化 (53) 3.2 有限元分析计算 (54) 3.2.1 方案一 (54)
3.2.2 方案二 (79) 3.2.3 方案三 (98) 第4章塔身的受力分析计算 (121) 4.1 稳定性校核 (121) 4.2 塔身的刚度检算 (122) 4.3 塔身的强度校核 (124) 4.4 链接套焊缝强度的计算 (125) 4.5 塔身腹杆的计算 (126) 4.6 高强度螺栓强度的计算 (127) 第5章毕业设计小结 (129) 致谢 (130)
有限元法的概述 有限元方法(Finite Element Method)是力学，数学物理学，计算方法，计算机技术等多种学科综合发展和结合的产物。在人类研究自然界的三大科学研究方法(理论分析，科学试验，科学计算)中，对于大多数新型领域，由于科学理论和科学实践的局限性，科学计算成为一种最重要的研究手段。在大多数工程研究领域，有限元方法是进行科学计算的重要方法之一;利用有限元方法几乎可以对任意复杂的工程结构进行分析，获取结构的各种机械性能信息，对工程结构进行评判，对工程事故进行分析。有限元法在设计过程中有极为关键的作用。 人们对各种力学问题进行分析求解，其方法归结起来可以分为解析法(Analytical Method)和数值法(Numeric Method).如果给定一个问题，通过一定的推导可以用具体的表达式来获得问题的解答，这样的求解方法就称为解析法。但是由于实际结构物的复杂性，除了少数极其简单的问题外，绝大多数科学研究和工程计算问题用解析法求解式极其困难的。因此，数值法求解便成为了一种不可替代的广泛应用的方法，并取得了不断的发展，如有限元法，有限差分法，边界元方法等都是属于数值求解方法。其中有限元法式 20 世纪中期伴随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一种数值分析方法，它的数学逻辑严谨，物理概念清晰，应用非常广泛，能活灵活现处理和求解各种复杂的问题。有限元方法采用矩阵式来表达基本公式，便于计算机编程，这些优点赋予了它强大的生命力。 有限元方法的实质是将复杂的连续体划分成为有限多个简单的单元体，化无限自由度问题为优先自由度问题，将连续场函数的(偏)微分方程的求解问题转化为有限个参数的代数方程组的求解问题。用有限元方法分析工程结构的问题时，将一个理想体离散化后，如何保证其数值的收敛性和稳定性是有限元理论讨论的主要内容之一，而
CATIA有限元分析计算实例 11.1例题1 受扭矩作用的圆筒 11.1－1划分四面体网格的计算 （1）进入【零部件设计】工作台 启动CATIA软件。单击【开始】→【机械设计】→【零部件设计】选项，如图11－1所示，进入【零部件设计】工作台。 图11－1单击【开始】→【机械设计】→【零部件设计】选项 单击后弹出【新建零部件】对话框，如图11-2所示。在对话框内输入新的零件名称，在本例题中，使用默认的零件名称【Part1】。点击对话框内的【确定】按钮，关闭对话框，进入【零部件设计】工作台。 （2）进入【草图绘制器】工作台 在左边的模型树中单击选中【xy平面】, 如图11-3所示。单击【草图编辑器】工具栏内的【草图】按钮，如图11-4所示。这时进入【草图绘制器】工作台。
图11－2【新建零部件】对话框 图11－3单击选中【xy平面】 （3）绘制两个同心圆草图 点击【轮廓】工具栏内的【圆】按钮，如图11-5所示。在原点点击一点，作为圆草图的圆心位置，然后移动鼠标，绘制一个圆。用同样分方法再绘制一个同心圆，如图11-6所示。 图11－4【草图编辑器】工具栏 图11－5【轮廓】工具栏 下面标注圆的尺寸。点击【约束】工具栏内的【约束】按钮，如图11-7所示。点击选择圆，就标注出圆的直径尺寸。用同样分方法标注另外一个圆的直径，如图11-8所示。
图11－6两个同心圆草图 图11－7【约束】工具栏 双击一个尺寸线，弹出【约束定义】对话框，如图11－9所示。在【直径】数值栏内输入100mm，点击对话框内的【确定】按钮，关闭对话框，同时圆的直径尺寸被修改为100mm。用同样的方法修改第二个圆的直径尺寸为50mm。修改尺寸后的圆如图11-10所示。 图11－8标注直径尺寸的圆草图 图11－9【约束定义】对话框 （4）离开【草图绘制器】工作台 点击【工作台】工具栏内的【退出工作台】按钮，如图11-11所示。退出【草图绘制器】工作台，进入【零部件设计】工作台。 图11－10修改直径尺寸后的圆 图11－11【工作台】工具栏
人行天桥结构设计与有限元仿真分析毕 业论文 目录 第1章绪论 (1) 1.1研究的背景及意义 (1) 1.2国研究现状 (1) 1.3发展趋势 (1) 1.4桥梁的几种主要分类 (2) 1.5钢结构桥梁的优势 (3) 1.6钢材的选择 (3) 1.7本章小结 (4) 2.1地形概况 (5) 2.2主要技术指标 (5) 2.3净高设计 (5) 2.3.1桥下净高 (5) 2.3.2桥面净高 (5) 2.4桥面净宽 (5) 2.5跨度设计 (6) 2.6钢材选择 (6) 2.7挠度允许值 (6) 2.8荷载 (6) 2.8.1天桥设计荷载分类 (6) 2.8.2人群荷载 (7) 2.9本章小结 (7) 3.1桁架桥的总体设计 (8) 3.2主桁的结构形式、基本尺寸及总体布置方案 (9) 3.2.1主桁结构形式 (9) 3.2.2主桁的基本尺寸 (10) 3.2.3桁架方案布置图 (11) 3.3主桁力计算 (11) 3.3.1荷载 (11) 3.3.2杆件截面选择 (11) 3.4.1整体有限元模型 (13) 3.4.2桁架部分模型 (13) 3.4.3桥面布置图 (13) 3.4.4主桁布置图 (14) 3.4.5约束图 (14) 3.4.6荷载图 (14) 3.5分析结果 (15)
3.5.1挠度 (15) 3.5.2梁单元应力 (15) 3.5.3板单元应力 (16) 3.6本章小结 (16) 4.1钢箱梁的分类 (17) 4.2钢箱梁桥的构造 (17) 4.3钢箱梁的主要设计参数 (17) 4.3.1顶板和底板的厚度 (17) 4.3.2箱室数目 (18) 4.3.3梁高 (19) 4.3.4横隔板 (20) 4.3.5加劲肋设计 (21) 4.4方案设计 (21) 4.5有限元建模 (21) 4.5.1梁单元布置图 (21) 4.5.2边界布置 (22) 4.5.3荷载布置 (22) 4.6有限元分析结果 (23) 4.6.1挠度值 (23) 4.6.2梁单元应力 (23) 4.6.3板单元应力 (24) 4.6.3纵隔板应力 (24) 4.6.4横隔板应力 (25) 4.7本章小结 (25) 5.1钢板梁桥的结构形式 (26) 5.2刚板梁桥的分类 (26) 5.2.1根据支承条件和受力特点分类 (26) 5.3主梁桥面尺寸选择原则及相关公式 (27) 5.4截面设计 (28) 5.5.1梁单元建模 (29) 5.5.2板单元建模 (29) 5.5.3边界条件 (29) 5.5.4荷载条件 (30) 5.6有限元分析结果 (30) 5.6.1挠度值 (30) 5.6.2板单元应力 (31) 5.6.3梁单元应力 (31) 5.7本章小结 (31) 6.1方案比选的主要标准 (32) 6.2相关参数统计 (32) 6.3方案比选 (32) 6.4方案选择 (33) 6.5本章小结 (33)