有限元三轴转台外框的建模和应力分析

实验3 轴静态分析建模方式：自底向上的建模方式图3-1 轴平面图根据轴的对称性，在这里将利用面体素中的矩形先生成一个平面，而后用这个平面绕其中心线进行旋转而生成轴体如图3-1。

其具体的操作步骤如下。

1定义工作文件名和工作标题1)定义工作文件名：Utility Menu>File>Change Jobname，在出现的对话框中输入“SHAFT1”，并将“New log and error files”复选框选为“yes”，单击“OK”。

如图3-2。

图3-2 定义工作名对话框2)定义工作标题：Utility Menu>File>Change Title在出现的对话框中输入“The ShaftModle”，单击“OK”。

如图3-3图3-3 定义工作标题对话框3)重新显示：Utility Menu>Plot>Replot。

2显示工作平面1)显示工作平面：Utility Menu>Workplane>Display Working Plane。

2)关闭三角坐标符号：Utility Menu>PlotCtrls>Window Controls>Windoe options,弹出一个如图3-4所示的对话框，在“Location of triad”后面的下拉选框中，选择“Not Shown”单击“OK”。

图3-4 输出窗口对话框图3-5 工作平面移动对话框3)显示工作平面移动、旋转工具条：Utility Menu>Workplane>Offset WP by increments,在屏幕输出窗口上出现一个如下图所示的“Offset WP”工具条，即工作平面移动、旋转工具条。

如图3-53利用矩形面素生成面1)生成矩形面：Main Menu>Preprocessor>Create>Rectangle>By Dimensions，弹出一个如图3-6所示的对话框，在对话框的“X-coordinates”和“Y-coordinates”后面输入栏中分别输入下列数据：X1=0，X2=260，Y1=0，Y2=70，单击“Aplay”；图3-6生成矩形对话框X1=260，X2=380，Y1=0，Y2=75，单击“Aplay”；XI=380，X2=420，Y1=0，Y2=100，单击“Aplay”；X1=420，X2=660，Y1=0，Y2=80，单击“Aplay”；X1=660，X2=800，Y1=0，Y2=75，单击“ok”；生成的结果如图3-7所示。

ansys最大主应力中间主应力最小主应力应力三轴度在工程领域中，了解材料的受力情况对于设计和分析至关重要。

其中，应力是一个关键的概念。

应力的理解有助于我们对材料行为和结构表现进行更深入的研究。

而一个常见的应力分析工具就是ANSYS软件。

本文将针对ANSYS中的最大主应力、中间主应力和最小主应力以及应力的三轴度进行详细探讨，并分享一些我个人对这些概念的理解和观点。

1. 最大主应力：最大主应力是在材料中发生的最大应力值。

在使用ANSYS时，最大主应力可以通过应力云图或应力分布图来获得。

最大主应力是应力张力和压缩的最大值，对于材料的破坏和变形具有关键影响。

在进行结构设计或工程分析时，最大主应力的理解至关重要。

通过确定最大主应力的位置和值，我们可以判断出结构中的高应力区域，从而进行相应的优化和改进。

在工程实践中，最大主应力往往用于确定结构的安全边界和疲劳寿命。

2. 中间主应力：中间主应力是指在材料中发生的第二大的应力值。

它是最大主应力和最小主应力之间的中间值。

在ANSYS中，中间主应力可以通过应力云图或应力分布图来观察和分析。

中间主应力在材料的破坏和变形中起着重要的作用。

通过了解中间主应力的分布情况，我们可以判断结构中的应力状态，并进一步推导出其对材料性能和结构行为的影响。

当中间主应力接近零时，材料更容易发生塑性变形；而当中间主应力值较大时，材料更容易发生开裂和破坏。

3. 最小主应力：最小主应力是在材料中发生的最小应力值。

它是应力张力和压缩的最小值。

最小主应力的了解对于材料的变形和疲劳行为具有重要意义。

最小主应力通常用于判断材料的变形和疲劳寿命。

当最小主应力值较小时，材料具有较低的应力集中和变形能力，因此更容易达到寿命极限。

通过对最小主应力的分析，我们可以预测结构中可能出现的疲劳破坏点，并进行适当的设计改进。

4. 应力三轴度：应力三轴度是指材料中应力状态的三个独立参数。

在ANSYS中，应力三轴度可以通过应力场或应力分布图来观察和分析。

有限元分析中如何获得精确的应力解答在强度分析中，除了避免应力奇异问题外，分析人员更关心的问题是应力集中。

为了能够在分析中捕捉到应力集中，提高应力解答的精度，可以通过使用加密网格、应用子模型技术以及收敛性工具等方法。

1.单元选择与网格划分的相关考虑（1）单元的选择对于ANSYS结构分析而言，由于所有的单元均为位移元，即以位移自由度解为基本解，求得单元的节点位移向量后，乘以应变矩阵得到单元积分点上的应变，进而可以通过物理方程计算积分点处的应力。

因此应力相对于位移来说是导出解，其精度不及位移。

一般来说，提高应力解答的精度，一般可以通过加密低阶单元或提高单元阶次这两种方式来实现。

对于线性单元，在单元的边上位移为线性分布，应力则为常数，在应力集中处必须进行加密才能保证应力解答的正确性。

二次单元与线性单元相比，在网格尺寸相当的情况下能够给出更高的应力精度，而且可以避免在模拟弯曲变形中的剪切锁闭问题，因此建议在对更加关注应力结果的分析中优先选用高阶单元。

在ANSYSWorkbench结构分析中，缺省采用SOLID186以及SOLID187这些二次单元划分实体部件，这两种高阶单元经过检验可以获得比线性单元更高的应力精度，特别是10节点的四面体二次单元SOLID187，具有精度高以及适应复杂几何形状的特点，在结构分析中应用广泛。

此外，在结构的塑性分析中，也应优先选用二次单元。

（2）网格划分的相关考虑大量计算实例表明，采用二次单元划分的六面体网格和四面体网格在加密后都能给出满意的解答，为了得到应力集中区域的准确应力分布，需要进行适当的网格加密措施，具体操作时，可通过ANSYSMesh提供的总体及局部控制措施进行网格的加密设置。

①总体控制选项总体控制选项通过Mesh分支的Details设置实现。

ElementSize选项用于指定整体模型的网格尺寸。

Sizing部分提供了一些考虑几何特征的网格尺寸选项。

②局部控制选项局部尺寸选项可通过Mesh分支的右键菜单Insert>Sizing加入。

工程力学中的三维应力分析方法研究工程力学是研究物体在力的作用下的运动和变形规律的学科。

在工程实践中，三维应力分析是非常重要的一项研究内容。

本文将探讨三维应力分析的方法和应用。

一、三维应力分析的基本概念三维应力分析是指在三维空间中，对物体内部应力状态进行分析和计算的方法。

在实际工程中，物体通常不仅受到单一方向的力的作用，而是同时受到多个方向的力的作用。

因此，仅仅考虑平面内的应力分析是不够的，需要考虑三维空间中的应力分布情况。

二、三维应力分析的方法1. 数值分析方法数值分析方法是现代工程力学中常用的一种分析方法。

通过建立数学模型和使用计算机进行数值计算，可以得到物体内部应力分布的数值解。

常见的数值分析方法包括有限元法、边界元法等。

这些方法可以有效地模拟和计算复杂的三维应力分布情况，并为工程设计和优化提供参考。

2. 实验测试方法实验测试方法是通过实际测量物体内部应力状态的方法。

常见的实验测试方法包括应变测量、力测量等。

通过在物体表面或内部布置应变计或传感器，可以测量到物体在不同位置和方向上的应变或力。

通过对测量数据的分析和处理，可以得到物体的三维应力分布情况。

三、三维应力分析的应用1. 结构力学在结构力学中，三维应力分析是设计和优化结构的重要工具。

通过对结构的三维应力分布进行分析，可以评估结构的强度和稳定性，为结构的设计和改进提供依据。

例如，在桥梁设计中，通过对桥梁各个部位的三维应力分析，可以确定桥梁的受力情况，从而保证桥梁的安全使用。

2. 材料科学在材料科学中，三维应力分析对于材料的性能研究和材料的加工工艺优化具有重要意义。

通过对材料的三维应力分布进行分析，可以了解材料的应力集中区域和应力分布规律，从而指导材料的设计和加工过程。

例如，在金属材料的强化研究中，通过对材料的三维应力分析，可以确定材料的强化机制和强化效果。

3. 土木工程在土木工程中，三维应力分析是评估土体和岩石工程性质的重要手段。

通过对土体和岩石的三维应力分布进行分析，可以了解土体和岩石的承载能力和稳定性。

三轴试验破坏面正应力三轴试验 - 破坏面正应力在材料力学研究中，三轴试验是一种常用的试验方法，用于研究材料在三维应力状态下的破坏行为。

本文将介绍三轴试验的基本原理和破坏面正应力的相关内容。

一、三轴试验简介三轴试验是一种将材料置于三维应力状态下进行加载的试验方法。

常用的三轴试验设备包括恒应力型和恒应变型两种。

在恒应力型试验中，试样在三个方向上分别施加恒定的应力，而在恒应变型试验中，试样在三个方向上施加恒定的应变。

通过对试样施加不同的应力或应变，可以观察材料在不同载荷条件下的破坏行为。

二、破坏面正应力破坏面正应力是指在材料破坏时，与破坏面垂直方向上的应力。

在三轴试验中，破坏面正应力是研究破坏行为的重要参数之一。

在三轴试验过程中，试样在不同的应力状态下逐渐实现破坏。

当试样达到破坏点时，破坏面正应力会达到最大值。

而破坏面正应力的大小与材料的性质以及试验加载条件有关。

破坏面正应力的大小可以通过应力-应变曲线来计算得出。

在三轴试验中，可以测量试样在三个方向上的应变，然后通过应变数据和加载施加的应力计算出破坏面正应力。

三、应力空间在三轴试验中，应力状态可以用应力空间来表示。

应力空间是一个三维坐标系，以三个正应力（σ₁，σ₂，σ₃）作为坐标轴。

在应力空间中，试样所受的应力状态可以用一个点来表示。

根据破坏面正应力的计算公式，可以将破坏面正应力的变化情况在应力空间中绘制成等值线或等值面。

这样可以更直观地观察破坏面正应力的变化规律。

四、破坏机制材料在三轴试验中的破坏行为可以归结为两种基本破坏机制：拉压破坏和剪切破坏。

1. 拉压破坏当试样所受应力状态为拉压状时，破坏面正应力呈现出拉压状态。

材料在拉压状应力下呈现出脆性破坏特征，常见破坏形态为断裂和压碎。

2. 剪切破坏当试样所受应力状态为剪切状时，破坏面正应力呈现出剪切状态。

材料在剪切状应力下呈现出塑性破坏特征，常见破坏形态为剪切和滑移。

根据材料的性质和试验加载条件，材料在三轴试验中可能同时存在拉压破坏和剪切破坏。

如何对待有限元分析中的应力集中问题前面的一系列研究表明，在有限元分析中，对于非圆处的尖锐转角进行网格细分时，应力会一直增大，从而得不到正确的结果。

那么如何对待这种问题呢？首先，我们承认，这是有限元分析中的一个事实。

其次，我们要认识到，在分析研究对象的时候，并非总是面对一个抽象的任意的几何体，而是一个实际的零件。

而实际零件在结构设计中已经遵循了一些设计原则（见上篇博文），遵循这些设计原则所得到的零件已经具有良好的结构，并不一定会出现我们所忧虑的那种情况。

笔者又查阅了其它的机械设计准则，发现：（1）倒角出现的位置。

大部分出现在孔口或者轴端，目的是为了便于安装或者安全操作。

X（2）圆角出现的位置。

为了避免在阶梯轴或者阶梯孔在轴肩处因尖角而导致的应力集中，在轴肩处加工了圆角。

对于上述（2）种情况，前面的分析表明，有限元分析的结果是收敛的，可以得到正确的结果。

对于上述（1）种情况，倒角出现在孔口或者轴端，此处几乎处于不受力或者受力很小的位置，所以这里不会是危险点出现的地方，基于这种直觉判断，我们不用对此处进行网格加密来分析其应力。

但是我们在实际分析中也发现了这样的结构它在中间过渡处存在着尖锐的转角，这显然是不合理的设计结构。

那么如何对待这种问题呢？笔者的建议是：（1）向设计方提出此疑问，希望改善结构设计。

（2）如果设计方坚持此处的尖锐转角，而又需要得到应力结果，那么只能采取计算外推的方式来推算此处拐角的应力。

即：在拐角一定距离处细分网格，得到其附近的精确应力结果后，然后按照这些点距离拐角点的距离进行插值，从而外推此点的应力，作为此点的的计算应力。

其具体方法，在后面的文章中会详细阐述。

钢包回转台的三维建模及有限元分析张晓春袁振文首钢工学院北京 100041摘要：为了校核在钢包容量增大的前提下设备安全系数是否符合要求，采用有限元方法对于钢包回转台进行了结构分析。

应用数字化建模技术进行钢包回转台零件的三维建模；对于需要进行校核的主要部件进行数字化虚拟装配；采用有限元方法对于受力关键部件进行了网格划分、应力应变分析。

设备强度校核结果表明：在钢包回转台在结构不变的前提下，钢包容量从原来的300吨增加到目前的320吨时，设备安全系数符合要求，可以满足钢包容量增加以后的强度要求。

虚拟装配所得到的设备三维数字模型，为进一步进行数字化机构分析奠定了基础。

关键词：连铸，钢包回转台，计算机辅助工程，建模，装配，有限元方法Three-dimensional Modeling and Finite Elenent Analysisof Ladle TurretX.C. ZHANG1, a, Z.W. YUAN1, b1Shougang Institute of Technology，Beijing，100041，Chinaa zxcff@,b yzhwen1971@Keywords:Continuous casting, Ladle turret, Computer aided engineering, Modeling, Assembly, Finite element methodAbstract.To verify if the factor of safety was adequate while the steel ladle capacity was extended, the steel ladle turret structure was analyzed with the finite element method. The three-dimensional model of the ladle turret parts were constructed with the 3D digital modeling technology. The models of main subassembly that need to be checked were digitally assembled imitatively. The key forcing parts were FEM Meshed and analyzed the stress and the displacement. The verify check results show: The factor of safety of the equipment is large enough for the ladle capacity raised from 300t to 320t without changing the ladle turret structure. It can meet the strength requirement after the ladle capacity was extended. The equipment assemble three-dimensional model can also be used for further digital mechanism analysis.1 引言连铸机的钢包回转台安装在连铸车间钢水接受跨和连铸跨之间的浇铸平台上，是连续铸钢生产的重要设备，由一组套筒与钢梁及顶、底板、筋板等构成，结构紧凑、复杂，如图1[7]所示，其作用是实现满包与空包的快速更换。