record-蛤蟆镜
创新实习报告
题目名称
基于
Solidworks
simulation
的潜孔冲击器前接头有限元分析
学
院（系）
机
械
工
程
学
院
专
业
班
级
材料成型及控制工程
0801
班
学
生
姓
名
（
10
）
指
导
教
师
杨雄教授
日
期
2012.2.27
至
2012.3.23
基于
Solidworks
simulation
的潜孔冲击器前接头有限元分析
目录
1.
有限元分析软件简介……………………………………………………
2
2.
潜孔冲击器前接头实物及
断口相片……………………………………………
5
3.
潜孔冲击器前接头的基本属性，
工作情况，受力情况的分析………………
6
4.
利用三维画图软件建模…………
………………………………………………
7
5.
利用
solidworkd sinulation
对零件进行有限元分析……………………………
14
5.1
分析原理及步骤……………………………………………
………………
5.2
算例属性……
………………………………………………………………
5.3
单位…………………………………………………………………………
5.4
材料属性……………………………………………
………………………
5.5
载荷和
约束…………………………………………………………………
5.6
载荷…………………………………………………………
………………
5.7
接触…………
………………………………………………………………
5.8
网格信息……………………………………………………………………
5.9
反作用力，自由实体力，自由体力矩……………
………………………
5.10
算例
结果…………………………………………………………………
6.
分析结论…………………………………………………………
………………
15
6.1
失效分析…
…………………………………………………………………
6.
2
提出优化方案…………………………………………………………………
6.3
对优化方案进行有限元分析……………………
……………………………
6.4
分析
比较并得出结论…………………………………………………………
7.
小结………………………………………………………………………………
18
8.
参考文献……………………………
……………………………………………
18
一．有限元分析软件
常用有限元分
析软件
有限元分析软
件目前最流行的有：
ANSYS
、
ADINA
、
ABA
QUS
、
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，<
/p>
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
ADI
NA
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
。
大型三维画图
软件也有嵌入的有限元分析软件
，虽然功能不如
ansys
等专业软件强
大，但是由于操作界面有中文版
< br>，所以应用也比较广泛，尤
其是对一些简
单零件的有限元
分析
软件对比
ANSYS
软件主要包括三
个部分：
前处理
模块，
分析计算
模块和后处理
模
块。
前处理模块提
供了一个强大的实体建模及
网格划
分工具，
用户可以方便
地构造有限元
模型；
分析计算模块
包括结构分析（可进行线性分析<
/p>
、非线性分析和高度非
线性分析）、
流体
动力学分析、电磁场分析、
声场分析、压电分析以及多
物理场的
耦合
分析，可模拟多种物理介质的相
互作用，具有灵敏度分析及
优化分析能力
；
< br>后处理模块可
将计算结果以彩色等值线显示、
梯度显示、
矢量显示、
粒子流迹显示
、立体切片显示、透明及半透明
显示（可看到结构内部）等
图形方式显示
出来
，也可将计算结果以图表、
曲线形式显示或输出。
软件提供
了
100
种以
上的单元类型，用来模拟
工程中的各种结构和材料。
该软件有多
种
不同版本，可以运行在从个人机
到大型机的多种计算机设备<
/p>
上，如
PC
，
S
GI
，
HP
，
SUN
，
DEC
，
IBM
，
CRAY
等。
SolidWorks Simulation
的仿真向导，包含以下顾问
向导：算例顾问、
性能顾问、约
束和载荷顾问、连接顾问、结果
顾问。
主要分析功能
：
< br>a)
系统及部件
级分析
以
FEA
为例，
为
了实现有价值的分析，设计的
几何部件会需要不同的
单元类型，
实
体、壳、梁、杆进行离散。而且
需要充分考虑装配体间的连<
/p>
接关系和接触
关系。
其中连接关系
的处理尤其重要，涉及到螺栓连
接、销钉
连接、弹簧、
点焊、轴承等
非常复杂的连接关系。
b)
多领域的全
面分析
任何
一个产品
决计不能仅考虑静强度，必须考
虑多领域的问题，比如
静强度、动强
度、模态、疲劳、参数优化等。
< br>图
5
展示了在统一界面下产
品的
多领域分
析。
c)
面向设计者
的多场耦合
热
-
结构、流体
-
结构、多体动力学
-
结构等多场分析是
目前分析中的一
个重要发展方
向，他可以解决非常复杂的工程
问题。
d)
特殊行业及
领域的需求
面对很多
行业
有很多特殊需求，因此需要特殊
的
CAE
模块。例如面对
压力容器，需要符合
ASME
标准的压力容器校
核工具；面对电子和消费品领<
/p>
域，需要解决
跌落分析的能力。
e)
高级分析需
求
面对日益复杂
的使用环境，必须考虑复合材料
< br>、材料非线性、高级机
械振动、非线
性动力学等高级分析
的需求。
本零件有限元分析初步选择用
SolidWorks
Simulation
进行
分析
二、潜孔冲击器前接头实物及断口相片
图
1
零件断口
图
2
零件整体结构图
图
3
零件断口及下半部分
图
4
潜孔冲击器整体结构图
三、
潜孔冲击器前接头的基本属性，工作情况，受力情况的分析
1.
零件材料：
40CrNiMo
，主要热处理工艺为淬火
2.
零件机械加工过程如下：
2.1
下料
2.2
粗车，按粗车图车成
2.3
精
车大端外圆及内孔，留余量
0.8mm
2.4
精车小端外圆及内孔，留余量
0.8mm
2.5
钳修螺纹尾部最小宽度
3mm
2.6
淬火
HRC45-50
2.7
表
面超音频淬火
HRC52-57,
淬硬层深度
< br>2.5-3.5mm
2.8
精车
2.9
线切割花键
2.10
精整，所有尖角倒钝
0.2-0.4mm
2.11
打标记
3.
工作情况分析与受力分析
潜孔冲击器前接头又叫卡钳套，<
/p>
通过螺纹与外套管联接，
依靠前接头内花键带
动钻头转动工作，
工作环境一般为钻炮眼或钻油井中，
工作
过程中承受钻头的高
速冲击和钻杆的低速旋转形成的扭矩，
如果
材料热处理工艺选择不合理，
很容易
出现前接头断裂现象
4.
前接头主要失效形式为：断裂。
四．利用
Solidworks
进行实
体建模
主要步骤：建模，定义零件材料，生成零件图
图
5
零件整体三维结构图
图
6
零件图
五．利用
Solidworkd
simulation
对零件进行有限元分析
Solidworkd
simulation
有限元分析原理及步骤：
Solidworkd
simulation
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，
将求解域看成是由许多称
为有限元的小的互相
连接的子域组成，
对每一个单元假定一个合
适的近似解，
然后推导求解这个满足
条件的解，从而得到问题的
解。
在应用
Solidworkd
simulation
时，须遵循以下步骤：
（
1
）
建立数学模型
Simulation
分析从
Solidworkd
零件或装配体模型的几何体开始。
几何体
必须能够被正确的，
适度的有限元单元所划
分，
对于小的概念，
并不是
表示风格中
单元的数量。有时需要对
CAD
几何体进行修改以满足网格
划分的要求，这种修改可以采取消除细节，理想化或清除等方法
（
2
）
建立有限元模型
通过离散化过程，<
/p>
将数学模型部分成有限单元，
这一过程称为网格划分。
离散化在视觉上既是将几何体划分为网格。
然而，
载荷和支撑在网格完
成后也需要离散化，
离散化的载荷和支撑将
施加到有限单元网格的节点
上。
（
3
）
求解有限元模型
创建了有限单元模型
后，
使用
Simulation
的求解
器来得出一些感兴趣的
数据。
（
4
）
结果分析
结果分析是最困难的一步，
有限元分析提供了非常详细的数据，
这些数
据可以用各种格式表达，对结果的正确解释需要熟悉和理解各种假设，
简化约定，以
及在前面三步中产生的误差。
Simulation
有限元分析过程：
1.
新建材料库
,
并定义零件材料为
4
0crnimo
图
7
材料库及材料属性参数
2.
利用
solidworks
中的有限元分析插件
simulation
进行分析
添加约束，模拟工作时的受力过程
图
8
给零件添加约束
添加载荷：分析零件工作时受力过程，进行模拟分析
（
a
）添加力，即零件在工作时受到钻头给它的
冲击力
(b)
添加扭矩，即添加零件在工作时受到的扭矩
图
9
添加载荷
3
划分网格
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