1、毕业设计题目_机车机械制动系统结构设计及有限元分析_院_应用技术学院_专业机械设计制造及其自动化班级0782学号200713090217学生姓名_导师姓名_完成日期_2011年6月10日_诚信声明本人声明1、本人所呈交的毕业设计（论文）是在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果；2、据查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经公开发表过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位而使用过的材料；3、我承诺，本人提交的毕业设计（论文）中的所有内容均真实、可信。作者签名日期年月日毕业设计任务书题目机车机械制动系统结构设计及有限元分析姓名学院应院专业机械设计制造及
2、自动化班级0782学号200713090217指导老师职称教研室主任一、基本任务及要求1查阅机车制动系统结构设计及有限元分析相关文献15篇以上，分析机车制动系统的现状,并写出文献综述、开题报告。2分析制动系统工作特点和方式3设计机械制动系统结构并对主要零件进行计算分析4建立制动系统三维模型、装配模型5建立制动系统虚拟样机6进行制动系统主要零件有限元分析，并进行结构优化，分析失效形式和原因7撰写毕业论文，字数15000以上。二、进度安排及完成时间34310熟悉课题、查阅文献资料311324撰写文献综述、开题报告41415分析制动系统工作特点和方式416420设计机械制动系统结构并对主要零件进行计
3、算分析421511建立制动系统三维模型，装配模型（4月份完成毕业实习）512519建立制动系统虚拟样机模型520527进行制动系统主要零件有限元分析，并进行结构优化，分析失效形式和原因52865撰写毕业论文6669上交毕业论文，并根据评阅意见进行修改67614毕业答辩II目录摘要1ABSTRACT3第1章绪论111引言112设计背景与意义113机械制动系统的历史214机械制动系统的现状及发展趋势2141机械制动系统的现状2142现代机车制动系统的发展趋势315机车机械制动系统未来研究方向3第2章机车机械制动系统结构和主要零件设计计算421单动型机车制动系统结构设计4211设计前提条件4212制
4、动系统原理及要求4213制动性能评价指标422计算主要零件5221设计参数的选定及应满足的要求5222制动过程运动分析5223制动系统的静力分析5224机车制动力计算623主要零部件的计算分析7231制动杆和丝杆轴的选材及尺寸7232闸瓦的结构选择7233闸瓦的材料选择及技术要求8第3章建立系统三维模型1131三维建模软件UG的简介1132三维建模软件UG的发展1132机械制动系统的三维建模12III321拉杆的建模12322连杆的建模14323制动板的建模15324均衡梁的建模16325机械制动系统装配模型与虚拟样机模型16第4章系统主要零件有限元分析2041有限元概述18411有限元分析特
5、点19412有限元法发展概况19413有限元分析的步骤2042有限元分析过程2143结构优化，分析失效形式和原因21431失效的概念与形式21432零件失效的原因及分析22433主要零件的有限元分析23参考文献34致谢352机车机械制动系统结构设计及有限元分析摘要课题以某机车为参考车型，运用CAD建模技术及有限元分析方法对机车机械制动系统的执行机构进行了设计研究。首先对机车机械制动系统执行机构各零部件进行设计计算，然后根据设计计算结果，在UG中建立其CAD模型，最后对主要零部件进行有限元分析。同时，也对零件失效的形式和原因进行了分析。关键词机械制动系统；执行机构；有限元分析3LOCOMOTIV
6、EMECHANICALBRAKESYSTEMDESIGNANDFINITEELEMENTANALYSISABSTRACTTHISPAPERREFERSTOONELOCOMOTIVEMODELANDSTUDIEDMECHANICALBRAKINGSYSTEMONTHEBASISOFCADMODELTECHNOLOGYANDFINITEELEMENTANLYSISFIRST,THELOCOMOTIVEBRAKESYSTEMACTUATORMECHANICALDESIGNOFTHECOMPONENTSCALCULATED,THENACCORDINGTOTHEDESIGNCALCULATIONS,IN
7、THEUGCADMODELTOBUILDITSLAST,THEFINITEELEMENTANALYSISOFMAINCOMPONENTSALSOINTHEFORMOFCOMPONENTFAILUREANDTHEREASONSWEREANALYZEDKEYWORDSMECHANICALBRAKINGSYSTEMIMPLEMENTINGAGENCYFINITEELEMENTANLYSIS1第1章绪论11引言电机车是我国主要的矿山运输机械，其制动装置有机械制动和电气制动2种。电气制动是利用控制器改变电气线路进行制动，属于能耗制动；机械制动是利用制动器进行制动。目前矿用电机车一般采用手动闸轮操作的闸瓦
8、制动和电气动力制动装置，有的也采用压气制动装置。但由于电气制动在停车制动时不能使机车完全停止，因此除小型电机车外每台机车上都应装有机械制动装置。安全规程规定，列车制动距离最大不得超过30M，这里的制动距离指的是从司机开始制动到列车完全停止运行的距离。目前国内广泛应用的ZK一7型和ZK一10型架线式电机车，其运行速度约为165KMH，手动机械制动空行程时间按3S计，则其制动空行程约为14M。实际允许制动距离，按规定的制动距离减去制动空行程距离计算，仅为26M。如果再考虑牵引温升，对列车实际运行速度限制更高。实际情况表明制动技术已经成为限制电机车运输能力的急待解决的问题1。12设计背景与意义机车制
9、动系统伴随着机车工业迅速的发展，车辆制动的安全性能越来越高。目前大部分机车的制动系统是采用主动的控制方式，这种制动的方式在机车行驶是处于正常状态下是完全可靠的。但是，突然出现危险或判断失误时，机车就可能会发生意想不到的交通事故。随着科学的发展，人们从正反方面的经验教训中认识到人机系统协调关系的重要性，并使研究工作得以强化限随着近几年来国民经济的发展，人们不但关注车的外型和整体性能，同时，也十分关注车辆行驶的安全性和方便性问题。从我国高速公路上发生的大量事故的统计分析结果发现由于车辆本身的技术问题导致交通事故发生的已约达到30左右。而其中主要诱因是车辆制动性能不足或制动操作不当等而导致的车辆追尾
10、、制动跑偏、甩尾等恶性交通事故。由此可见，改进车辆制动性能、提高车辆制动系统的恒定性以及改进车辆制动系统的人机操作环境有很强的现实意义，可以切实提高车辆行驶的安全性和方便性，减少由于车辆原因而导致的交通事故的发生概率。随着人们对车辆制动性能影响车辆安全性的意识的提高，以及电子技术的发展，车辆制动系统也历经了数次变迁和改进。近年来，机车机械制动系统作为制动系统的发展方向，已经成为国内外研究的热点之一。213机械制动系统的历史最原始的制动控制只是驾驶员操纵一组简单的机械装置向制动器施加作用力，这时的车辆的质量比较小，速度比较低，机械制动虽已满足车辆制动的需要，但随着机车自质量的增加，助力装置对机械
11、制动器来说已显得十分必要。这时，开始出现真空助力装置。1932年生产的质量为2860KG的凯迪拉克V16车四轮采用直径4191MM的鼓式制动器，并有制动踏板控制的真空助力装置。林肯公司也于1932年推出V12轿车，该车采用通过四根软索控制真空加力器的鼓式制动器。随着科学技术的发展及汽车工业的发展，尤其是军用车辆及军用技术的发展，车辆制动有了新的突破，液压制动是继机械制动后的又一重大革新。DUESENBERGEIGHT车率先使用了轿车液压制动器。克莱斯勒的四轮液压制动器于1924年问世。通用和福特分别于1934年和1939年采用了液压制动技术。到20世纪50年代，液压助力制动器才成为现实23。1
12、4机械制动系统的现状及发展趋势141机械制动系统的现状当考虑基本的制动功能量，液压操纵仍然是最可靠、最经济的方法。即使增加了防抱制动ABS功能后，传统的“油液制动系统”仍然占有优势地位。但是就复杂性和经济性而言，增加的牵引力控制、车辆稳定性控制和一些正在考虑用于“智能汽车”的新技术使基本的制动器显得微不足道。传统的制动控制系统只做一样事情，即均匀分配油液压力。当制动踏板踏下时，主缸就将等量的油液送到通往每个制动器的管路，并通过一个比例阀使前后平衡。而ABS或其他一种制动干预系统则按照每个制动器的需要时对油液压力进行调节。目前，车辆防抱制动控制系统ABS已发展成为成熟的产品，并在各种车辆上得到了
13、广泛的应用，但是这些产品基本都是基于车轮加、减速门限及参考滑移率方法设计的。方法虽然简单实用，但是其调试比较困难，不同的车辆需要不同的匹配技术，在许多不同的道路上加以验证；从理论上来说，整个控制过程车轮滑移率不是保持在最佳滑移率上，并未达到最佳的制动效果。另外，由于编制逻辑门限ABS有许多局限性，所以近年来在ABS的基础上发展了车辆动力学控制系统VDC。结合动力学控制的最佳ABS是以滑移率为控制目标的ABS，它是以连续量控制形式，使制动过程中保持最佳的、稳定的滑移率，理论上是一种理想的ABS控制系统456。3142现代机车制动系统的发展趋势现代机车制动系统的发展趋势摘要从机车诞生时起，车辆制动
14、系统在车辆的安全方面就扮演着至关重要的角色。近年来，随着车辆技术的进步和机车行驶速度的提高，这种重要性表现得越来越明显。众多的机车工程师在改进机车制动性能的研究中倾注了大量的心血。目前关于机车制动的研究主要集中在制动控制方面。经过了一百多年的发展，机车制动系统的形式已经基本固定下来。随着电子，特别是大规模、超大规模集成电路的发展，机车制动系统的形式也将发生变化。如凯西海斯KH公司在一辆实验车上安装了一种电液EH制动系统，该系统彻底改变了制动器的操作机理。通过采用4个比例阀和电力电子控制装置，KH公司的EBM就能考虑到基本制动、ABS、牵引力控制、巡航控制制动干预等情况，而不需另外增加任何一种附
15、加装置。EBM系统潜在的优点是比标准制动器能更加有效地分配基本制动力，从而使制动距离缩短5。一种完全无油液、完全的电路制动BBW（BRAKEBYWIRE的开发使传统的液压制动装置成为历史7。15机车机械制动系统未来研究方向作为全新的制动系统，机车防抱制动系统给机车带来了巨大变革，推动了机车智能化控制的发展。为了加快机车机械制动系统发展和普及，未来机车机械制动系统的研究将主要集中在以下几个方面1制动系统的失效处理。需要一个备用制动控制系统保证制动安全；2系统容错的控制。车辆运行过程中会有各种各样的干扰信号，如何消除这些干扰信号造成的影响，保证机车机械制动系统的安全性和可靠性，是需要解决的重要问题
16、3电机的设计。对电机可靠性要求较高，而且机构必须小巧紧凑、易于安装布置，能在各种恶劣的条件下可靠地工作；4机电一体化的集成。对于机车机械制动系统执行机构的研究已经有几家公司提出了设计方案，目前的执行机构中机械零件较多、结构复杂。如何有效的增大转矩、保证机构自动调节制动间隙、使结构小巧而且可靠，是设计中要考虑的问题；5驱动能源。采用全电制动控制系统，需要较多的电能，机车机械制动系统的应用有赖于未来的大电压车载电源；6降低系统的使用成本也是要解决的问题8。4第2章机车机械制动系统结构和主要零件设计计算21单动型机车制动系统结构设计211设计前提条件（1）机车参数车箱尺寸长宽高28301100770
17、，轴距为1100MM，轮胎尺寸为680MM。（2）法规适应性决定制动系统、构造和参数的最低要求是适合指定的法规。根据上述两项最基本的前提条件，再加上市场的需求、使用条件等确定设计方案。212制动系统原理及要求制动系统主要由手轮、丝杆、连杆、杠杆，闸瓦等组成。机械制动是指通过司机操作制动手轮实施电机车的制动和缓解（顺时针旋动手轮为制动，逆时针旋动手轮为缓解。）。当转动手轮时，手轮带动制动丝杆螺母副的丝杆旋转，丝杆旋转使螺母产生直线运动，带动制动拉杆及制动杠杆动作，使制动闸瓦对车轮产生压力，从而使车轮与闸瓦之间产生摩擦制动力，从而使电机车减速或停车。基础制动的四块闸瓦通过制动杠杆之间的联接器来平衡
18、闸瓦之间的压力，使电机车的四块闸瓦压力基本一致，同时，联接器用于调节制动闸瓦与车轮的间隙，从而保证基础制动的可靠工作。当制动缓解时，应根据闸瓦磨损程度经常调整联接器，使其保持闸瓦与车轮的间隙为2MM3MM，以获得最大制动效果。当手轮处于制动位置时，四块闸瓦均应与车轮紧密贴合，并具有足够的正压力。当闸瓦厚度小于10MM时，应更换新闸瓦。更换新闸瓦后，相应调整同心和间隙。闸瓦和车轮踏面尽量处于同心位置，若偏移太大，可调整弹簧。制动装置应经常检查除去泥污、丝杆、销子、轴承等处常添加润滑油，发现磨损严重的部件需及时更换，严禁凑合工作9。213制动性能评价指标1制动效能，即制动距离与制动减速度。2制动效
19、能的恒定性，即抗热衰退性能。3制动时机车的方向稳定性，即制动时机车不发生跑偏、侧滑以及失去转向能力的性能10。522计算主要零件221设计参数的选定及应满足的要求机车粘重8T车轮滚动圆直径680MM最小牵引速度为65KM/H最大牵引速度为195KM/H制动距离12M222制动过程运动分析根据已知条件电机车的制动距离AVS22制动速度ATV式中A制动加速度，2SMT减速制动时间，S表21制动距离根据国家的有关标准和法规对电机车制动系统的规定。依照上列各式计算，可以得出电机车制动时，其制动速度为542M/S制动初速度V195KM/H；相应的最大制动距离为12M,所需要的实际制动时间为59S，空运行
20、时间为3S总控制时间为89S223制动系统的静力分析作用在构件上的力可分为驱动力、阻力、运动副反力、重力、惯性力。驱动力凡是驱动机构产生的力成为驱动力。驱动力所作的功为正值，通常称为输入功。制动机构中给手轮一个力通过丝杆轴传递到拉杆，这个力就是驱动力。它对制动杆有一个向左的推力。阻力凡是阻止机构产生运动的力称为阻力。阻力所作的功为负值，通常称为阻抗。阻力可以分为有效阻力和有害阻力两种。有效阻力称为工作阻力，是与生产直接相关的阻力，所作的功称为有效功或输出功。有害阻力是阻力中除有效阻力外的无效部分，所作功为损耗功，对运动有害。公称粘着质量T255080120160200制动距离M60901201
21、602002206图21制动时受力情况机构力分析的目的有以下两个方面（1）确定运动副反力即确定运动副两元素接触处彼此的作用力。这些力的大小和性质对于计算机构各个零件的强度、决定机构中的摩擦力和机构效率以及计算运动副中的磨损和确定轴承形式等，都是极为重要的资料。（2）确实为维持机构作给定运动而需要的平衡力根据作用在机构上已知外力，可在维持机构给定运动规律工作的条件下求解与之平衡的未知的外力。此待求的未知外力可以以力或力矩的形式出现，分别称之为平衡力或平衡力矩。这对确定机械工作时所需的驱动功率或能承受的最大载荷等都是必需的数据。在对机械进行力分析时，对于低速机械，由于惯性力的影响不大，故可以忽略。
22、凡不计惯性力而只考虑静载荷的条件下对机械进行力分析称为静力分析。对于高速及重型机械，由于机构的惯性力往往很大，有时甚至大大超过了其他静载荷，所以必须考虑。凡是同时考虑惯性和惯性力而对机械进行的力学分析称为动力分析。224机车制动力计算手动抱闸时，电机车能够产生的最大制动力（8T电机车）11NPB10000MAX式中MAXB机车能够产生的最大制动力，N；NP整台机车制动时的粘着重量，T；制动状态的粘着系数，取F1123F21F12F23421407若闸瓦压力继续增加，以致于使整个电机车的制动力超过MAXB时（即把制动轮抱死时），则制动车轮的轮缘沿轨面向前滑动。这时轨面对制动轮缘的切向摩擦力将变为
23、纯滑动摩擦力。即机车此时的制动力变为FPBN10000式中F轨面与轮缘间的滑动摩擦系数。由于F，所以BMAXB。实践证明，机车制动车轮完全抱死时的制动力大约为正常粘着条件下的最大制动力的050。23主要零部件的计算分析231制动杆和丝杆轴的选材及尺寸制动丝杠轴的材料选择45钢，其中MPAS353，MPAB598，165（其中5是指DL5的标准试样的伸长率）。最小直径为30MM，键连接处直径为36MM，直径最大处为40MM，螺纹处直径为35MM，丝杆轴的总长度为545MM。拉杆直径为25MM，总长度为670MM；制动杆和连杆的厚度为22MM。选择45钢，采用的热处理技术为淬火回火，充分发挥45钢
24、的性质。淬火极大幅度地提高了材料的硬度和强度，淬火后及时回火，获得稳定的回火组织。232闸瓦的结构选择闸瓦的类别与图样（1）根据电机车车轮直径和闸瓦结构特征，将闸瓦类别标准化五种，其形状、尺寸及其适用于车轮的直径。选择车轮直径为680MM。N则B171202140810000MAX8图22闸瓦结构图（2）图中未注明的铸造圆角半径均为R3（3）闸瓦铸造尺寸公差按JB2854，不低于7级精度。233闸瓦的材料选择及技术要求1闸瓦构成1）闸瓦由背和摩擦体组成。2）瓦背采用机械性能不低于Q235A的冷轧钢板制造。瓦背取材的长度方向应与钢板的轧制方向一致钢板技术条件应符合GB/T700的规定。3）摩擦体
25、以金属或其合金为集体，加入摩擦、减摩或起某些特殊作用的其他金属、非金属组分，用粉末冶金技术制成。2制作要求闸瓦应符合本标准并按规定程序批准的产品图样制造。3外观91）闸瓦瓦背不得存在裂纹，应进行防锈处理；2）闸瓦瓦背外弧面和检验样板之间的局部间隙不大于15MM3）闸瓦摩擦体不得存在裂纹、分层、疏松等粉末冶金烧结缺陷；4）闸瓦厚度大的一侧垂直于摩擦面的方向，涂一道约10MM宽的白漆标记；5）摩擦体除白漆标记外，其余部分不得涂漆。4使用性能1）闸瓦使用限度（包括瓦背和摩擦体在内）任何一处的剩余厚度不小于14MM2）闸瓦在使用限度内，摩擦体不应产生片状或块状脱落，摩擦体脱落面积大于摩擦面积的20时禁
26、用；3）闸瓦不得使车轮踏面产生局部过度磨耗、沟状磨耗和犁痕式磨耗，不得使踏面产生热损伤（热斑、热裂纹、剥离等），不得因闸瓦原因造成摩擦体和车轮之间发生材料转移。5物理、力学性能闸瓦摩擦体的物理、力学性能应符合表22的规定表22物理、力学性能性能单位性能指标密度G/CM3不超过给定值的5硬度HB100横向断裂强度MPA30抗压强度MPA90拉剪强度MPA30冲击韧性KJ/M256制动摩擦性能1）瞬时摩擦系数在紧急制动情况下，一次停车制动，其瞬时摩擦系数基准值由公式（1）计算式中瞬时摩擦系数；V瞬时摩擦速度，KM/H。2）平均摩擦系数常温干燥状态，高闸瓦压力为43KN,一次停车制动，平均摩擦系数变
27、化范围符合表24的规定。3）坡度匀速连续制动条件下的摩擦系数坡度匀速连续制动条件下的摩擦系数在规定的制动时间内不低于015。104）静摩擦系数静摩擦系数不低于030。表23瞬时摩擦系数变化范围瞬时速度VKM/H02040瞬时摩擦系数027002450231瞬时速度VKM/H6080100瞬时摩擦系数02202160211瞬时速度VKM/H120140160瞬时摩擦系数020802050203表24平均摩擦系数变化范围制动初速KM/H6080100平均摩擦系数023202260221制动初速KM/H120140160平均摩擦系数0218021402125）磨耗量闸瓦磨耗量不超过10CM3/MJ。
28、6）熔结制动试验在11制动动力试验台上进行熔结制动试验时，闸瓦摩擦体和车轮踏面局部瞬时温度均不得超过400。11第3章建立系统三维模型31三维建模软件UG的简介UGNX是美国UGS公司推出的CAD/CAE/CAM一体化软件，是当今世界上最先进的计算机辅助设计、分析和制造软件之一，广泛应用于航空、航天、汽车、造船、通用机械和电子等工业领域。UG软件不仅具有强大的实体造型、曲面造型、虚拟装配和产生工程图等设计功能，在设计过程中还可以进行有限元分析、机构运动分析、动力学分析，完成产品概念设计、模型建立、性能分析和运动分析、加工刀路的生成等整个产品的生产过程，实现真正意义上的无纸化生产。UG面向过程驱
29、动的技术是虚拟产品开发的关键技术，在面向过程驱动技术的环境中，用户的全部产品以及精确的数据模型能够在产品开发全过程的各个环节保持相关。由于系统采用统一的数据库，真正实现了CAD/CAE/CAM等各模块之间的无数据交换的自我切换，完全共享零件和产品模型的数据，为协同工作提供了基础。UG功能实现了目前制造行业中常规的工程分析、设计和绘图功能的自动化。用户能够方便地绘出任何复杂的实体以及造型特征13。32三维建模软件UG的发展在科技飞速发展的今天，产品设计已经进入到了一种全新的三维虚拟现实的设计环境中，以二维平面设计模式为代表的设计方式正在逐渐淡出“历史舞台”，取而代之的是各种数字化的三维设计技术。
30、UGUNIGRAPHICS软件是EDS公司原（UNIGRAPHICSSOLUTIONS公司，后成为其中UGS部门）推出的集CAD/CAE/CAM为一体的三维参数化设计软件之一，其最新的版本UGNX不但继承了原有UG软件的各种强大功能，而且与该公司的另一产品IDEAS软件功能相互结合，共同构建了功能更加全面的辅助设计环境。UGNX是当今最流行的CAD/CAE/CAM一体化软件，它内容丰富，功能强大，为用户提供了集成最先进的技术和一流实践经验的解决方案，能够把任何产品构想付诸于实际。UGNX涵盖了工业设计中的制造、装配、加工、仿真和分析等领域14。工程设计中的一项重要工作是利用分析工具计算零部件的
31、强度和刚度，分析零部件在一定载荷作用下产生的应力和应变，从而预知所设计的零部件是否满足要求，保证设计的可靠性。对于大多数的工程技术问题，由于物体的几何形状比较复杂或者问题的某些特征是非线性的，则很少有解析解。而借助于计算机获得满足工程要求的数值解成12为现代工程学重要方法之一。常用的分析工具是有限元分析（FINITEELEMENTANALYSIS,简称FEA）。UG软件是个集计算机辅助设计、制造和工程分析的三维参数化软件，其结构STRUCTURES设计提供了有限元分析功能。在UGMODELING应用中完成零部件三维造型后，可以进入该模块进行结构分析和优化分析。在UG的有限元分析模块中，用户可进
32、行静态分析、模态分析、稳态热传导分析和热结构分析等工作。32机械制动系统的三维建模321拉杆的建模打开UG软件，进入新建模块界面，然后点击草图按钮，画出草图如图31所示。图31拉杆草图1然后点击，拉伸、切割为实体如图32所示。13图32拉杆草图2在实体右侧平面上画25的圆，如图33所示。图33拉杆草图3然后完成草图，拉伸为圆柱实体。再在圆柱体另一底面画拉杆一端，注意草图平面的设置，然后求和得到整个拉杆的模型，如图34所示。14图34拉杆322连杆的建模打开UG软件，进入新建模块界面，然后点击草图按钮，画出草图如图35所示。图35连杆草图然后点击，拉伸为实体如图36所示。15图36连杆323制动
33、板的建模打开UG软件，进入新建模块界面，然后点击草图按钮，画出草图如图37所示。图37制动板草图然后点击，拉伸为实体如图38所示。16图38制动板324均衡梁的建模打开UG软件，进入新建模块界面，然后点击草图按钮，画出草图，然后经过拉伸，切割，求和等步骤完成均衡梁的建模，如图39所示。图39均衡梁325机械制动系统装配模型与虚拟样机模型在建模情况下点击按钮，打开建模界面，如图310所示。17图310装配界面将整个模型装配完以后的装配模型如图311所示。图311装配图18第4章系统主要零件有限元分析41有限元概述有限元仿真分析在工程技术领域中具有重要的作用。有限元的建模需要经过确定分析类型、实体
34、建模或导人模型、定义单元类型、定义材料属性、网格划分、约束施加和载荷施加等多个环节，耗时长、工作量大，而且已有的大量数据与信息难以重用。如何提高有限元仿真分析的效率和质量，是国内外专家学者所重视的问题15。有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，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
35、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。UG有限元分析有两个主要模块UG/SCENARIOFORSTRUCTURES和UG/SCENARIOFORANSY
36、S。其中UG/SCENARIOFORSTRUCTURES模块是集成的有限元分析工具，它使用MSC划分网格，可用STRUCTURESPENASTRAN和ANSYS格式划分网格，并用ANSYS解算器计算。UG/SCENARIOFORSTRUCTURES是一个集成的CAE工具。它将几何模型转换成有限元模型进行分析求解，并以图形方式显示分析结果。该模块是专门针对设计工程师和用几何模型进行分析的专业人员而开发的，其功能强大，使用方便。概况起来，UG/SCENARIOFORSTRUCTURES具有以下特点（1）交互操作简单；（2）前置处理功能强大；（3）支持多种解算器；（4）主模型与有限元数据的关联性好；
37、（5）集成性强；（6）后置处理功能强。19411有限元分析特点有限元方法与其他求解边值问题近似方法的根本区别在于它的近似性仅限于相对小的子域中。20世纪60年代初首次提出结构力学计算有限元概念的克拉夫（CLOUGH）教授形象地将其描绘为“有限元法RAYLEIGHRITZ法分片函数”，即有限元法是RAYLEIGHRITZ法的一种局部化情况。不同于求解（往往是困难的）满足整个定义域边界条件的允许函数的RAYLEIGHRITZ法，有限元法将函数定义在简单几何形状（如二维问题中的三角形或任意四边形）的单元域上（分片函数），且不考虑整个定义域的复杂边界条件，这是有限元法优于其他近似方法的原因之一。412
38、有限元法发展概况有限元法基本思想的提出，可以追溯到COURANT在1943年的工作，他第一次尝试应用定义在三角形区域的分片连续函数和最小势能原理求解圣维男（STVENANT）扭转问题。但由于当时没有计算机这一工具，没能用来分析工程实际问题，因而未得到重视和发展。现代有限元法第一个成功的尝试，是将刚架位移法推广应用于弹性力学平面问题，这是TURNER、CLOUGH等人在分析飞机结构时于1956年得到的成果。他们第一次给出了用三角形单元求平面应力问题的正确解答，他们的研究打开了计算机求解复杂问题的新局面。1960年CLOUGH将这种方法命名为有限元法。1963至1964年，BESSELING、ME
39、LOSH、和JONES等人证明了有限元法是基于变分原理的里兹RITZ法的另一种形式，从而使里兹法分析的所有理论基础都适用于有限元法，确认了有限元法是处理连续介质问题的一种普遍方法。利用变分原理建立有限元方程和经典里兹法的主要区别是，有限元法假设的近似函数不是在全求解域上规定的，而是在单元上规定的，而且事先不要求满足任何边界条件，因此它可以用来处理很复杂的连续介质问题。有限元法在工程中应用的巨大成功，引起了数学界的关注。20世纪60至70年代数学工作者对有限元的误差、解的收敛性和稳定性等方面进行了卓有成效的研究，从而巩固了有限元法的数学基础。我国数学家冯康，在20世纪60年代研究变分问题的差分格
40、式时，也独立地提出了分片插值的思想，为有限元法的创立做出了贡献。四十多年来，有限元法的应用已由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题，由静力平衡问题扩展到稳定问题、动力问题和波动问题。分析的对象从弹性材料扩展到塑性、粘弹性、粘塑性和复合材料等，从固体力学扩展到流体力学、传热学等连续介质力学领域。在工程分析中的作用已从分析和校核扩展到优化设计，并和计算机辅助设计20技术相结合。可以预计，随着现代力学、计算数学和计算机技术等学科的发展，有限元法作为一个具有巩固理论基础和广泛应用效力的数值分析工具，必将在国民经济建设和科学技术发展中发挥更大的作用，其自身亦将得到进一步的发展和完善16。413有限元
41、分析的步骤对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元求解法的基本步骤是相同的，只是具体公式推导和运算求解不同。有限元求解问题的基本步骤通常为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
42、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（结构力学中称刚度阵或柔度阵）。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（可能的话）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
43、允许值比较来评价并确定是否需要重复计算17。简言之，有限元分析可分成三个阶段，前处理、处理和后处理。前处理是建立有限元模型，完成单元网格划分；后处理则是采集处理分析结果，使用户能简便提取信息，了解计算结果。2142有限元分析过程图41有限元程序流程图1843结构优化，分析失效形式和原因431失效的概念与形式失效是指零件在使用中，由于形状或尺寸的改变或内部组织及性能的变化而失去原有的设计效能。一般机械零件在以下三种情况下可以认为已经失效零件完全不能工作；零件虽然能工作，但已经不能完成设计功能；零件已有严重损伤，不能再继续安全使用19。一般机械零件失效的常见形式有（1）断裂失效零件因承载过大或因疲
44、劳损伤等发生断裂。开始建立有限元模型PLANEFRAMEMODEL求解有限元模型SOLVEMODEL显示计算结果DISPLAYRESULTS结束计算单元刚度矩阵STIFFNESSMATRIX集成整体刚度矩阵ASSEMBLESTIFFNESSMATRIX计算等效结点力EQUIVALENTNODEFORCE处理约束条件求解方程组开始22（2）磨损失效零件因过度摩擦而造成过量磨损、表面龟裂及麻点剥落等表面损伤。（3）变形失效零件因承载过大而发生过量的弹性、塑性变形或高温下发生蠕变等。（4）腐蚀失效零件在腐蚀性环境下工作而造成表层腐蚀脱落或断裂等。同一个零件可能有几种不同的失效形式，但一般情况下，总是
45、有一种形式起主导作用，很少以两种形式同时都使零件失效。同时这些失效形式互相组合成为更复杂的失效形式，如腐蚀疲劳断裂、腐蚀磨损等。432零件失效的原因及分析（1）零件失效的原因引起零件失效的因素很多且较为复杂，它涉及零件的结构设计、材料选择、材料的加工、产品的装配及使用保养等方面。设计不合理零件的尺寸以及几何形状不正确，如存在尖角或缺口，过渡圆角不合适等；设计中对零件的工作条件估计不全面，或者忽略了温度、介质等其他因素的影响，造成零件实际工作能力的不足。选材不合理设计中对零件失效的形式判断错误，使所选材料的性能不能满足工作条件的要求，或是选材时所根据的性能指标不能反映材料对实际失效形式的抗力，从
46、而错误的选择了材料。加工工艺不当零件在成形加工的过程中，由于采用的工艺不当，可能会产生各种缺陷。如热加工中产生的过热、过烧和带状组织等，热处理中产生的脱碳、变形计开裂等，冷加工中常常出现得较深刀深、磨削裂纹等。安装使用不良安装时配合过松、过紧，对中不准，固定不稳等，都可能使零件不能正常工作，或工作不安全。（2）零件的失效分析及改进措施一般来说，零件的工作条件不同，发生失效的形式也不一样，防止零件失效的相应措施也就有所区别。若零件发生断裂失效，如果是在高温应力下工作，则可能是零件强度不够，应选择高强度材料或进行强化处理；如果是在冲裁载荷下工作，零件可能是韧性不足，应选择塑性、韧性好的材料或对材料
47、进行强韧化处理；如果是在循环载荷下工作，零件可能发生的是疲劳破坏，则应选择强度较高的材料经过表面强化处理，在零件的表层存在一定的残余压应力为好；如果零件处于腐蚀性环境下工作，则可能发生腐蚀破坏，那么就应该选择对该环境有相当耐腐蚀能力的材料20。零件发生磨损失效，如果是粘着磨损，则往往是摩擦强烈接触负荷大而零件的表层硬度不够，应选用高硬度的材料或进行表面硬化处理。23零件若是发生变形失效，则往往是零件的强度不够，应选用淬透性好、高强度的材料或进行强韧化处理，提供其综合力学性能等。433主要零件的有限元分析后制动板的有限元分析以下是应用UG结构分析功能对制动板进行静态有限元分析。应用UG进行有限元
48、分析，首先要抽象出系统的力学结构和物理特征，建立几何模型。然后根据系统各零部件的运动规律确定其约束关系。（1）创建几何模型对于后制动板材料考虑到要求性能好，就选用45钢。用UG软件建立三维几何模型，如图42所示。图42制动板三维图（2）网格划分1）定义单元属性UG结构分析提供了两种类型的网络生成器MSC和ANSYSMSC实体网络生成器，用于实体上产生4节点或10节点的四面单元体。此外，MSC实体网格生成器，还可以根据实体表面上存在的三角形壳单元产生四面体单元，并与之连接。一般选用10节点四面体单元（TETRA10）。ANSYS实体网格生成器，提供了另外一种产生三维网格的方法，当需要用实体边属性
49、控制网格生成时，使用该生成器比较理想。2）执行网格划分在开始菜单下面对制动板进行有限元分析，如图43所示。24图43有限元分析创建结算方案，如图44所示。图44创建解算方案在工具条中单击，在弹出的对话框中设置TYPE为CTETRA10,并在单元大小文本框中输入4，再在图形窗中选择实体。最后点击确定或者应用。如图45所示。25图453D四面体网格三维网格划分结果如图46所示。有限元模型中共有2529个单元，有4264个节点。图46三维网格划分（3）创建约束和载荷在工具栏中点击，选择销钉约束；再点击，选择载荷为力。设置好参数后得到如图47所示。26图47创建约束和载荷（4）结果分析UG软件应用分析提供了强大的后处理功能，可以自动生成计算报告，可以看出后制动板的位移、应变和应力分布情况，分别如图48、49、410所示。图48后制动板位移分布图27图49后制动板的应变分布图图410后制动板应力分布图由图48
