有限元论文（实用版）

基于ANSYS 的六角扳手有限元分析

摘要：基于ANSYS 软件对六角螺栓扳手进行应力分析。先通过选择单元类型、划分网格、施加边界进行分析；再者添加载荷，求解；最后得出结果，画出应力图，同时也找出结构最易破坏的位置。

关键词：六角扳手；有限元；应力云图；

0 引言

六角扳手不仅为轴提供支撑，还承受轴传递的各种载荷。一个可靠的六角扳手对于减轻轴的偏心振动，保证机械设备的作业具有重要作用。但由于六角扳手的形状复杂，传统的解析法在计算六角扳手的承载性能时存在较大误差。故基于有限元分析软件ANSYS，对机械设备六角扳手的承载特性进行分析。

1 建立有限元模型

六角扳手为左右对称结构，其三维视图和尺寸标注如图1。六角扳手采用普通碳钢Q235，弹性模量E=2E11，泊松比u=0.3。六角扳手承受主轴传递的竖直面载荷1500Mpa。

图1 六角扳手三维视图（单位：mm）

1.1 选择单元类型

图2 单元类型的选择

进行任何有限元分析都必须选择合适的单元类型，单元类型决定附加的自由度，对于六角扳手，主要承受扭转，在设计过程中更关心的是其应力应变的变化情况，因此选用实体单元Quad 4node 42 和Brick 8node 45 进行结构离散。SOLID45是三维20 节点四面体结构实体单元， 在保证精度的同时，允许使用不规则的形状，适用于模拟曲线边界；每个节点有3 个自由度：节点X、Y 和Z 方向的位移，该单元具有空间的任意方向。SOLID45单元还有可塑性、蠕动、应力刚化、大变形和大应变能力。

1.2 划分网格

网格划分的过程就是结构离散化的过程，通常划分的单元越多越密集， 就越能反映实际结构状况，计算精度越高，计算工作量越大，计算时间增长。为兼顾计算精度和计算效率，采用自动划分与手动划分相结合的方法进行网格划分。

首先，利用软件对六角扳手自动划分网格，网格精度取SMRT6；然后根据扳手结构，网格精度选为LEVEL1。经过网格加密以后共形成 448个单元和288个节点。网格划分结果如图3。

图3 网格划分和施加边界条件后的模型

1.3 施加边界条件

根据六角扳手的实际使用情况，对扳手末端平面位置分别施加X、Y、Z 方向的面约束（UX= UY =UZ=0），以此约束六角扳手的三个面自由度。对扳手长臂端面的六个顶点施加1500的载荷。

图4 对扳手施加载荷的模型

2 计算结果及分析

进入ANSYS 求解模块（/SOL），选择默认的波前法求解器进行六角扳手的静态线性分析。结构分析完成后可以进入通用后处理器（/POST1）或时间历程后处理器（/POST26）浏览分析结果。 应力分析：根据工程力学公式

（

算出当量应力的最大值为2500MPa.

可以看出计算结果与软件计算结果相符。

）

图5 六角扳手应力分布图

结果分析：

由以上结果分析可知：

① 扳手柄根部的转折点处的应力比其它部位大，不利于结构承受载荷；扳手卡紧螺母部位的转折角应力也较大，同时扳手头部的应力也较大。 ② 扳手柄的应变最大，扳手头部的应变也较大。

③ 正确性分析评判。圆弧过渡对零件内部的应力分布改善效果较为明显。 多方案计算比较：

① 不同的网络划分对最大应力和最大位移的位置及大小影响较小，但是对零件内部的应力分布影响较大。

② 结点规模增减对精度也有一定的影响。 ③ 单元改变对精度的影响较大。

3 结束语：

由以上应变和应力分析结果可以看出，如果要是使最大应力最小，一般选用圆弧过渡，折线次之，方孔方角最大。在选择圆弧时，尽量使圆弧半径大些，这样可以最大限度的减小应力。同时，圆弧对零件内部的应力分布改善效果也较为明显。对于应变的处理，应选用刚度强的材料，以减少应变。对于一定刚度的材料，可通过调质等处理使材料性能提高。有利于改善零件结构的设计。

参考文献

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