85毫米加农炮身管强度有限元分析.docx

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85毫米加农炮身管强度有限元分析

成绩评定表

学生姓名

班级学号

专业

武器系统与发射工程

课程设计题目

85毫米加农炮身管强度有限元分析

评

语

组长签字：

成绩

日期

20年月日

课程设计任务书

学院

装备工程学院

专业

武器系统与发射工程

学生姓名

班级学号

12110402

课程设计题目

85毫米加农炮身管强度有限元分析

实践教学要求与任务:

一、条件

1.结构尺寸：

（见附图）

2.身管材料：

PCrNiMo

3.屈服极限：

σs=6500Kg/cm2

4.材料密度：

ρ=0.00781Kg/cm3

5.计算压力：

Pj=257MPa

二.要求：

1.用AutoCAD绘制出加农炮身管图并标注尺寸。

2.分析单元载荷和约束。

3.使用ANSYS软件按照给定的条件计算火炮身管应力和应变。

4.按要求编写撰写课程设计说明书。

5.通过答辩。

工作计划与进度安排:

第1周：

用AutoCAD绘制出加农炮身管图并标注尺寸；用AutoCAD导出sat文件；分析载荷和约束；使用ANSYS软件按照给定的条件计算火炮身管应力和应变。

第2周：

按要求编写撰写课程设计说明书，答辩。

指导教师：

201年月日

专业负责人：

201年月日

学院教学副院长：

201年月日

摘要

基于有限元分析方法,应用有限元软件ANSYS对各部分进行分析，有限元是将整个结构看作是由有限个力学小单元相互连接而形成的集合体，每个单元的力学特性组合在一起便可提供整体结构力学特性。

结构分析时设法将复杂工程实际问题加以简化、建立合理的计算力学模型，通过ANSYS建立几何模型，加载求解，分析检查计算结果的合理性。

按照任务要求，对85毫米加农炮身管AutoCAD进行了绘制并标注尺寸。

课设中的所作的实物属于轴对称问题，所有的应力、应变等都符合轴对称问题。

通过对实际问题的分析，使学生进一步掌握所学设计方法的设计思想、设计步骤以及有限元分析软件的上机步骤和使用方法。

在运用时要将有限元方法熟练的掌握，并且将所学的内容和实际问题结合在一起，进行理论实际上的应用，培养学生在理论计算、制图、运用标准和规范、查阅设计手册与资料、应用计算机以及运用有限元等现代手段解决实际问题的能力等方面的能力，使学生逐步树立正确的设计思想。

在运用时要将有限元方法熟练的掌握，对实际结构的有限元网格的划分，进行加载建模，并对计算结果进行处理和分析，求解未知节点的位移及单元力最大最小位移及应力。

将材料力学中的宏观问题，转化为单元接点载荷问题，此次课程设计加强理论联系实际，培养学生科学严谨、实事求是的工作作风和勇于探索的创新精神。

关键字:

加农炮；有限元；单元；火炮；身管

前言

有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）的基本概念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。

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、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；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。

ANSYS12.0有限元分析的基本步骤为：

1）准备工作；

2）功能过滤；

3）前处理；

4）加载求解；

5）后处理；

6）查看结果；

7）分析结果。

1．用AutoCAD绘制出加农炮身管图并标注尺寸----------------------------1

2.用AutoCAD绘出二维几何模型----------------------------------------2

3.问题分析----------------------------------------------------------3

3.185mm火炮身管静态受力分析--------------------------------------3

3.2确定问题范围--------------------------------------------------3

4.建立有限元模型----------------------------------------------------4

4.1设定分析作业名和标题------------------------------------------4

4.2定义单元类型--------------------------------------------------6

4.3定义材料属性--------------------------------------------------7

4.4导入几何模型--------------------------------------------------9

4.5网格划分-----------------------------------------------------10

5.加载求解---------------------------------------------------------12

5.1定义约束-----------------------------------------------------12

5.2施加载荷-----------------------------------------------------13

5.3进行求解-----------------------------------------------------14

6.后处理-----------------------------------------------------------15

6.1查看变形图---------------------------------------------------15

6.2查看应力-----------------------------------------------------18

6.3查看三维立体图-----------------------------------------------20

6.4分析结果-----------------------------------------------------22

7.结论-------------------------------------------------------------23

8.参考文献---------------------------------------------------------24

1用AutoCAD绘制出加农炮身管图并标注尺寸

1.1绘制炮身结构

由提供的85毫米加农炮身管结构图，应用AutoCAD2011软件采用第一角投影法，严格按照GB4457-4460-84，GB131-83《机械制图》标准规定制图，炮身零件工程图见附录1。

1.285毫米加农炮身管图说明

（1）图纸名称：

85毫米加农炮身管；

（2）绘图比例：

1:

10；

（3）数量：

1；

（4）绘图方法：

半剖式。

1.3在绘制过程中应注意问题

（1）绘图前先设置图限、图层；

（2）不同类型的对象绘制在不同的图层上，利于以后修改；

（3）设置线宽显示比例，使粗细线显示协调；

（4）内螺纹的大径为细实线，小径为粗实线；

（5）标注前先设置标注样式，包括非圆直径、角度、标准标注等；

（6）将图形缩小到A4图纸后，应注意放大线宽。

2用AutoCAD绘出二维几何模型

建立有限元模型有两种方法，输入法和创建法。

输入法是直接输入由其他CAD软件创建好的实体模型，创建法是在ANSYS中从无到有地创建实体模型，两者并不是完全分开的。

但由于ANSYS在创建模型是过于繁琐，本次课程设计采用输入法建立有限元模型。

利用AUTOCAD2011,以y轴为火炮身管的对称轴绘制截面图的右侧部分，并利用CAD中面域功能将所绘制的图形面域化。

将上述绘制好的图形以“SAT”文件格式导出,保存并命名。

3问题分析

3.185mm火炮身管静态受力分析

身管的材料参数为：

弹性模量E=210GPa,泊松比u=0.3：

此模型后端施加X轴方向固定位移约束，在身管的膛低和坡膛之间内侧表面垂直内表面方向上施加257MPa的均布载荷。

模型如图3-1所示。

图3-1

3.2确定问题范围

在对问题有了初步了解以后，进一步要弄明白问题涉及的领域，即确定问题的范围。

对问题分析可知本问题属于结构力学领域中的静态分析问题且在材料变形的线性变形的范围内。

4建立有限元模型

建立模型包括设定分析作业和标题；定义单元类型和实常数；定义材料属性；导入几何模型；划分有限元网格。

其具体步骤为：

4.1设定分析作业名和标题

在进行一个新的有限元分析时，通常需要修改数据库名，并在图形输出窗口中定义一个标题来说明当前进行的工作内容。

另外，对于不同的分析范畴（结构分析，热分析，流体分析，电磁场分析等），ANSYS所用的主菜单的内容不尽相同，为此，需要在分析开始时选定分析内容的范畴，以便ANSYS显示出与其相对应的菜单选项。

1）打开定义工作文件名:

执行File-ChangeJobname-85火炮如图4-1所示。

图4-1

2）定义工作标题：

执行File-ChangeTile-85如图4-2所示。

图4-2

3）更改工作文件储存路径：

执行File-ChangDirectory-C:

-Users

-Administrator-Desktop-85huopao

如图4-3所示。

图4-3

4）定义分析类型，执行MainMenu-Preferences,如图4-4所示。

图4-4

4.2定义单元类型

在进行有限元分析时，首先应该根据分析问题的几何结构，分析类型和所分析的问题精度要求等，选定合适具体分析的单元类型。

本次选用四节点四边形板单元PLANE182。

PLANE182不仅可用于计算平面应力问题，还可以用于分析平面应变和轴对称问题。

单元类型对话框如图4-5所示。

图4-5

1）定义单元类型，执行MainMenu-Preprocessor-ElementType-Add弹出ElementType对话框.如图4-6所示。

图4-6

2）单击Options……按钮，打开图4-7所示对话框，在Elementbehavior（单元行为方式）下拉列表框中选择Axisymmetric（轴对称）选项。

图4-7

4.3定义材料属性

本次选用的单元类型不需要定义实常数，故直接定义材料属性。

1）执行Mainmenu-Preprocessor-MaterialProps-Materialmodels,在Definematerialmodelbehavior对话框中，双击Structural-Linear-

Elastic-Isotropic.如图4-8所示。

图4-8

2）依次单击Structural-Linear-Elastic-Isotropic,展开材料属性的树形结构。

打开材料的弹性模量EX和泊松比PRXY的定义对话框，如图4-9所示，在对话框的EX文本框中输入弹性模量210，在PRXY文本框中输入泊松比0.3。

图4-9

3）依次单击Structural-Density,打开定义材料密度对话框，如图4-10所示，

在DENS文本框中输入密度数值7.81e-6。

图4-10

4.4导入几何模型

将模型导入到ANSYS，执行File-Import—SAT…—浏览上述模型，如图4-11所示。

图4-11

导入后如下图4-12所示：

图4-12

4.5.网格划分

1）执行MainMenu-Preprocessor-meshing-MeshTool命令，打开MeshTool（网格工件），如图4-13所示。

图4-13

2）自定义网格形式，单击Line域Set按钮，打开选择对话框，出现如图4-14所示对话框，要求定义单元尺寸的大小，在SIZEElementedgelength文本框中输入10，即定义大小10mm，单击OK。

图4-14

3）

在Mesh栏中选择Areas选项，在Shape选项中选择Free选项，选择Mesh按钮，出现对话框如图4-15，选择整个图形，ANSYS将按照对单元尺寸的控制进行网格的划分，划分后的结果如图4-16所示。

图4-15

图4-16

5加载求解

5.1定义约束

执行Mainmenu-Solution-DefineLoad-apply-structural-Displacement-onLines

出现选择对话框，选择凸台的线，单击OK按钮出现ApplyU,ROTonLines

对话框，选择UX，位移为0单击OK按钮，同理选择最下面的线选择AllDOF,位移为0，单击OK如图5-1所示。

（a）

（b）

图5-1

5.2施加载荷

1）执行Mainmenu-Solution-DefineLoad-apply-structural-Pressure-onlines，打开选择线对话框，选择身管的膛低和坡膛之间内侧表面线，单击OK按钮，出现ApplyPRESonlines对话框,在LoadPRESvalue文本框中输入0.257，单击OK按钮施加外载荷，同理选择膛线开始处到炮口内侧表面线输入0.1。

如图5-2所示。

图5-2

2）

载荷与约束后如图5-3所示。

图5-3

5.3进行求解

执行Mainmenu-Solution-Solve-CurrentLS,求解。

求解完成后会出现如图5-4所示对话框。

（a）

（b）

图5-4

6后处理

求解完成后，就可以利用ANSYS软件生成的结果文件（对于静力分析，就是Jobname.RST）进行后处理。

静力分析中通常通过POST1后处理器就可以处理和显示大多数兴趣的结果数据。

6.1查看变形图

关键的变形为径向变形，在高膛压下膛低至坡膛处径向产生过大变形，可能导致身管破裂。

1）执行MainMenu：

GeneralPostproc-PlotResults-ContourPlot-Nodal命令对话框，打开ContourNodalSolutionData（等值线显示节点解数据）对话框，如图6-1所示。

图6-1

2）在Itemtobecontoured（等值线显示结果项）域中选择DOFsolution（自由度解）选项。

3）在列表框中选择X-Componentofdisplacement（X向位移）选项，此时，结果坐标系为柱坐标系，X向位移即为径向位移。

4）选择Deformedshapewithundeformededge（变形后和未变形轮廓线）选项。

5）单击OK按钮，在图形窗口中显示变形图，包含变形前的轮廓线，如图6-2所示。

图中下方的色谱表面不同颜色对应的数值。

图6-2

6）局部放大图如图6-3所示。

图6-3

7）用同样方法显示Y向位移，如图6-4所示。

图6-4

8）局部放大如图6-5所示。

图6-5

6.2查看应力

火炮身管膛内压力垂直于内表面，主要应力也是径向应力。

1）执行MainMenu：

GeneralPostproc-PlotResults-ContourPlot-Nodal命令对话框，打开ContourNodalSolutionNata（等值线显示节点解数据）对话框，如图6-6所示。

图6-6

2）在Itemtobecontoured（等值线显示结果项）域中选择Stress（应力解）选项。

3）在列表框中选择X-Componentofstress（X向应力）选项。

4）选择Deformedshapewithonly（仅显示变形后模型）选项。

5）单击OK按钮，在图形窗口中显示应力图，如图6-7所示。

图中下方的色谱表面不同颜色对应的数值。

图6-7

6）局部放大如图6-8所示。

图6-8

7）用同样方法显示Y方向应力如图6-9所示。

图6-9

8）局部放大如图6-10所示。

图6-10

9）用同样的方法表示合方向应力如图6-11所示。

图6-11

10）局部放大如图6-12所示。

图6-12

6.3查看三维立体图

1）从菜单中选择UtilityMenu：

PlotCtrls>Style>SymmetricExpansion>2DAxi–Symmetric命令，打开2DAxi-Symmetric对话框，如图6-13所示。

图6-13

2）在Selectexpansionanount栏中选择Fullexpansion。

3）单击OK按钮，得到如图6-14所示结果。

（a）

（b）

图6-14

4）在Selectexpansionanount栏中选择3/4expansion。

5）单击OK，得到如图6-15所示结果。

（a）

（b）

图6-15

6.4分析结果

通过ANSYS计算合方向应力最大为539MPa小于给定的许用应力650MPa.

7心得体会

这次课程设计中我学到了很多东西。

武器专业要求对各方面知识的掌握，机械方面涉及比较多。

将实际问题变化成可以直接观察的形状，便于分析，将难以想象的抽象的化为简单易于分析的具体实形体，这样有有利于各方面更好的发展现代战争是集火力战、信息战和心理战于一体的。

通过有限元的课程设计，利用有限元计算软件进行一次较为完整的全面训练，要求学生自己动手，数据准备，上机计算，结论分析等。

并能进一步培养学生综合运用各种知识分析问题和解决问题的能力，把了本上的知识及老师的讲授，并且还特别注意紧密联系工程实际问题，以培养学生深入思考和理论联系实际的能力。

这实际上是一次全方面的考核，通过这样的训练，学生会得到深刻的认识，为今后利用有限元法和CAD技术解决实际问题打下较好的基础。

如何将实际问题转化，也更好的有了分析问题的能力，更充分地掌握了有限元的思想，并能熟练地掌握和运用，对于本专业的学习有了更好的解决方法，更有利于学习本专业，可以将所学的知识和实际问题相结合在一起，本次课设是我知道：

做事要仔细，不然就会出现很多问题。

还有就是我们查资料的能力，以前都不知道的东西，现在知道了如和的去查找自己需要的资料文件。

还有就是培养了我们的动手能力，并使我们的知识掌握的更加牢固。

在平时中就更好的锻炼自己，实际操作的能力，要多思考、勤动手。

将所学的知识运用在实际问题上，那才是学习的目的。

经过此次课程设计深深体会了搞研究的艰辛，提高了自身在遇到问题时查找资料的能力，培养了独立思考的能力，培养了综合运用多种知识分析和解决问题的能力，把所学内容串连起来进行复习和运用。

8参考文献

[1]韩清凯《机械结构有限单元法基础》北京：

科学出版社，2013

[2]蔡樑《自紧厚壁圆筒动态强度的有限元分析及实验研究》2011

[3]胡仁喜，徐东什，李亚东《ANSYS13.0机械与结构有限元分析从入门到精通》北京：

机械工业出版社，2011

[4]沈阳理工大学《现代弹箭系统概论》编写组《现代弹箭系统概论》北京：

兵器工业出版社，2007年

[5]金志明，翁春生《火炮装药设计安全学》北京：

国防工业出版社，2001年

[6]沈维道，童钧耕《工程热力学》北京：

高等教育出版社，2007年

[7]龙驭球《有限元法概论》北京：

人民教育出版社，1981年

[8]李鹏辉《火炮身管结构强度与损伤分析》2010