扳手机械设计学实验详述文档格式.docx
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3）对六方扳手有限元分析结果进行评价；
4）对有限元软件的使用体会，对本实验的意见和建议。
四、实例分析—六方扳手
1.问题描述
内六角扳手在日常生产生活当中运用广泛。
本例选取的扳手其实体模型如图1所示，先受1000N的力产生的扭矩作用，然后在加上200N力的弯曲，分析目的是算出在这两种外载作用下扳手的应力分布。
扳手的详细参数如下：
截面宽：
10mm，正六边形边长为5.8mm；
形状：
正六边形
杆长：
7.5cm
手柄长：
20cm
倒角半径：
1cm
弹性模量：
2.07×
1011Pa
向下的面力：
20N
斜向上的面力：
100N
图1六方孔扳手的几何尺寸
2.建立模型
完整的前处理过程包括：
设定分析模式；
定义单元类型和实常数；
定义材料属性；
建立几何模型；
划分有限元网格。
下面就结合本实例进行介绍。
本实例中选取的应力单位为Pa，力单位为N，长度为m。
2.1选择分析模式
选取菜单项MainMenuPreference，将弹出PreferenceofGUIFiltering（菜单过滤参数选择）对话框，如图。
选中Structural复选框，以便Ansys的主菜单设置为与结构分析相对应的菜单选项。
图2选择分析模式
2.2定义单元类型
在进行有限元分析时，首先应根据分析问题的几何结构，分析类型和所分析的问题的精度要求等，选定适合分析实例的有限元单元类型。
本例中选用8节点实体单元（Solid-Brick8node185）。
选取菜单项MainMenuPreprocessorElementTypeAdd/Edit/Delete，将弹出ElementTypes（单元类型）对话框，点取Add，在LibraryofElementTypes中选取相应单元类型，如图3所示。
图3选择单元类型
2.3定义材料属性
本例中选用的两种单元类型均不需定义实常数，故略过定义实常数这一步骤而直接定义材料属性。
选取菜单项MainMenuPreprocessorMaterialPropsMaterialModels，将弹出DefineMaterialModelBehavior对话框，如图：
2.4.1建立扳手截面（正六边形）
单击菜单项MainMenuPreprocessorModelingCreateAreasPolygonBySideLength，弹出PolygonbySideLength（根据边长创建正多边形）对话框，如图所示。
输入边数6，边长0.058m。
关闭创建多边形的对话框，生成正六边形如图。
此种方式生成的正多边形的中心在工作平面的原点。
图5建立六角形截面
2.4.2创建截面拖拉路径
点击MainMenuPreprocessorModelingCreateKeypointsInactiveCS,输入三个路径关键点：
7（0,0,0），8（0，0,-0.2），9（0，-0.075，-0.2），生成点后将点点相连，做出基本路径框架如图：
图6建立路径框架线
之后进行倒角。
在CreateLine中点取LineFillet，出现linefillet对话框。
点选线7、8，输入倒角半径1cm，形成完整拖拉路径曲线。
图7形成倒角
2.4.3生成实体模型
点击MainMenuPreprocessorModelingOperateExtrude，选择拖拉对象“Areas”，方式“Alonglines”，依次点击面及拖拉路径线，生成实体模型如图8：
图8建立好的实体模型
2.5网格划分
选择MainMenuPreprocessorMeshingMeshTool，打开网格划分工具。
点选Global项后的Set，定义单元长度。
本例选择2mm为单元尺度，网格划分方式为Sweep，划分后的网格如图10所示。
图9网格划分工具
图10划分好的网格
2.6定义边界条件与荷载
建立有限元模型后，就需要定义边界条件并施加荷载，才能进行求解。
2.6.1定义边界条件
实例的位移边界条件为将扳手杆部的底面边界上节点的全部位移固定。
具体步骤：
选择MainMenuPreprocessorLoadsDefineLoadsApplyStructural，定义点选DisplacementOnAreas，弹出面选择对话框，要求选择欲对其施加位移约束的面。
选择扳手杆端底面（面22），点OK，出现ApplyU,ROTonAreas（在面上施加位移约束）对话框，如图11：
图11定义边界位移对话框
在DOFStobeconstrained（可供约束的自由度）列表框中选择ALLDOF（所有自由度），对所选节点的所有自由度都施加约选择，关闭对话框。
此时施加约束，如图。
图12底面位移边界
2.6.2在扳手柄上施加面力
对于多载荷步分析，既可以定义一个载荷步，分析一个载荷步；
也可以定义载荷步之后，将载荷步配置写入载荷步文件中，最后直接求解多载荷步。
本实例采用后一种方法。
首先将要在扳手手柄的端部施加100N的面力，以模拟扳手在使用中的状态之一。
为简化起见，将100N的面力分解到3个节点上，由于单元选取的很小，故误差也是非常小的。
选择MainMenuPreprocessorLoadsDefineLoadsApplyStructural，选Force/Moment，选择侧面的3个节点，在ApplyF/MonNodes对话框（图13）中对所选取节点沿-Y方向各施加100/3牛的力。
图13对节点施加面力
单击MainMenuSolutionLoadStepOptsWriteLSFile，弹出WriteLoadStepFile（写载荷步文件）对话框，如图所示。
在Loadstepfilenumbern（载荷步文件编号）文本框中中填入“1”，保存为第一载荷步文件。
图14写载荷步文件对话框
在扳手手柄的端部再施加20N的向下的面力，以模拟扳手在使用中的另一种状态。
出现的对话框和基本步骤类同于上一步。
将其存为第二个载荷步。
3.求解
3.1利用载荷步求解
本节中将开始利用载荷步文件对已经定义的两个载荷步进行求解。
单击MainMenuSolutionSolveFromLSFiles，弹出SolveLoadStepfiles（求解载荷步文件）对话框。
如图15所示。
在StartingLSfilenumber（开始载荷步文件编号）文本框中填入“1”。
在EndingLSfilenumber（结束载荷文件编号）文本框中填入“2”。
点击OK，Ansys将开始从编号为1的载荷步文件开始读入进行求解，直到读入指定结束编号的载荷步文件被读入并求解时完成求解。
求解完成后，显示“SolutionisDone”对话框。
图15求解载荷步文件
3.2查看结果
下面将分别读入两个载荷结果数据并在中查看模型的vonMises应力分布。
单击MainMenuGeneralPostprocReadResultsFirstSet，读入第一荷载步。
然后点选PlotResult，进行图像绘制。
首先画变形图。
选择ContourPlotNodalSolu，弹出对话框如图16，在Itemtobecontoured（等值线显示结果项）域的左边的列表框中选择Stress-vonMisesstress，点OK，图形窗口中显示出vonMises等效应力分布图，如图17所示。
图中下方的色谱表明不同的颜色对应的数值（带符号），一般是红色表示最大值，蓝色表示最小。
通过颜色分布可以直观的得到最大应力区域和整个模型的应力分布等。
由图可知，最大等效应力为0.218×
109Pa=218MPa，由图18放大显示，最大应力出现在L型的拐角内侧。
图16图形显示选择
图17第一荷载步下的等效应力分布图
图18第一荷载步下的等效应力分布局部放大图
下面读入第二载荷步。
单击MainMenuGeneralPostprocReadResultsNextSet，读入第二荷载步。
绘制应力图如下（图19），最大等效应力达到了249MPa。
图19第二荷载步下的等效应力分布
3.3结果分析
本例中，材料的许用应力为200MPa。
而在此给定尺寸下，结构的最大等效应力达到了249MPa，显然是不符合要求的，需要对其结构进行大规模的优化，使其承载符合需用应力的要求。
4.优化设计
本例要求不改变荷载和六角截面尺寸。
在这一前提下，以下给出了两种优化方案。
（说明：
为提高求解效率，优化过程均采用一次加载。
）
4.1缩短手柄长度
由局部放大图知，最大应力出现在拐角处。
在荷载不变的情况下，可通过缩短手柄以减小扭矩的方法来降低局部应力。
将手柄长度由20cm依次减为19cm、18cm、17cm，其他尺寸均不变，进行模拟。
计算得到的最大应力均在200以上。
减至16cm时，最大应力降低到了199MPa（图20），满足设计要求。
可见缩短手柄长度是优化设计的有效方法之一。
图20手柄缩短至16cm时的应力分布
4.2改变倒角尺寸
考虑到实际情况中，将手柄缩短不但减小了力臂，且缩短了抓握长度，可能会带来使用的不便，因此决定尝试采用优化倒角尺寸的方法。
由材料力学知，结构尺寸的突变将产生局部应力集中。
为缓和应力集中，可增大倒角半径，以期使其符合许用应力的要求。
将倒角半径改为2cm，再次计算，得到的应力云图如图21，最大应力降至193MPa，满足设计要求。
图21倒角半径增大至2cm时的应力分布
需要说明的是，在实际生产中，应该经过多次精细优化，找到最接近临界条件的合理尺寸，以追求最大限度利用材料，并有利于加工，提高效益。
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