基于MSC.marc的滑轮单元有限元分析

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1、滑轮单元的有限元分析姓名：Byron学号：学院：指导老师：日期：2011年1月11日摘要滑轮单元广泛应用于工程机械，本文基于Msc.Marc建立了滑轮单元的有限元模型并进行了有限元分析，考察了滑索的反力及周向位移，接触法向力，为设计者提供参考。关键词滑轮，有限元，MarcAbstractPulleyunitarewidelyusedinConstructionMachinery,thepaperestablishedthefiniteelementmodelofpulleyunitbasedontheMsc.Marcs

2、oftwareandfinishedthefiniteelementanalysistostudythereactionforceandcircumferentialdisplacement,thecontactnormalforceofthebelt,expectingtoprovideareferencefordesigners.KEYWORDSpulley,finiteelement,Marc滑轮单元的有限元分析引言滑轮是杠杆的变形，属于杠杆类简单机械。滑轮能方便的改变力的方向和大小，因而在工程机械尤其是吊装设备

3、中得到了广泛的应用。滑轮在实际应用主要由滑轮和滑索组成。传统滑轮设计过程中往往从总体考虑载荷的作用，没有分析滑索的具体应力分布，为了安全，一般留有较大的余量。本文结合摩擦学的基本理论，基于Msc.Marc软件建立了定滑轮的有限元模型，用有限元方法分析滑轮在悬吊货物时滑索的应力分布和振荡情况，并将得到的滑索反力与理论解进行对比，验证了模型的正确性，为设计者提供参考。研究思路如图1：图1总体研究思路第1章建立模型1.1物理模型定滑轮在起吊装置中广泛应用，本文结合工程机械具体单元建立了定滑轮的物理模型（如图2）。图中F为悬挂

4、货物对滑索的拉力，R为滑索上端产生相应的9滑轮单元的有限元分析反力，皮带与滑轮接触的皮带中心角为φ，二者之间的摩擦系数为μ。图2滑轮物理模型本文考虑最简单的情形：滑轮在作用于轴上的外力作用下保持静止。滑轮的其它参数做如下假设：滑轮内半径为0.25m，外半径0.55m，滑索为带状，厚度为0.05m，滑索与滑轮的摩擦系数为μ=0.25，中心角为φ=90度。滑轮和皮带均为线弹性材料，宽度为0.2m，滑轮的弹性模量为，泊松比为0.3，皮带的弹性模量为，泊松比也为0.3。1.1有限元模型参照滑轮的物理模型，在Msc.Marc软件

5、环境下建立滑轮滑索的有限元模型。分析模型的特点，先建立滑轮的平面模型，再赋予平面模型的宽度为0.2，即可得滑轮的数字模型。建立的模型如图3：9滑轮单元的有限元分析图3滑轮的有限元模型第1章前处理1.1网格划分本文用CONVERT方法生成网格单元，采用的单元几何形状类型为QUAD（8）（四节点八边形单元），较之QUAD（4）分析结果更准备。网格划分的结果如图4。网格总数为滑轮60个，滑索84个。9滑轮单元的有限元分析图4网格划分结果1.1定义材料特性根据上述简化模型，定义滑轮的宽为0.2m，然后根据已知条件在软件中分别定

6、义滑轮和滑索的材料特性，并与模型中相应的部分关联。1.2定义接触接触分析是Msc.Marc软件的强项之一，在软件中可以非常简洁的定义接触情况。根据实际情况，本滑轮模型定义5个接触体。皮带、滑轮、滑轮内径、皮带左端、皮带右端。通过接触表定义5个接触体的接触情况。其中皮带与滑轮接触，摩擦系数为0.25，滑轮内径固定，皮带左端和右端均为载体控制刚体，对应物理模型中拉力F和反力R。定义完成后的接触表如图5.9滑轮单元的有限元分析图5定义完成的接触表1.1定义负载分析接触体皮带左端和皮带右端，其为刚性接触体，控制节点不允许有X方

7、向位移，同时在皮带右端向下（沿Y负方向）施加载荷，设载荷大小为，定义完成后的载荷分布情况如图6.图6定义载荷1.2定义载荷工况和提交作业本模型为静力分析工况，定义其总时间为1s，定步长，一个增量步，选择所有定义的边界条件为：同时满足相对偏移和相对残余应力收敛准则，且收敛窗容差均为0.01。9滑轮单元的有限元分析定义载荷工况后，即可定义作业并提交。选择上文定义工况后，初始边界条件选择位移约束，遵守库仑摩擦定律，摩擦计算基于节点力，相对滑移速度假定为。二阶单元接触，节点分离类型采用节点应力，单元型号为27，即8节点2D平面

8、应变单元。作业定义完成后，即可进行提交，并monitor，输出代码为3004，说明整个建模处理流程无方法错误。软件已将前处理过程得到的结果送到Marc求解器进行求解，并得出有限元方法的解。第1章后处理Msc.Marc的后处理过程即为采集求解器处理分析的结果，提取用户所需信息，了解计算结果的过程。本模型主要分析滑索反力，滑索的周向位