基于CAE的螺杆钻具结构分析及优化设计

论文摘要

当前,有限元技术在零部件设计中发挥着越来越重要的作用,它不仅缩短了设计周期,而且也大大提高了设计精度。本文利用有限元技术对螺杆钻具的关键部件——传动轴进行了静力分析,分析了传动轴在不同情况下的应力、变形状态,找到了其可能发生失效的危险部位;在对传动轴进行模态分析的基础上,找出了传动轴在受到干扰时易于发生振动的频率,为评估和优化设计提供参考;最后,根据生产的实际需要,设计出三种优化设计方案,通过对传动轴的多次分析,得到随参数变化的应力、变形曲线,为传动轴的改进和设计提供了可靠依据。论文采用了Unigraphics软件进行实体几何建模,应用有限元前后处理软件MSC.PATRAN对传动轴模型进行网格划分、加载和约束处理,然后提交到MSC.NASTRAN软件中进行计算分析,并再次应用PATRAN软件对传动轴危险情况下的应力和变形结果进行可视化处理。分析中采用了MSC.PATRAN/NASTRAN中的多点约束(MPC)技术,有效模拟了水帽和传动轴之间的动力传递。有限元法在螺杆钻具产品设计中的应用,提高了产品的设计质量,保证了产品设计的可靠性,减少了产品的失效概率,为螺杆钻具的改型设计提供了理论支持。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 螺杆钻具发展情况及存在问题
• 1.2.1 螺杆钻具发展情况
• 1.2.2 目前国内外研究所存在的问题
• 1.3 本课题研究内容和方法
• 1.3.1 主要研究内容
• 1.3.2 课题采用研究方法
• 1.4 课题的创新点和研究意义
• 1.4.1 本课题的创新点
• 1.4.2 本课题研究意义
• 第二章 螺杆钻具工作条件
• 2.1 螺杆钻具概述
• 2.1.1 螺杆钻具结构及工作原理
• 2.1.2 螺杆钻具的性能特点
• 2.2 螺杆钻具的运动与工况分析
• 2.2.1 马达的运动与工况分析
• 2.2.2 万向轴的运动与工况分析
• 2.2.3 传动轴总成的运动与工况分析
• 2.3 传动轴力学模型
• 2.3.1 传动轴总成的结构
• 2.3.2 传动轴总成各部件受力分析
• 2.3.3 传动轴力学模型
• 2.4 小结
• 第三章 传动轴物理模型的建立
• 3.1 传动轴几何模型的建立
• 3.1.1 Unigraphics 概述
• 3.1.2 传动轴的几何建模
• 3.1.3 模型的简化
• 3.2 传动轴有限元模型建立
• 3.2.1 弹性力学基本方程
• 3.2.2 有限单元法
• 3.2.3 有限元软件MSC.PATRAN/NASTRAN
• 3.2.4 模型的导入
• 3.2.5 单元类型的选择
• 3.3 物理模型
• 3.4 小结
• 第四章 传动轴结构静力学分析
• 4.1 基本假设
• 4.2 传动轴扭转分析
• 4.2.1 模型的建立
• 4.2.2 有限元网格的划分
• 4.2.3 单元网格的检查
• 4.2.4 传动轴材料属性
• 4.2.5 边界条件和载荷的施加
• 4.2.6 物理建模小结
• 4.2.7 计算结果与分析
• 4.3 传动轴侧向力分析
• 4.3.1 模型的建立
• 4.3.2 有限元网格的划分
• 4.3.3 单元网格的检查
• 4.3.4 材料属性
• 4.3.5 边界条件和载荷的施加
• 4.3.6 计算结果与分析
• 4.4 计算结果验证
• 4.4.1 理论分析
• 4.4.2 实际情况
• 4.5 小结
• 第五章 传动轴的振动模态分析
• 5.1 振动模态分析
• 5.1.1 模态分析理论
• 5.1.2 模态分析的有限单元法
• 5.2 传动轴的有限元振动模态分析
• 5.3 计算结果及分析
• 5.4 小结
• 第六章 传动轴的优化分析
• 6.1 从结构分析到结构优化
• 6.2 结构优化概述
• 6.3 优化方案
• 6.3.1 方案改进一
• 6.3.2 方案改进二
• 6.3.3 方案改进三
• 6.4 优化后的模型分析
• 6.4.1 优化模型
• 6.4.2 分析结果
• 6.5 小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 本文结论
• 7.2 展望与构想
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及参与的科研项目
• 致谢