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    开题报告-基于FEPG有限元分析系统的磨削温度场仿真研究.ppt

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    开题报告-基于FEPG有限元分析系统的磨削温度场仿真研究.ppt

    基于FEPG有限元分析系统的磨削温度场仿真研究,主要内容,,研究背景与意义,,,研究背景与意义,磨削温度场的研究中,应用计算机仿真技术可以准确地得出整体磨削温度分布图,从而减少了使用测试仪器带来的误差,且所获得的温度分布图片更为简便和直观。 前人在磨削温度场数值模拟研究方面已经做了很多的研究,其中采用最广的美国研制的大型通用有限元分析(FEA)软件是ansys和abaques。,研究背景与意义,周德旺 ,周志雄 等采用有限元软件ansys对平面磨削温度场三维数值模拟 ,获得了不同磨削参数对磨削温度造成的影响。 蒋天一; 胡德金; 侯海云根据杯形砂轮磨削球面的特点,采用绕球面旋转加载的半圆弧热源模型对磨削过程进行有限元仿真,研究球面磨削时工件表面的温度场分布。将仿真结果与实验结果进行比较,发现有限元仿真值与实验测得量相当接近。 王霖; 秦勇; 刘镇昌建立了磨削温度场的计算机仿真系统 ,实现了对磨削温度场的预测及优化。利用该仿真系统对干式和湿式磨削温度场进行了仿真并得出三维等温图 ,为研究各加工参数对磨削温度场的影响提供了理论依据。 王勖成 ,邵敏等对有限单元法基本原理和数值方法进行了阐述 .,研究背景与意义,以上对于温度场的研究都是采用固定的有限元软件ansys或者abaques进行数值模拟,而采用目前这些商业软件进行模拟,只能针对某些领域并且必须要满足软件本身内部对于算法的限制进行,而FEPG有限元自动生成系统)适用于各种领域的各种工程与科学计算问题,突破了目前通用有限元程序只用于特定领域和特定问题的限制,它可以根据具体问题自动产生适合于需要的有限元程序,可广泛应用于石油化工、机械制造、能源、地矿、航空航天等许多领域。,研究方法,FEPG和商用软件相比较的特点,研究方法,FEPG法简介 FEPG(有限元自动生成)即描述有限元问题的有限元语言,该语言分为两部分,一部分用于描述偏微分方程表达式,另一部分用于描述求解微分方程的有限元算法; 用户只需通过有限元语言输入所需的各种表达式和公式即可用 FEPG 自动产生所需的全部有限元计算源程序,采用有限元语言求解有限元问题,编写有限元程序的主要工作就是书写有限元问题所需的各种数学表达式,如微分方程表达式、形函数表达式和算法表达式等,然后通过 FEPG 由计算机产生所需的 FORTRAN 源程序 或其他高级语言的源程序 . 因此,有限元语言比目前的高级语言更高一个层次,用它来编写有限元软件能提高效率,并且易于阅读和修改.,,研究内容,,,,,,,,,,,,,,,研究现状及意义,基于FEPG磨削理论基础,磨削加工温度实验研究,FEPG模型计算和结果分析,总结和展望,,,,,,,,,,,,,,,一,二,三,四,五,,,,,实验研究,实验方法半人工热电偶法进行实验温度测量,实验研究,实验设备及条件,数控高精度卧轴矩台平面磨床 MGK71206,实验研究,实验材料NM360高强度耐磨钢; 特点NM360是一种低合金高强度耐磨钢、制造、安装、维修成本低廉,但具有高的强度、韧性及耐磨性等优异性能,不仅可以提高工程机械耐磨件的寿命,而且可以通过合理设计,减少耐磨结构件的厚度、降低材料的使用量,提高生产效率,降低生产成本,具有良好的推广价值。 应用广泛应用于矿山机械、煤矿机械和工程机械等领域,nm360高强度耐磨钢,FEPG研究技术路线,技术路线-温度场平衡方程和边界条件,磨削过程中,随着工件的不断进给,磨削热源在工件表面上不断移动,所以应当建立瞬态磨削温度场的数学模型。在一般三维问题中,瞬态的求解域内,瞬态温度场的场变量在直角坐标中应满足的微分方程如下,(1),热传导平衡方程。其中第一项是微分体升温需要的热量,第2,3,4项分别是由x,y和z方向传入微分体的热量;最后一项是微分体内热量产生的热量。 为了使每一个节点的平衡方程具有唯一解,需要附加一定的边界条件和初始条件,用以获得定解,技术路线-温度场平衡方程和边界条件,,,求解域内的温度分布应满足一下3类边界条件,第二类边界条件热流密度已知时,温度可表示为,第一类边界条件温度函数已知,公式可表示为,(2),(3),第三类边界条件当物体相接触的流体介质的温度和换热系数已知时,公式可表示为,(4),技术路线-温度场平衡方程和边界条件,界外法线向量的 3 个方向余弦, 材料沿坐标系 3 个方向的导热率; 为材料密度; c为材料比热;, , 边界温度; 边界热流密度; 为对流换热系数;当在自然对流条件下 , 为外界环境温度,在强迫对流条件下,则表示边界层的绝热壁温度。 求解域的全部积分条件满足,(5),技术路线-弱形式的推导和算法选用,加权余数法即迦辽金法,是直接从基本方程出发,利用所假设的试函数引入该方程式及边界条件,一般不能满足方程式而产生余数,设法对余数加权并使余数为极小,这样就可获得该微分方程的近似解。此法不需要建立泛函数,适用于已有微分方程和边界条件的情况。瞬态温度场的场函数不仅是空间域 Ω的函数,而且还是时间域 t的函数,但是时间域和空间域并不耦合,因此建立有限元模型时可以采用部分离散的方法。用迦辽金法建立稳态温度场有限元问题求解的一般格式。首先将空间域 Ω离散为有限个单元体,在单元内温度T 可以用节点温度 插值得到,但此时节点温度是时间的函数,即,(5),(6),技术路线-弱形式的推导和算法选用,,,由于本次实验设备采用的式干磨,且室温选择为25摄氏度,于本文实验磨削深度较小,与工件高度相比相差很大,假定其已磨表面与工件表面为一平面。边界 和 构成了工件的整个边界, 由移动热源的位置决定。代入边界条件,得到干磨的有限元法弱形式为,通过加权积分,单元热交换边界对热传导矩阵的修正等可获得最终3D磨削加工中弱形式为,(7),技术路线-弱形式的推导和算法选用,,干磨的有限元法弱形式为,其中K是导热系数;C是比热;T是单元内温度; 是每个单元的节点数, 是插值函数;q是热流密度。,技术路线-弱形式的推导,,干磨的有限元法弱形式为,其中K是导热系数;C是比热;T是单元内温度; 是每个单元的节点数, 是插值函数;q是热流密度。,脚本编写,FEPG系统提供的有限元语言既适用于线性和非线性问题,又适用于稳态和非稳态问题,它既对耦合场的数目可以有任意多个,又对每一个场的自由度即偏微分方程的数目也可以有任意多个。 采用FEPG系统提供的有限元语言编写有限元程序,用户主要工作是书写偏微分方程表达式及其求解算法,非常容易阅读和修改,因此很容易维护和再用,并且需要书写的代码量很少。FEPG系统可为用户节省大量的烦琐的有限元编程时间,让用户把主要精力集中在寻找最合适的物理模型即偏微分方程表达式与算法研究中,这种有限元语言适用于各种领域和各种工程与科学的有限元问题。,脚本编写之PDE文件的编写,PDE文件的编写,其主要内容是填写微分方程表达式。由此文件自动生成计算单元刚度矩阵,单元质量矩阵,单元阻尼矩阵和单元荷载向量等单元子程序,PDE文件最多由6个信息组成 DEFI FUNC STIF MASS DAMP LOAD,脚本编写之FBC文件的填写,FBC文件的填写FBC文件的主要内容是填写边界条件第二和第三类边界条件的微分方程表达式由这个文件,单元子程序自动生成系统自动生成计算边界条件的单元刚度矩阵,质量矩阵,阻尼矩阵和荷载向量等子程序,当有第二或第三类边界条件时填写这种文件,FBC文件的填写方法与PDE文件的填写方法基本相同,但因为FBC文件是边界单元的微分方程表达式,所以,比相应的体单元要低一维。,脚本编写之GCN类型文件的填写,GCN类型文件的填写众所周知,为求解一个偏微分方程仅给出其弱形式是不够的,还需根据方程的类型用相应的算法来求解。 第一段信息为算法段。 第二段为命令流段,给出多场耦合计算的流程。,脚本编写之boundbft.for文件,boundbft.for文件平面磨削过程中,移动的砂轮可以考虑为一个移动的热源,而这个热源是一个定义边值关于坐标和时间的函数,因此需要书写边界条件随坐标和时间变化的bound.for脚本。 real*8 function boundr,t,j,nf implicit real*8 a-h,o-z dimension r2 xr1 yr2 ifabsx.lt.1.0e-8 then boundt*tx*xy*y endif return end 其中nf为场的编号,j表示该场的第j个未知量,r为坐标,t为时间,有限元程序自动生成,将编写的脚本上传如PFEPG中,采用有限元fortran程序的自动生成,继而采用gid软件进行相应的有限元前处理,与后处理。,参考文献,[1] 梁国平,唐菊珍. 有限元分析软件平台 FEPG[J]. 计算机辅助工程,2011,2039297 [2] 梁国平.有限元语言[M].北京 科学出版社,2009 1-80. 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