基于CAE的螺杆钻具结构分析及优化设计

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。 本文采用了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。

目录

文摘

英文文摘

声明

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

3.1.1Unigraphics概述

3.1.2传动轴的几何建模

3.1.2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模念分析理论

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