论文总字数：7898字

摘 要

本论文主要介绍轻型客车鼓式制动器关键部件三维模型的建立和对其进行的有限元分析。在鼓式制动器模型建立过程中，需要分别对其各组成的零部件进行模型的建立，再进行零件的装配。而在装配过程中，首先对各分总成进行装配，分别有：传力杆，弹性片，分泵防尘罩，分泵皮圈，分泵总成，后制动分泵缸体，拉臂，馏钉，摩擦片，蹄片，调隙板，销，左制动底板。再由各分总成装配成一个完整的鼓式制动器。在此基础上对鼓式制动器导入有限元软件，进行网格的划分，指定外界条件，进行有限元分析，得出有限元分析的结果，为该产品的设计提供参考。

关键词：鼓式制动器 三维建模 有限元

第一章绪论

1.1开发背景和意义

现代工业的进步，要完全归功于计算机技术的飞速发展，目前，计算机在工业方面的应用越来越广泛，将计算机、计算机软件应用于工业产品的开发、设计、分析与制造，已经成为近代工业提示竞争力的主要方法。

随着计算机技术的迅速发展，CAD/CAM技术在各个领域得到广泛的应用，成为当代最杰出的工程技术成就之一。尤其在当前改革开放的形式下，面临着日益激烈的市场竞争，如何提高单位的应变和生存能力，参与国际合作，是摆在各个企业面前的尖锐问题。CAD/CAM技术从根本上改变了传统的设计，生产，组织模式，对于推动现有企业的技术改造，带动整个产业结构的变革、发展新兴技术、促进经济增长都具有十分重要的意义。因此，世界各国都把发展CAD/CAM技术作为他们的战略目标。我国也把继续开展“CAD应用工程”作为“九五”期间的重要项目，并于1996年正式启动实施。同时，CAD/CAM技术作为CIMS的核心技术和高新技术产业的重要组成部分，它的发展与应用程度已成为衡量一个国家科技进步和工业现代化水平的重要标志之一。

1.2国内外的相关介绍及研究状况

当今，CAD/CAM技术的优点已成为越来越多的人共识。美国的制造业面临的变化比20世纪前75年的变化要大得多，其根本原因是CAD/CAM技术的应用。目前，在工业发达的国家中，不仅将CAD/CAM技术广泛用于宇航、电子和机械制造等工程和产品生产领域，而且逐渐发展到服饰、装饰、家具和制鞋等领域。另外，该技术是计算机集成化制造系统——CIMS的技术基础之一，所以，当今世界上许多国家与有关部门都十分重视对该技术的投资。总之，CAD/CAM技术的普及应用不仅对传统产业的改造、新兴产业的发展、劳动生产率的提高、材料消耗的降低、国际竞争能力的增强均有巨大的带头作用，而且CAD/CAM技术及其应用水平正成为衡量一个国家科学技术现代化水平的重要标志之一。

我国在CAD/CAM技术方面的研究开始于70年代中期，当前主要是研究开发二维绘图软件，并利用绘图机输出二维图形。主要研究单位是高等学校。航空和造船工业是应用CAD/CAM技术较早的部门。80年代初，有些大型企业和设计院成套引进CAD/CAM系统（主要是Turnkey System）。在此基础上进行开发和应用，取得了一定的成果。随着改革开放和发展商品经济的需要，在80年代中后期，我国的CAD/CAM技术有了较大的发展，而且CAD/CAM技术的优点被越来越多的人所注意。进入90年代后，各工业部门普遍提出了开发CAD/CAM技术的计划，主要表现在以下几个方面：部分单位已较好地应用CAD/CAM技术，提高设计质量，取得了经济效益；CAD/CAM技术的理论和软件开发进行了大量的研究，并取得了成果（如清华大学、浙江大学、西北工业大学、北京航空航天大学、中科院计算所等）。与此同时，有些工业部门还对所属单位提出应用CAD/CAM技术的具体要求。

我国大力推广CAD/CAM技术，是科研单位提高自主研究开发能力、企业提高应变能力和提高劳动力生产率的 重要条件，是促进传统技术发生革命性变化的重要手段，是缩短与发达国家的差距，把国民经济搞上去，实现社会主义现代化建设目标的重要措施，是一项刻不容缓的战略任务。为此，进入90年代后，我国的科学技术和工业部门都先后指定了发展和推广CAD/CAM技术的计划，并对所属部门提出了具体要求。所以，推广应用CAD/CAM技术的范围将不断扩大。

目前，三维建模和有限元分析是通过计算机表示，控制，分析，输出几个实体和对实体进行分析的技术。三维建模是20世纪70年代中期发展起来的，主要是以计算机能够理解的方式，对实体进行确切的定义，赋予一定的数学描述，再以一定的数据结构形式对所定义的几何实体加以描述，从而在计算机内部构造一个实体的模型。广泛应用于包括航天航空，汽车，机械，数控技术，电子等诸多行业。有限元分析是20世纪中叶在计算机诞生之后，在计算数学，计算力学和工程科学领域诞生的一种有效的计算方法。有限元法不仅已成为结构分析中必不可少的工具，而且广泛应用于磁场强度，热传导，非线性材料的弹塑性蠕变分析等其他领域。

1.3本毕业论文的主要工作

本课题所要研究的主要是轻型客车鼓式制动器关键部位的三维建模和有限元分析，主要是要应用于三维建模软件后对鼓式制动器的关键零部件进行几何模型的建立，并且应用有限元分析软件对建立的几何模型进行有限元分析。

（1）掌握建立三维数模的基本方法与有限元计算的基本原理；

（2）建立鼓式制动器主要零部件（制动底板、制动轮缸缸体等）三维实体模型并进行相关的分析；

（3）建立鼓式制动器主要零部件的有限元模型并进行相关的强度、刚度等计算以及对结果进行评价；

（4）参与制动系统零部件设计。

本课题拟采用的研究手段有

（1）参考同类车型已有的实验数据，验证所建立实体模型的正确性和合理性

（2）利用三维建模软件建立三维实体模型并且运用有限元分析软件对实体模型进行相应的研究

第二章 三维建模与有限元分析的基本原理

2.1 三维建模的基本原理

2.1.1 基本原理

几何建模是70年代中期发展起来的一种通过计算机表示、控制、分析和输出几何实体的技术。所谓几何建模就是以计算机能理解的方式，对实体进行确切的定义，赋予一定的数学描述，再以一定的数据结构形式对所定义的几何实体加以描述，从而在计算机内部构造一个实体的模型。通过这种方法定义、描述的几何实体必须是完整的、唯一的，而且能够从计算机内部的模型上提取该实体生成过程中的全部信息，或者能够通过系统的计算自动生成某些信息。

实体建模的标志，是在计算机内部以实体描述客观事物。利用这样的系统，一方面可以提供实体完整的信息，另一方面，可以实现对可见边的判断，具有消隐的功能。实体建模是通过定义基本体素，利用体素的集合运算或基本变形操作实现的，其特点在于覆盖三维立体的表面与其实体同时形成。由于实体建模能够定义三维物体的内部结构形状，因此能够完整地描述物体的所有集合信息，是当前普遍采用的建模方法。

2.1.2 实体生成的基本方法

按照物体生成的方法的不同，三维建模的方法可分成体素法、扫描法等几种。

1.体素法

体素法是通过基本体素的集合运算构造几何实体的建模方法。

2.扫描法

有些物体的表面形状较为复杂，难于通过定义基本体素加以描述，可以定义基体，利用基本的变形操作实现实体的建模，这种构造实体的方法称为扫描法。

2.2 有限元分析的基本原理

有限元法是求解数理方程的一种数值计算方法，是解决工程实际问题的一种有力的数值计算工具。最初这种方法被用来研究复杂的飞机结构中的应力，它是将弹性理论、计算数学和计算机软件有机地结合在一起的一种数值分析技术；后来由于这一方法的灵活、快速和有效性，使其迅速发展成为求解各领域的数理方程的一种通用的近似计算方法。目前，它在许多学科领域和实际工程问题中都得到广泛应用，因此在工科院校和工业界受到普遍的重视。

在求解工程技术领域的实际问题时，建立基本方程和边界条件还是比较容易的，但是由于其几何形状、材料特性和外部载荷的不规则性，求得解析解却是很难的。因此，寻求近似解法就成了必由之路。经过多年的探索，近似算法有许多种，但常用的数值分析方法就是差分法和有限元法。

差分法计算模型可给出其基本方程的逐点近似值（差分网格上的点）。但对于不规则的几何形状和不规则的特殊边界条件差分法就难于应用了。

有限元法把求解区域看作由许多小的在节点处互相连接的子域（单元）所构成，其模型给出基本方程的分片（子域）近似解。由于单元（子域）可以被分割成各种形状和大小不同的尺寸，所以它能很好地适应复杂的几何形状、复杂的材料特性和复杂的边界条件。再加上它有成熟的大型软件系统支持，使其已经成为一种非常受欢迎的、应用极广的数值计算方法。

在实际研究中我们常常把复杂系统分解成形态容易了解的单个元件或“单元”，研究其性态，再将这些元件重建原来的系统以得到整体性态。这是工程技术人员和科学家经常采用的分析问题的方法。

有限元的基本思想，可以从两个不同角度去理解，但其实质却是一样的。一种是朴素的，实质上是工程的推想：把一个连续的弹性体（或是结构）简化为由若干个离散的元素组合而成的等效组合体。而整个结构又是由有限个数目的元素组合而成的，当然也可以用有限个参数来加以描述。所以它的基本方程式将是一个代数方程组，在数学上属于离散体系。即用代数方程组来取代描述真实弹性体的微分方程组，在求解是当然极为有利。另一方面，从数学的角度来看，有限元是求解数学物理方程的一种数值方法。在有限元中，测试函数要“分片地”选取。就是说：首先把整个域划分成若干“子域”，然后分别在子域上选取测试函数，并要求这些测试函数在各个子域内部，在子域之间地分界面上（称为内部边界）以及子域与边界的分界面上（称为外部边界）有均满足一定的条件（譬如位移协调或应力平衡）。

2.2.1 有限元理论的基本原理

（1）假想把连续系统（包括杆系，连续体，连续介质）分割成数目有限的单元，单元之间只在数目有限的指定点（称为节点）处相互连接，构成一个单元集合体来代替原来的连续系统。在节点上引进等效载荷（或边界条件），代替实际作用于系统上的外载荷（或边界条件）。

（2）对每个单元由分块近似的思想，按一定的规则（由力学关系或选择一个简单函数）建立求解未知量与节点相互作用（力）之间的关系（力——位移、热量——温度、电压——电流等）。

（3）把所有单元的这种特性关系按一定的条件（变形协调条件、连续条件或变分原理及能量原理）集合起来，引入边界条件，构成一组以节点变量（位移、温度、电压等）为未知量的代数方程组，，求解之就得到有限个节点处的待求变量。

所以，有限元法实质上是把具有无限个自由度的连续系统，理想化为只有有限个自由度的单元集合体，使问题华为适合于数值求解的结构型问题。

2.2.2有限元理论的特点

有限元法应用于大量问题，既包括结构问题，也包括非结构问题。这种方法有很多优缺点，因而变得很普遍。这些优缺点包括：

(1)可以很容易地模拟不规则形状的结构。

(2)可以毫无困难地处理一般的载荷条件。

(3)因为单元方程是单个地建立的，因此可以模拟由几种不同材料构成的物体。

(4)可以处理数量不受限制的和各种类型的边界条件。

(5)单元的尺寸大小可变化，必要时可使用小单元。

(6)改变有限元模型比较容易，花费不大。

(7)可包括动态作用。

(8)可处理大变形和非线性材料带来的非线性问题。结构有限元分析使设计者能在设计过程中探知应力，振动和热应力问题，能够在构造样板之前对设计更换做出估计。因此，对样本可以接受的信心就增强了。此外，如果用的适当，有限元方法还可以减少必须建造的样板的数量。虽然有限元方法开始时是用于结构分析的，它以被修改可适用于工程和数学物理领域的其他学科，如流体流动，热传导，电磁电位，土力学和声学

（9）概念清楚，容易理解。可以在不同的水平上建立起对该方法的理解。从使用的观点来讲，每个人的理论基础不同，理解的深度也可以不同，既可以通过直观的物理意义来学习，也可以从严格的力学概念和数学概念推导

（10）适应件强，应用范围广泛。有限元法可以用来求解工程中许多复杂的问题，特别是采用其他数值计算方法（如有限元差分法）求解困难的问题、如复杂结构形式问题，复杂边界条件问题，非均质、非线性材料问题，动力学问题等。目前，有限元法在理论上和应用上还在不断发展。今后将更加完善和使用范围更加广泛。

（11）有限无法采用复杂矩阵形式表达，便于编制计算机程序，可以充分利用高速数字计算机的优势。由于有限元法计算过程的规范化，目前在国内外有许多通用程序，可以直接套用，非常方便。著名的有SAP系列，ADINA,ANSYS,ASKA,NASTRAN,MARK,ABAQUS等。

（12）有限元法的主要缺点是解决工程问题必须首先编制（或具有）计算机程序，必须运用计算机求解；另外，有限元计算前的数据准备、计算结果的数据整理工作量相当大。然而，在计算机日益普及的今天，使用计算机已不再困难。对于后一缺点可通过用计算机进行有限元分析的前、后处理来部分或完全地解决。

2.2.3 有限元的前后处理

1基本步骤

一般来讲，有限元法的分析过程包括以下几步：

（1）计算模型的几何部分，数据生成和数据准备；

（2）计算分析；

（3）计算结果的分析、整理和图形显示。

有限元发展初期，第（1）步和第（3）步工作都由人工来做的，既耗费时间又容易出错。有统计资料表明，由手工剖分有限元计算模型，其工作量占到整个有限元分析过程工作量的45%。用人工分析有限元计算结果则要占整个工作量的50%，而计算分析由于是计算机完成，工作量只占全部工作量的5%。以第（1）步为例，首先要将所分析的模型按一定的比例放大或缩小地画在坐标纸上，其次按所选定的单元形式对它进行剖分，按一定的顺序编单元号和节点号。然后，准备各种数据以供有限元分析之用。这些数据主要有：

节点信息—包括节点编号和节点的二维或三维坐标；

单元信息—包括单元编号及单元中节点号的排列顺序；

材料信息—包括计算模型的材料性质（弹性模量、泊松比、比热、导热系数等）；

载荷信息—包括计算模型所受负载信息（集中力、体积力、表面力、温度、压力等）；

约束信息—包括计算模型的初始条件和边界条件。

最后还必须将所有这些数据一一输入计算机。

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