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一种节约型交通指示标杆设计和有限元分析

与本课题有关的国内外研究情况：

 1有限元法的基本简介 

 有限元法是随着的电子计算机的发展而逐步发展起来的一种弹性力学问题的数值求解方法，它起源于固体力学，应用于飞机结构的静，动态特性分析中，用以求解结构的变形，应力等。由于这种方法有效可靠，有限元法的分析对象开始从线性问题扩展到非线性问题，从弹性材料扩展到塑型，粘弹性和复合材料，从连续体扩展到非连续体，应用也逐步扩展到流体力学、热传导、电磁学、声学、生物力学等不同领域。其基本思想是将结构离散化，用有限个容易分析的单元来表示复杂的单元。应用特点如下：对于复杂几何构型的适应性，对于各种物理问题的可能应用性，建立于严格理论基础上的可靠性，适合计算机的高效性

2有限元法的发展历程 

 有限元发展经历了提出、发展和完善这三个阶段。  第一阶段：1943年，Courant[2]发表的《平衡和振动问题的变分解法》开始涉及有限元的概念，标志着有限元法的诞生。  第二阶段： 1944年至1960年，有限元进入发展阶段。1956年，M.J.Turner  等人在分析飞机机翼主梁结构时, 提出了平面三角形单元的概念，并导出了其单元刚度矩阵, 发展成矩阵位移法[2]。1960年，Clough的平面弹性论文中第一次用“有限元法”这个名称，使人们更清楚地认识到有限元法的特性和功能。  第三阶段： 1961年至二十世纪九十年代是有限元法的完善阶段。冯康在1965年发表了《基于变分原理的差分格式》，这篇论文是国际学术界承认我国独立发展有限元方法的主要依据。70年代以来，随着计算机的发展，有限元理论和应用研究也随之活跃起来

交通指示标杆：

交通指示标杆是一个重要的结构形式之一，反映着一个区域的政治、经济、文化。采用精确的有限元分析方法对施工过程中因结构变化的各种受力状态进行细致的分析。

机械：

对于不同的材料，由于它的承载破坏的机理不同，应运用有限元根据材料的受力状态、环境要求，作出一定的分析，完成机械的设计，并对机械的作出评估。

本课题研究的主要内容及方法：

交通指示标杆是基础设施建设中使用频率较高的产品，其设计和强度对交通安全和城市形象的有着重要的影响。本次分析中主要是考虑到风力需要对标杆面的位置稍作调整，标杆面的调整引起其标杆的变化，需要对其做优化验证分析。标杆的实际使用工作是一个简单的力学过程，本文采用ANSYS对标杆进行仿真分析，建立与实际受力状态一致的仿真分析平台。本文的研究方法按以下步骤进行：

（1）根据要求，用UG软件建模并进行装配

  （2）对装配图中交通指示标杆进行数值仿真计算和分析计算结合的方法得出结果

  （3）对两种标杆进行比较，选出既节省材料承载能力又强的交通指示标杆。

本课题所需要解决的问题：

本文采用ANSYS对标杆进行仿真分析，必须调研常见交通指示标杆的材料选用和物理力学特性，也需要掌握无锡地区常见的极端风速条件，最重要是ANSYS软件的学习和掌握，做到熟练的运用该软件。

预期结果及其意义：

预期结果：1、文献综述或读书报告（2000字）

      2、翻译英文文献若干（其中英文1-2篇，5000字）；

      3、交通指示标杆组件的设计；

      4、交通指示标杆组件的力学建模分析；

          5、完成毕业设计论文。

意义：随着世界日益激烈的竞争，每个民族和个人都应该提高自身的素养，国与国的竞争的核心已经变成了技术的竞争。有限元分析法是解决实际问题的重要方法之一，通过学习研究有限元分析法可以将理论与实际相结合，有效的提高应用能力，使所学的知识得以运用。有限元分析对交通标志产品设计制造相对于传统制造业有以下优点：

1)采用优化设计，减少设计成本，降低材料的消耗或成本；

2)缩短设计和分析的循环周期；

3)增加产品和工程的可靠性； 

4)在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题； 

 

目  录

第一章  绪论 1

1.1有限元方法的基本概念 1

1.2 ANSYS15.0软件的介绍 2

1.2.1 ANSYS软件主要特点： 2

1.2.2有限元软件的使用步骤 2

1.2.3 ANSYS15.0GUI窗口的介绍 3

1.3国内外有限元分析发展及现状 3

1.4 NX的基本概念 4

1.5 NX10.0软件的介绍 5

1.5.1 NX10.0软件主要功能： 5

1.5.2 NX10.0软件主要特点： 6

第二章交通指示标杆的研究背景和分类 8

   2.1 交通指示标杆的背景 8

   2.2 交通指示标杆的分类 8

   2.3 本文研究的交通指示标杆 8

第三章 零件的UG三维建模和装配 10

   3.1绘制零件草图 10

   3.2 零件实体化 10

   3.3装配实体模型 11

   3.4计算两种标杆的质量 12

   3.5 导出“Parasolid”格式装配图 13

第四章 交通指示标杆的受力参数和螺栓校核 15

   4.1风速的计算 15

   4.2 风速作用力的简化计算 15

   4.3 螺栓校核 15

第五章 ANSYS软件中交通指示标杆单元属性的建立 17

   5.1 导入parasolid格式装配图 17

   5.2定义单元属性 17

5.2.1偏置处理 18

5.2.2 定义材料属性 18

       5.2.3 定义单元类型 18

第六章 有限元网格划分、风力载荷的施加和有限元计算分析 20

   6.1模型组件相互关系的简化 20

   6.2网格划分 20

   6.3确定自由度和施加载荷 21

   6.4求解标杆当前载荷 22

   6.5两个交通指示标杆图形的绘制结果 22

6.5.1比较两个标杆的形变 22

6.5.2两个标杆的应力示图分析 24

第七章 一体式交通指示标杆优化设计 27

   7.1一体式交通指示标杆建模和质量计算 27

7.1.1单柱一体式标杆和方管一体式标杆建模 27

   7.2一体式交通指示标杆有限元分析 29

7.2.1预处理 29

7.2.2求解 31

7.2.3后处理 33

结  论 38

致  谢 40

参考文献： 41
 

参考文献：

[1] 高耀东，郭喜平等.ANSYS机械工程应用25例[M].北京：电子工业出版社，2007-03.

[2] 王庆五，左昉，胡仁喜. ANSYS10.0机械设计高级应用实例（第二版）[M].北京：机械工业出版社，2006-01. 

[3] 王新敏.ANSYS结构分析单元与应用[M].北京：人民交通出版社，2009-03.

[4] 纪兵兵，陈金瓶.ANSYS ICEM CFD网格划分技术实例详解[M].北京：中国水利水电出版社，2010-07.

[5] 刘向阳.UG建模、装配与制图（NX中文版）[M].北京：国防工业出版社，2007-03.

[6] 连国栋.UG NX 10.0 完全自学宝典[M] .北京：机械工业出版社，2015-07.

[7] 无锡中塔尔金属材料有限公司. 5A02/5A02铝板/5A02铝棒/无锡中塔尔金属材料现货供应国产铝.[2016-04-27].