内六角扳手的静力分析与优化设计
陈晨
力学与工程学院，结构2010-01班，20104336
【摘要】本文中，将采用一个内六角扳手的静力分析为例来具体说明Ansys的典型分析过程，包括模型建立，划分网格，施加载荷和边界条件，求解以及后处理等。通过二维拉伸生成三维模型，分两步加载，查看两种载荷下六角形扳手的等效Von Mises应力；对六边形扳手进行应力校核，看其等效Von Mises应力是否小于200MPa。假如校核不满足，在不改变六角形尺寸和载荷的前提下，如何优化扳手的结构，使其满足设计要求。
【关键词】扳手，应力校核，优化，荷载步分析
1. 问题描述
内六角扳手在日常生产生活当中运用广泛。 本例选取的扳手其实体模型如图1 所示，先受1000N的力产生的扭矩作用，然后在加上200N力的弯曲，分析目的是算出在这两种外载作用下扳手的应力分布。扳手的详细参数如下：
截面宽：10mm，正六边形边长为5. 8 mm； 形状：正六边形 杆长：7.5cm 手柄长：20cm 倒角半径：1cm 弹性模量：2. 07×1011Pa 向下的面力：20N 斜向上的面力：100N
图1 六方孔扳手的几何尺寸
2. 建立模型
完整的前处理过程包括：设定分析模式；定义单元类型和实常数；定义材料属性；建立几何模型；划分有限元网格。下面就结合本实例进行介绍。本实例中选取的应力单位为Pa ，力单位为N，长度为m。
2.1选择分析模式
选取菜单项 Main Menu|Preference ，将弹出 Preference of GUI Filtering（菜单过滤参数选择）
对话框，如图。选中Structural复选框，以便 Ansys的主菜单设置为与结构分析相 对应的菜单选项。
图2 选择分析模式
2.2 定义单元类型
在进行有限元分析时，首先应根据分析问题的几何结构，分析类型和所分析的问题的精度要求等，选定适合分析实例的有限元单元类型。本例中选用8节点实体单元（Solid-Brick 8node45 ） 。选取菜单项 Main Menu|Preprocessor|Element Type|Add/Edit/Delete，将弹出Element Types （单元类型）对话框，点取Add，在Library of Element Types中选取相应单元类型，如图3所示。
图3选择单元类型
2.3定义材料属性
本例中选用的两种单元类型均不需定义实常数，故略过定义实常数这一步骤而直接定义材料属性。选取菜单项 Main Menu|Preprocessor|Material Props|Material Models，将弹出Define Material Model Behavior对话框，如图：
2.4建立几何模型
本实例采用沿路径拖拉的方式建立实体模型和有限元网格，因此首先建立扳手的截面，然后做出扳手的一条路径线，将截面沿此路径线拖拉生成扳手实体模型和网格。
图4 定义材料属性
2.4.1 建立扳手截面（正六边形）
单击菜单项Main Menu|Preprocessor|Modeling|Create|Areas|Polygon|By Side Length，弹出Polygon by Side Length（根据边长创建正多边形）对话框，如图所示。输入边数6，边长0.058m。关闭创建多边形的对话框，生成正六边形如图。此种方式生成的正多边形的中心在工作平面的原点。
图5 建立六角形截面
2.4.2创建截面拖拉路径
点击Main Menu|Preprocessor|Modeling|Create|Keypoints|In active CS,输入三个路径关键点：7（0,0,0），8（0，0,-0.2），9（0，-0.075，-0.2），生成点后将点点相连，做出基本路径框架如图：
图6 建立路径框架线
之后进行倒角。在Create|Lines|中点取Line Fillet，出现line fillet对话框。点选线7、8，输入倒角半径1cm，形成完整拖拉路径曲线。
图7 形成倒角
2.4.3 生成实体模型
点击Main Menu|Preprocessor|Modeling|Operate|Extrude，选择拖拉对象“Areas”，方式“Along lines”，依次点击面及拖拉路径线，生成实体模型如图8：
图8 建立好的实体模型
2.5 网格划分
选择Main Menu|Preprocessor|Meshing|MeshTool，打开网格划分工具。点选Global项后的Set，定义单元长度。本例选择2mm为单元尺度，网格划分方式为Sweep，划分后的网格如图10所示。