有限元仿真分析读书报告（5篇可选）

第一篇：有限元仿真分析读书报告

有限元方法读书报告

1概述

1.1 有限单元法的简介

有限元方法也叫“有限单元法”或“有限元素法”，这种方法源于机构分析，有结构力学的位移法发展而来。

有限单元法的基本思想是将物体离散成有限个且按一定方式相互联结在一起的单元的结合，来模拟或逼近原来的物体，进而将一个连续的无限自由度问题简化为离散的有限自由度问题求解的一种数值分析方法。物体被离散后，通过对其中各个单元进行单元分析，最终得到对整个物体的分析。网格划分中每一小块体称为单元。确定单元形状、单元之间相互联结的点称为节点。单元上节点处的结构内力为节点力，外力（有集中力、分布力等）为节点载荷。

有限元法的优点很多，其中最突出的优点是应用范围广。发展至今，不仅能解决静态的、平面的、最简单的杆系结构，而且还可以解决空间问题、板壳问题、结构的稳定性问题、动力学问题、弹塑性问题和粘弹性问题、疲劳和脆性断裂问题以及结构的优化设计问题。而且不论物体的结构形式和边界条件如何复杂，也不论材料的性质和外载荷的情况如何，原则上都能应用。

1.2 有限单元法的理论基础

有限元法的常用术语有单元、节点、载荷、边界条件。

有限元法的分析过程包括研究分析结构特点、形成有限元计算模型、选择有限元软件或编制计算程序、上机试算、计算模型准确性判别、修改计算模型或修改程序、正式计算以及计算结果整理、结构计算方案的判别。有限元法的基本思路和基本原则以结构力学中的位移法为基础，把复杂的结构或连续体看成有限个单元的组合，各单元彼此在节点处连接而组成整体。把连续体分成有限个单元和节点，称为离散化。先对单元进行特性分析，然后根据各节点处的平衡和协调条件建立方程，综合后作整体分析。这样一分一合，先离散再综合的过程，就是把复杂结构或连续体的计算问题转化为简单单元的分析与综合的问题。因此，一般的有限元解法包括三个主要步骤：离散化、单元分析、整体分析。

离散化：一个复杂的弹性体可以看作由无限个质点组成的连续体。为了进行解算，可以将此弹性体简化为有限个单元组成的集合体，这些单元只在有限个节点上铰接，因此，这集合体只具有有限个自由度，这就为解算提供了可能。有无限个质点的连续体转化为有限个单元的集合体，就称为离散化。

单元分析：单元分析首先要进行单元划分。在工程结构中，一般采用四种类型的基本单元，即标量单元、线单元（杆、梁单元）、面单元和体单元。中。而单元划分一般注意下面几点：

一、从有限元本身来看，单元划分的越细，节点布置得越多，计算的结果越精确。但计算时间和计算费用的增加。所以在划分单元时对应兼顾这两个方面。

二、在边界比较曲折，应力比较集中，应力变化较大的地方，单元应划分的细点，而在应力变化平缓处单元划分的大些。单元由小到大应逐渐过渡。

三、对于三角形单元，三条边长应尽量接近，不应出现钝角，以免计算出现较大的偏差。对于矩形单元，长度和宽度也不应相差过大。

四、任意一个三角形单元的角点必须同时也是相邻单元边上的角点，而不能是相邻单元边上的内点。划分其他单元时也应遵循此原则。

五、如果计算对象具有不同的厚度或不同的弹性系数，则厚度或弹性系数突变之处应是单元的边线。

整体分析：整体分析就是建立各单元之间和整体结构之间的联系，建立起整体刚度矩阵：先对各个单元求出单元刚度矩阵[

第二篇：基于有限元的电磁场仿真与数值计算介绍

鼠笼异步电动机磁场的有限元分析

摘要

鼠笼异步电动机具有结构简单、价格低廉、运行可靠、效率较高、维修方便等一系列的优点，在国民经济中得到广泛的应用。工业、农业、交通运输、国防工程以及日常生活中都大量使用鼠笼异步电动机。随着大功率电子技术的发展，异步电动机变频调速得到越来越广泛的应用，使得鼠笼异步电动机在一些高性能传动领域也得到使用。

鼠笼异步电动机可靠性高，但由于种种原因，其故障仍时有发生。由于电动机结构设计不合理，制造时存在缺陷，是造成故障的原因之一。对电机内部的电磁场进行正确的磁路分析，是电机设计不可或缺的步骤。利用有限元法对电机内部磁场进行数值分析，可以保证磁路分析的准确性。本文利用Ansys Maxwell软件，建立了鼠笼式异步电机的物理模型，并结合数学模型和边界条件，完成了对鼠笼式异步电动机的磁场仿真，得到了物理模型剖分图，磁力线和磁通分布图，为电机的进一步设计研究提供了依据。

关键词：Ansys Maxwell；鼠笼式异步电机；有限元分析

一、前言

当电机运行时，在它的内部空间，包括铜与铁所占的空间区域，存在着电磁场，这个电磁场是由定、转子电流所产生的。电机中电磁场在不同媒介中的分布、变化及与电流的交链情况，决定了电机的运行状态与性能。因此，研究电机中的电磁场对分析和设计电机具有重要的意义。

在对应用于交流传动的异步电机进行电磁场的分析计算时，传统的计算方法因建立在磁场简化和实验修正的经验参数的基础之上，其计算精度就往往不能满足要求。如果从电磁场的理论着手，研究场的分布，再根据课题的要求进行计算，就有可能得到满意的结果。电机电磁场的计算方法大致可以分为解析法、图解法、模拟法和数值计算法。数值解法是将所求电磁场的区域剖分成有限多的网格或单元，通过数学上的处理，建立以网格或单元上各节点的求解函数值为未知量的代数方程组。由于电子计算机的应用日益普遍，所以电机电磁场的数值解法得到了很大发展，它的适用范围超过了所有其它的解法，并能达到足够的精度。对于电机电磁场问题，常用的数值解法有差分法和有限元法两种。用有限元法时单元的剖分灵活性大，适用性强，解的精度高。因此我们采用有限元法对电机电磁场进行数值计算。

Maxwell2D 是一个功能强大、结果精确、易于使用的二维电磁场有限元分析软件。在这里，我们利用 Ansys的 Maxwell2D 有限元分析工具对一个三相四极电机进行有限元分析，构建鼠笼式异步电机电动机的物理模型，并结合电机的数学模型、边界条件进行磁场分析。

二、有限元法介绍

有限元法(Finite Element Method,FEM)，是计算力学中的一种重要的方法，它是20世纪50年代末60年代初兴起的应用数学、现代力学及计算机科学相互渗透、综合利用的边缘科学。有限元法最初应用在工程科学技术中，用于模拟并且解决工程力学、热学、电磁学等物理问题。对于过去用解析方法无法求解的问题和边界条件及结构形状都不规则的复杂问题，有限元法则是一种有效的分析方法。

有限元法的基本思想是先将研究对象的连续求解区域离散为一组有限个且按一定方式相互联结在一起的单元组合体。由于单元能按不同的联结方式进行组合，且单元本身又可以有不同形状，因此可以模拟成不同几何形状的求解小区域;然后对单元(小区域)进行力学分析,最后再整体分析。这种化整为零，集零为整的方法就是有限元的基本思路。有限元分析利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。还利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因此实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。

有限元法最初应用在求解结构的平面问题上，发展至今，已由二维问题扩展到三维问题、板壳问题，由静力学问题扩展到动力学问题、稳定性问题，由结构力学扩展到流体力学、电磁学、传热学等学科，由线性问题扩展到非线性问题，由弹性材料扩展到弹塑性、塑性、粘弹性、粘塑性和复合材料，从航空技术领域扩展到航天、土木建筑、机械制造、水利工程、造船、电子技术及原子能等，由单一物理场的求解扩展到多物理场的耦合，其应用的深度和广度都得到了极大的拓展。

目前对机电产品的模拟与仿真多采用有限元分析方法。在电机中，电流会使绕组发热，涡流损耗和磁滞损耗会使铁芯发热。温度分布不均造成的局部过热，会危及电机的绝缘和安全运行；在瞬态过程中，巨大的电磁力有可能损坏电机的端部绕组。为了准确地预测并防止这些不良现象的产生，都需要进行电磁场的计算，有限元法正是计算电磁场的一种有力工具。

总之，有限元法作为一个具有巩固理论基础和广泛应用效力的数值分析工具，是现代力学、计算数学和计算机技术等学科相结合的产物，在国民经济建设和科学技术发展中发挥了巨大的作用。

三、Maxwell软件介绍

ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）软件，是世界范围内增长最快的计算机辅助工程（CAE）软件，能与多数计算机辅助设计（CAD，computer Aided design）软件接口，实现数据的共享和交换，如Creo, NASTRAN, Alogor, I－DEAS, AutoCAD等。是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。在核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等领域有着广泛的应用。ANSYS功能强大，操作简单方便，现在已成为国际最流行的有限元分析软件，在历年的FEA评比中都名列第一。

ANSYS，Inc.(NASDAQ:ANSS)成立于1970年，致力于工程仿真软件和技术的研发，在全球众多行业中，被工程师和设计师广泛采用。ANSYS公司重点开发开放、灵活的，对设计直接进行仿真的解决方案，提供从概念设计到最终测试产品研发全过程的统一平台，同时追求快速、高效和和成本意识的产品开发。ANSYS公司于2006年收购了在流体仿真领域处于领导地位的美国Fluent公司，于2008年收购了在电路和电磁仿真领域处于领导地位的美国Ansoft公司。通过整合，ANSYS公司成为全球最大的仿真软件公司。ANSYS整个产品线包括结构分析(ANSYS Mechanical)系列，流体动力学(ANSYS CFD(FLUENT/CFX）)系列，电子设计（ANSYS ANSOFT）系列以及ANSYS Workbench和EKM等。

电磁场有限元分析软件——Ansys Maxwell是目前电磁领域中被广泛采用的得力助手。ANSYS以Maxwell方程组作为电磁场分析的出发点。有限元方法计算的未知量（自由度）主要是磁位或通量，其他关心的物理量可以由这些自由度导出。根据用户所选择的单元类型和单元选项的不同，ANSYS计算的自由度可以是标量磁位、矢量磁位或边界通量。Maxwell目前广泛用于电机、电力电子、交直流传动、电源、汽车、航空航天、生物医学、石油化工以及国防等领域，已经在通用电气、Rockwell、ABB、西门子等国际知名企业与机构得到广泛应用和验证。

Maxwell 2D 是 Ansys 机电系统设计解决方案的重要组成部分。Maxwell2D 是一个功能强大、结果精确、易于使用的二维电磁场有限元分析软件。它包括电场、静磁场、涡流场、瞬态场、温度场等分析模块，可以用来分析电机、传感器、变压器等电磁装置的静态、稳态、瞬态、正常工况的特性。

当电机运行时，在它的内部空间，包括铜与铁所占的空间区域，存在着电磁场，这个电磁场是由定、转子电流所产生的。电机中电磁场在不同媒介中的分布、变化及与电流的交链情况，决定了电机的运行状态与性能。因此，研究电机中的电磁场对分析和设计电机具有重要的意义。在这里，我们利用Maxwell2D 有限元分析工具对一个三相四极鼠笼式异步电机进行有限元分析，以验证和考核电机设计的合理性和准确性，并进一步优化设计。

四、鼠笼式异步电机简介

鼠笼异步电动机具有结构简单、价格低廉、运行可靠、效率较高、维修方便等一系列的优点，在国民经济中得到广泛的应用。工业、农业、交通运输、国防工程以及日常生活中都大量使用鼠笼异步电动机。随着大功率电子技术的发展，异步电动机变频调速得到越来越广泛的应用，使得鼠笼异步电动机在一些高性能传动领域也得到使用。

异步电动机工作原理：当电动机的三相定子绕组（各相差120度电角度），通入三相对称交流电后，将产生一个旋转磁场，该旋转磁场切割转子绕组，从而在转子绕组中产生感应电流（转子绕组是闭合通路），载流的转子导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁力，从而在电机转轴上形成电磁转矩，驱动电动机旋转，并且电机旋转方向与旋转磁场方向相同。

鼠笼式异步电动机主要由定子和转子两部分组成，定、转子之间是气隙。转子绕组是用作产生感应电势、并产生电磁转矩的。鼠笼式转子绕组是自己短路的绕组，在转子在每个槽中放有一根导体（材料为铜或铝），导体比铁芯长，在铁芯两端用两个端环将导体短接，形成短路绕组。若将铁芯去掉，剩下的绕组形状似松鼠笼子，故称鼠笼式绕组。鼠笼式异步电动机结构简单、制造容易、成本低、运行维护方便，它被广泛地应用在工农业生产中，作为电力拖动的原动机。它的缺点是调速性能差，启动力矩较小，因此在一些要求平滑调速和启动力矩很大的场合常用其他类型电动机来完成。

五、电机有限元分析模型的建立

1、电机基本参数

采用一个三相鼠笼式异步电动机为分析模型，定子绕组∆连接，相电压 380V，定子绕组线电流 12A,具体参数见表5-1。通过Ansys Maxwell构建其物理模型，结合边界条件和数学模型进行磁场分析。

表5-1 电机的主要技术参数

定子内径/mm 定子外径/mm 定子槽数/个 转子槽数/个

气隙 频率/HZ

36 24 5 50 基本假设：(1)相对于磁极极距的尺寸来说，气隙是很小的，并且是均匀的，因此其磁感应强度一般只考虑径向分量，且认为沿电机的轴向是不变的，不考虑端部效应，因此采用二维场模拟磁场分布。(2)不计定子线圈的涡流效应,铁心磁导率为各向同性磁导率。

利用Maxwell 2D建立二维电机有限元模型,建模过程如下:①确定电机结构尺寸数据,画出电机模型；②确定电机材料属性；③确定有限元计算的边界条件和载荷；④确定剖分；⑤加激励源进行磁场分析。

2、电机物理模型的生成

首先在Ansys Maxwell 软件中新建一个2D 设计平台，选择二维静磁场求解器对永磁同步电动机进行磁场分析。确定模型单位，在求解器类型设置中设置该问题分析系统的全局坐标平面为XY 坐标系统。Ansys Maxwell 中模型的建立一般采用自上而下的方式，以点—线—面逐步进行模型生成。在新建的Maxwell 2D平台中，通过绘制曲线以及镜像、阵列的方法绘制出电机的基本结构，并通过“surface-cover lines”指令生成相应面域，然后通过“Subtract”指令分离得各个面域。最后得到的电机物理模型见图5-1。在Maxwell 2D中建立电机的物理模型并加载材料以及边界条件，各部分材料见表5-2。

表5-2 电机材料属性

面域 定子轭 定子绕组 气隙 转子轭 转子绕组

材料 DW465-50硅钢片 铜（cooper）

空气 DW465-50硅钢片 铜（cooper）

图5-1 鼠笼式异步电机物理模型

3、模型网格的剖分

网格剖分是有限元求解的基础,为了保证计算精度,需要进行手动网格划分。采用基于模型内部单元边长的剖分设置进行模型剖分。具体设置路径为Maxwell 2D/Mash Operation/Assign/On selection进行设置，本度采用的最大剖分单元长度为2mm。剖分后的网格如图5-2所示。

图5-2 物理模型网格剖分图

4、数学模型

异步电机数学模型有电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程组成。电压方程：三相定子绕组的电压平衡方程为

uAiARsdAdtdB

uBiBRsd

(5-1)

tuCiCRsdCdtdadtdb与此对应，三相转子绕组折算到定子侧后的电压方程为：

uaiaRr

ubibRrd

(5-2)

tucicRrdcdt磁链方程：完整的磁链方程可写成分块矩阵的形式

sLssLsrisLLirrsrrrABCrabc

(5-3)

式中sTTisiAiBiCiriaibicTT电磁转矩方程：

TenpL'miAiaiBibiCicsinm(iAibiBiciCia)sin(m120。）（iAiciBiaiCib）sin(m120。)(5-4)式中L'm为电动机定转子互感，iAiBiC：定子三相电流iaibic：转子三相电流运动方程：在一般情况下，电力拖动系统的运动方程式是

TeTlJdnpdtdm

(5-5)dtTl为负载阻转矩；J为机组的转动惯量；为电动机转子的电角速度。

5、激励源和边界条件

磁场分析中，每个被分析的问题至少存在一种激励源。在鼠笼式异步电机分析中，只存在定子绕组电流源。对于边界条件，电机求解域的外边界及转子轭与转轴的交界都应施加相应的边界条件，此问题中由于两处边界均为高导磁介质与非导磁介质的分界处，因此，施加磁通平行边界条件即可。这也是点击分析中最为常用的边界条件。

6、磁场分析结果

在完成上述工作后，可以对相关的求解参数进行设置，之后对所构建的图形开始进行分析自检，通过执行Maxwell 2D/Validation check命令，自检对话框对工程栏中的每一项进行自检，辨别是否有错误。自检正确后，说明构建的模型没有错误，开始进行一键有限元分析求解，此过程通过执行Maxwell 2D/Analysis all命令来完成。鼠笼式异步电机的Ansys Maxwell 求解结果如下。

图5-3 导体电感矩阵

图5-4 导体匝链的磁链

在求解完成后，执行Maxwell 2D/Results命令查看电机各种参数曲线；执行

Maxwell 2D/Fields命令来查看磁密，磁场强度等各种场图。交流鼠笼异步电动机的Ansys Maxwell磁场分析结果如下图。其中，图5-5为电机的磁力线分布图，图5-6为电机的磁通密度分布图。

图5-5 电机磁力线分布图

图5-6 电机磁通密度分布图

六、结论

本文在Maxwell 2D环境下建立了鼠笼式异步电动机的物理模型，并结合数学模型和边界条件，完成了对鼠笼式异步电动机的磁场仿真，得到了物理模型剖分图，磁力线和磁通分布图。仿真结果准确的反映了鼠笼式异步电动机的磁力线、磁通密度分布，为电机的进一步设计研究提供了依据。应用Ansys Maxwell 软件分析得到的结果，既保证了有限元分析的精度，又大大降低了计算量，对后续工作有极大的理论参考价值。通过本文，基本了解了Ansys Maxwell 软件Maxwell 2D平台的基本操作，为以后学习Ansys Maxwell 软件3D仿真打下了良好基础。

第三篇：有限元结课报告

课名：有限元方法的理论、应用及CAE仿真 题目：基于ABAQUS的直齿轮接触分析 组员：陈彩云、孙兆亮、董鹏程、张永进 院系：机械与车辆学院

有限元方法的理论、应用及CAE仿真

基于ABAQUS的直齿轮接触分析

直齿是齿轮的一种分类方式，（Spur Gear）。按照一对齿轮轴线的相对位置和齿向（两周是否平行）分为平面齿轮转动和空间齿轮转动；按照齿轮的工作条件不同可分为开式传动和闭式传动；按照轮齿或齿廓的形状分为直齿、斜齿、人字齿、或直齿、曲齿。

CAE(计算机辅助工程)是一门复杂的工程科学，涉及仿真技术、软件、产品设计和力学等众多领域。世界上几大CAE公司各自以其独到的技术占领着相应的市场。ABAQUS有限元分析软件拥有世界上最大的非线性力学用户群，是国际上公认的最先进的大型通用非线性有限元分析软件之一。它广泛应用于机械制造、石油化工、航空航天、汽车交通、土木工程、国防军工、水利水电、生物医学、电子工程、能源、地矿、造船以及日用家电等工业和科学研究领域。ABAQUS在技术、品质和可靠性等方面具有卓越的声誉，可以对工程中各种复杂的线性和非线性问题进行分析计算。

接触问题是土木、建筑、水利工程、石油化工、等领域中普遍存在的力学问题。不管在接触边界之间是否有间隙存在，接触作用的出现对结构受载之后的接触状态和应力分布都有直接的影响，一方面通过接触可以提高整个结构的承载力和刚度或者可以起到減震作用，而另一方面也正是因为由于接触的存在,伴随着局部高应力，很容易使材料屈服或发生製缝，如果再受到循环载荷的影响，还可能产生疲劳失效。所以，了解基础状态和应力状态，对结构设计、施工及补强措施，都有重要的意义。

有限元方法的理论、应用及CAE仿真

一、直齿轮croe三维建模

1.1设计齿轮参数

三个齿轮压力角为20°，模数为2，齿宽为30mm，分度圆半径分别为30mm、40mm、60mm，齿数分别为15、20、30，中心距分别为35mm、55mm。

1.2以Z=20的齿轮为例，新建一零件，进入三维实体建模环境建立基准轴。

1.3打开工具中的参数对话框，建立如下齿轮参数。

有限元方法的理论、应用及CAE仿真

1.4输入齿顶圆、齿根圆、分度圆及基圆的关系

1.5单击草绘，进入草绘模式，建立齿顶圆、齿根圆、分度圆及基圆草绘。完成后修改4圆的直径参数为d、da、df及db。

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1.6单击【基准】|【曲线】|【来自方程的曲线】选项，打开对话框，在坐标类型中选择笛卡尔坐标系，并建立参考坐标系，单击【方程】，在记事本中添加如下图所示的渐开线方程式。

得出渐近线方程如下图：

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1.7以360/(4*z)的角度镜像渐近线。

1.8建立齿轮实体模型，单击【草绘】|【投影】|【环】，点击齿根圆确定。拉伸草图。深度为参数B。

1.9类比7，点击不是【环】轮齿。，而是【单一】，单击渐近线如图所示。拉伸

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1.10阵列轮齿实体，个数为z-1，角度360/z。

1.11改变参数中的Z为15、30。

1.12装配

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二、HyperMesh进行网格划分

2.1将IGS文件导入HyperMesh 首先将上一步生成的IGS文件导入进HyperMesh中，其操作如图2-1所示。

图2-1 导入IGS模型

2.2生成实体

由于IGS导入HyperMesh中的模型只有表面，不存在实体，所以先生成实体在进行下一步操作。打开Geom面板中的子面板solid，并选中 bounding surf 再选中需要生成实体的表面，点击create即生成齿轮实体。

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2-2 生成实体

2.3 生成齿轮圆心

打开Geom面板左下角的distance子面板，选择three nodes 命令，在点击circle center命令，创建齿轮圆心。

2-3 生成齿轮圆心

2.4 切割单齿

打开Geom面板的solid edit 子面板，选择trim with plane/surf 命令对齿轮实体进行操作，切割下来单个齿。

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2-4 切割单齿

2.5 划分单齿网格

使用3D面板的solid map子面板，选择mesh solids。选择切割下来的单齿，并设置单元类型及单元尺寸

2-5 划分单齿网格

2.6 隐藏实体保存单齿网格

2-6 保存单齿网格

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2.7 旋转单齿生成完整的齿轮网格

使用Tool面板的rotate子面板，打开后选择圆心，设置旋转角度，旋转复制多次，生成完整的齿轮网格

2-7 旋转单齿生成完整齿轮网格

2.8 去除边界

选择Tool面板的edges命令，选中整个网格，点击delete edges 删除边界。

2-8 去除边界

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2.9 重复操作完成其余齿轮的网格划分

2-9 完成全部齿轮的网格划分

2.10 总结

HyperMesh 具有强大的前处理网格划分功能，对多种CAD模型的支持，在搭建三维模型就有多种工具可供选择；而同时支持与多种CAE分析软件的数据交流，不会限制hypermesh划分的网格的使用；相对于其他前处理软件，其导入模型的质量和效率都很高，为CAE分析师的工作节省了大量时间；简单的界面更适合学习。

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三、ABAQUS进行接触分析

3.1ABAQUS中导入模型

执行【文件】/【导入】/【模型】操作，选中模型chilun2.inp，如下图所示。

3.2设置材料属性

从【模块】列表中选择【属性】，进入特性功能模块。Step1：创建材料属性。单击

【创建材料】，弹出【编辑材料】对话框。在【名称】栏输入“steel”。在【材料行为】栏选择【通用】/【密度】，在【质量密度】栏输入钢的密度7.8e-9。然后选择【力学】/【弹性】/【弹性】，将【杨氏模量】和【泊松比】分别设置为210000和0.3。

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Step2：创建截面特性。单击择【steel】。

、Step3：分配截面特性。单击

【指派截面】，用鼠标框选3个齿轮

【创建截面】，选择【实体】、【均质】。【材料】选

3.3创建分析步

从【模块】列表中选择【分析步】，进入分析步功能模块。

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单击【创建分析步】，选择【动力，显示】，单击【继续】。在弹出的【编辑分析步】对话框中，将【时间长度】改为0.001，单击【确定】。

单击

【场输出管理器】，将【间隔】改为40次

3.4定义相互作用

从【模块】列表中选择【相互作用】，进入相互作用功能模块。1.定义接触关系

Step1：创建接触属性。单击

【创建相互作用属性】，选择【接触】。在【力学】/【切向行为】保持默认。在【力学】/【法向行为】中的【摩擦公式】的下拉列表选

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择【罚】，将【摩擦系数】设为0.1。

step2：创建通用接触。单击

【创建相互作用】，【分析步】选为【Initial】，并选择【通用接触（Explicit）】，单击【继续】。在【全局属性指派】中选择之前创建的接触属性【InProp-1】，单击【确定】。

2.定义耦合约束

在ABAQUS中，想让实体单元绕轴旋转，一种方法是将实体单元与一个点耦合，然后让这个点旋转。

有限元方法的理论、应用及CAE仿真

Step1：创建参考点。耦合点在圆心，先单击的中心，创建3个参考点

Step2：定义耦合约束。单击

【创建参考点】，点击三个齿轮

【创建约束】，选择【耦合的】，再单击【几何】，进行下图所示步骤，分别完成3个齿轮内表面与各自参考点的耦合。

3.5创建载荷和边界条件

从【模块】列表中选择【载荷】，进入载荷功能模块。Step1：单击【创建边界条件】，类型选择【位移/转角】，分析步选择【initial】。参考点“RP-1”将只有y轴旋转自由度。

Step2：以同样方式创建“RP-2”和“RP-3”的边界条件。

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Step3：单击【创建边界条件】，名称改为“BC-Ang-vel-15”，类型选择【速度/角速度】，分析步选择【Step-1】,区域选择“RP-1”，勾选VR2并赋值628。

3.6提交分析作业

从【模块】列表中选择【作业】，进入作业功能模块。Step1：单击Step2：单击【创建作业】，将作业名称改为“Job-3”

【作业管理器】，在作业管理器中单击【提交】按钮提交作业。

有限元方法的理论、应用及CAE仿真

3.7结果后处理

计算完成后，单击【作业管理器】对话框中的【结果】按钮，进入可视化模块。Step1：单击【在变形图上绘制云图】可显示减速齿轮的变形云图。

Step2：在工具栏选择【U】，可以查看模型位移云图。

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Step3：执行【结果】/【历程输出】命令，弹出【历程输出】对话框，可查看历史变量输出。ALLWK为外力功，ALLFD为摩擦耗散能，ALLIE为内能，ALLKE为动能，ALLVD为黏性耗散能。

3.8结果评价及分析

通过提交作业可以得到有限元分析结果，并能将结果以动画的形式模拟出来，便于直观的看到齿轮啮合的过程。ABAQUS通过彩色云图显示应力分布。

有限元方法的理论、应用及CAE仿真

在图中可以看出齿轮与齿轮的接触面处以及齿跟弯曲处有较大的应力，我们主要分析轮齿间的接触应力。找到齿轮啮合过程中应力最大的Element，测出应力值为11740MPa，可以将其应力值输出。

在齿轮啮合传动过程中，齿轮齿跟部分轮齿与轮齿的接触部分应力最大，所以齿根部分容易发生折断，齿面容易出现磨损、胶合以及塑性流动等失效形式，这与工程应用中的实际情况是一致的。

由于齿轮是渐开线轮齿接触，传统的赫兹接触理论的结果是近似的，特别是轮齿接触存在摩擦，因此赫兹接触理论必然存在误差；并且用赫兹理论分析方法只能求出沿接触面法线方向上各个位置的应力等参数，不能精确获知应力分布和应力集中，而采用ABAQUS进行有限元分析可以准确知道任意时刻，任何节点的应力情况。

在实际工程应用中，齿轮问是存在摩擦的，从理论上讲，随着摩擦系数的增大，有限元方法计算出的应力也将增大，而且如果将轮齿与轮齿之间的摩擦系数增大或者是将轮齿底面上的分布载荷增大也会造成接触应力的增加，所以有限元分析结果中的最大应力值大于赫兹理途计算得到的应力值，同时造成商种方法存在误差的原因还有有限元网格的划分方法、几何边界条件的定义、在计算时选择的算法不同等。

有限元方法的理论、应用及CAE仿真

齿轮啮合部位不同，其接触应力也会发生变化，最大接触应力发生在单齿接触时，位置在节圆附近，在维接触时其最大接触应力会小得多。

通过比较，认为误差在可接受的范围之内。所以，采用ABAQUS软件进行齿轮啮合有限元分析可以很好的模拟接触过程，并且得到理想的分析结果。

3.9结论启示

通过对齿轮接触的有限元分析结果及其人们的工程实践进行总结，我们可以在如何提高齿轮的抗疲劳强度方面得到一些启发。其一，从实际生产中的一些治金重载齿面发生严重变形的经验中，认为必然存在最适合齿轮接触强度和弯曲强度的齿形，这种理想齿形的设计成有可能发展成一门新的学科：齿轮仿形原理，其二，提高糊滑油的质量，润滑油质量的提高对齿轮接触强度的提高起到很大的作用，高质量的润滑油，更抗氧化，更容易产生油膜，更容易散热；其三，提高齿轮加工的精度，高精度的齿轮可以改善啮合性能，进而改善接触强度；其四，对材料进行合理的热处理，可以使其具有较好的综合机械性能，提高齿面的硬度和耐磨性等等。

第四篇：大型有限元通用分析软件Ansys学习心得

大型有限元通用分析软件Ansys学习心得

相对于其他应用型软件而言，ANSYS作为大型权威性的有限元分析软件，对提高 解决问题的能力是一个全面的锻炼过程，是一门相当难学的软件，因而，要学好 ANSYS，对学习者就提出了很高的要求，一方面，需要学习者有比较扎实的力学 理论基础，对ANSYS分析结果能有个比较准确的预测和判断，可以说，理论水平的高低在很大程度上决定了ANSYS使用水平；另一方面，需要学习者不断摸索出 软件的使用经验不断总结以提高解决问题的效率。在学习ANSYS的方法上，为了让初学者有一个比较好的把握，特提出以下五点建议：

一.将ANSYS的学习紧密与工程力学专业结合起来 毫无疑问，刚开始接触ANSYS时，如果对有限元，单元，节点，形函数等《有限元单元法及程序设计》中的基本概念没有清楚的了解话，那么学ANSYS很长一段 时间都会感觉还没入门，只是在僵硬的模仿，即使已经了解了，在学ANSYS之 前，也非常有必要先反复看几遍书，加深对有限元单元法及其基本概念的理解。作为工程力学专业的学生，虽然力学理论知识学了很多，但对许多基本概念的理 解许多人基本上是只停留于一个符号的认识上，理论认识不够，更没有太多的感 性认识，比如一开始学ANSYS时可能很多人都不知道钢材应输入一个多大的弹性 模量是合适的。而在进行有限元数值计算时，需要对相关参数的数值有很清楚的 了解，比如材料常数，直接关系到结果的正确性，一定要准确。实际上在学 ANSYS时，以前学的很多基本概念和力学理论知识都忘得差不多了，因而遇到有 一定理论难度的问题可能很难下手，特别是对结果的分析，需要用到《材料力学》，《弹性力学》和《塑性力学》里面的知识进行理论上的判断，所以在这种 情况下，复习一下《材料力学》，《弹性力学》和《塑性力学》是非常有必要 的，加深对基本概念的理解，实际上，适当的复习并不要花很多时间，效果却很 明显，不仅能勾起遥远的回忆，加深理解，又能使遇到的问题得到顺利的解决。在涉及到复杂的非线性问题时（比如接触问题），一方面，不同的问题对应着不 同的数值计算方法，求解器的选择直接关系到程序的计算代价和问题是否能顺利 解决；另一方面，需要对非线性的求解过程有比较清楚的了解，知道程序的求解 是如何实现的。只有这样，才能在程序的求解过程中，对计算的情况做出正确的 判断。因此，要能对具体的问题选择什么计算方法做出正确判断以及对计算过程 进行适当控制，对《计算方法》里面的知识必须要相当熟悉，将其理解运用到 ANSYS的计算过程中来，彼此相互加强理解。要知道ANSYS是基于有限元单元法 与现代数值计算方法的发展而逐步发展起来的。因此，在解决非线性问题时，千 万别忘了复习一下《计算方法》。此外，对《计算固体力学》也要有所了解（一 门非常难学的课），ANSYS对非线性问题处理的理论基础就是基于《计算固体力 学》里面所讲到的复杂理论。作为学工程力学的学生，提高建模能力是非常急需加强的一个方面。在做偏向于 理论的分析时，可能对建模能力要求不是很高，但对于实际的工程问题，有限元 模型的建立可以说是一个最重要的问题，而后面的工作变得相对简单。建模能力 的提高，需要掌握好的建模思想和技巧，但这只能治标不能治本，最重要的还是 要培养较强看图纸的能力，而看图纸的能力培养一直是我们所忽视的，因此要加 强对《现代工程图学》的回忆，最好能同时结合实际的操作。以上几个方面，只是说明在ANSYS的过程中，不要纯粹的把ANSYS当作一门功课 来学，这样是不可能学好ANSYS的，而要针对问题来学，特别是遇到的新问题，首先要看它涉及到那些理论知识，最好能作到有所了解，然后与ANSYS相关设置 结合起来，作到心中有数，不至于遇到某些参数设置时，没一点概念，不知道如 何下手。工程力学专业更多的偏向于理论，往往觉得学了那么多的力学理论知识 没什么用，不知道将来自己能作什么，而学ANSYS实际起到了沟通理论与实践的 桥梁作用，使你能够感到所学的知识都能用上，甚至激发出对本专业的热爱。二.多问多思考多积累经验

学习ANSYS的过程实际上是一个不断解决问题的过程，问题遇到的越多，解决的 越多，实际运用ANNSYS的能力才会越高。对于初学者，必将会遇到许许多多的 问题，对遇到的问题最好能记下来，认真思考，逐个解决，积累经验。只有这样 才会印象深刻，避免以后犯类似的错误，即使遇到也能很快解决。因此，建议一 开始接触ANSYS就要注意以下三点：

1.要多问，切记不要不懂就问。在使用ANSYS处理具体的问题时，虽然会遇到大量ERROR提示，实际上，其中许多ERROR经过自己的思考是能够解决的简单问 题，只是由于缺乏经验才感觉好难。因此，首先一定要自己思考，实在自己解决 不了的问题才去问老师，在老师帮你解决的问题的过程中，去享受恍然大悟的感 觉。

2.要有耐心，不要郁闷，多思考。对初学者而言，感觉ANSYS特别费时间，又作 不出什么东西，没有成就感，容易产生心理疲劳，缺乏耐心。“苦中作乐”应是 学ANSYS的人所必须保持的一种良好心态，往往就是那么一个ERROR要折磨你好几 天，使问题没有任何进展，遇到这种情况要能调整自己的心态，坦然面对，要有 耐心，针对问题积极思考，发现原因，坚信没有自己解决不了的问题，要能把解 决问题当作一种乐趣，时刻让自己保持愉快的心情，真正当你对问题有突破性进展时，迎接的必定是巨大的成就感。

3.注意经验的积累，不断总结经验。一方面，初学时，要注重自己经验的积累（前面两点说的就是这个问题），即在自己解决的问题中积累经验；另一方面，当灵活运用ANSYS的能力达到一定程度时，要注重积累别人的经验，把别人的经 验为自己所用，使自己少走弯路，提高效率，方便自己问题的解决。对于ANSYS 越学到后面就越感觉是一个经验问题，因为该懂得的基本都懂了，麻烦的就是一 些参数的调试，需要的是用时间去摸索，对同一类型的问题，别人的参数已经调 试好了，完全没有必要自己去调试，直接拿来用即可。

三.练习使用ANSYS最好直接找力学专业书后的习题来做 可能这一点与学习ANSYS的一般方法相背，我开始学ANSYS时也是照着书上现成 的例子做，但照着书上的做就是做不出来，实在没有耐心，就干脆从书上（如材 力，弹力）直接找些简单的习题来做。尽管简单，但每一步都需要自己思考，只 有思考了的东西才能成为自己的东西，慢慢的自己解决的问题多了，运用ANSYS 的能力提高相当明显，这可能是我无意中对学ANSYS在方法上的一点创新吧。我 觉得直接从书上找习题做有以下好处： 1.从书上找习题练习是一种更加主动的学习方法，由于整个分析过程都要独立思 考，实际上比照着书上练习难度更大。对初学者来说，照着书上练习很难理解为 什么要这么做，因此，尽管做出来了，但以后遇到类似问题可能还是不知道。

2.书上现成的例子基本上是非常经典的，是不可能有错的，一旦需要独立解决问 题时，由于没有对错误的处理经验，遇到错误还是得要从头摸索，可以说，ANSYS的使用过程就是一个解决ERROR的过程，ERROR实际上提供了问题的解 决思路，而自己找问题做，由于水平并不高，必将会遇到大量的ERROR，对这些 ERROR的解决，经验的积累就是ANSYS运用能力的提高。

3.将书上的习题用ANSYS来实现，可以将习题的理论结果和ANSYS计算的数值结果进行对比，验证ANSYS计算结果的正确性，比较两者结果的差异，分析产生差 异的原因，加深对理论的理解，这是照着现成的例子练习所作不到的。当然，并不就说书上的例子毫无用处，多多看下书上的例子可以对ANSYS的整个 分析问题的过程有比较清楚的了解，还可以借鉴一些处理问题的方法。四.保持带着问题去看ANSYS是怎样处理相关问题的良好习惯

可能平时在看关于ANSYS的参考书籍时，对其中如何处理各种复杂问题的部分，看起来觉得也并不是很难理解，而一旦要自己处理一个复杂的非线性问题时，就 有点束手无策，不知道所分析的问题与书上的讲的是怎么相关的。说明要将书上 的东西真正用到具体的问题中还不是一件容易的事情。带着问题去看ANSYS是怎 样处理相关问题的部分，可能是解决以上问题的一个好方法：当着手分析一个复 杂的问题时，首先要分析问题的特征，比如一个二维接触问题，就要分析它是不 是轴对称，是直线接触还是曲线接触（三维问题：是平面接触还是曲面接触），接触状态如何等等，然后带着这些问题特征，将ANSYS书上相关的部分有对号入 座的看书，一遇到与问题有关的介绍就其与实际问题联系起来重点思考，理解了 书上东西的同时问题也就解决了，这才真正将书上的知识变成了自己的东西，比 如上个问题，如果是轴对称，就需要设置KEYOPT（3），如果是曲线接触就要设 置相应的关键字以消除初始渗透和初始间隙。可能就会有这样的感慨：原来书上 已经写得很清楚了，以前看书的时候怎么就没什么印象了。如果照着这种方法处理的问题多了的话，就会进一步体会到：其实，ANSYS的使 用并不难，基本上是照着书上的说明一步一步作，并不需要思考多少问题，学 ANSYS真正难得是将一个实际问题转化成一个ANSYS能够解决且容易解决的问 题。这才是学习ANSYS所需要解决的一个核心问题，可以说其他一切问题都是围 绕它而展开的。对于初学者而言，注重的是ANSYS的实际操作，而提高“将一个 实际问题转化成一个ANSYS能够解决且容易解决的问题” 的能力是一直所忽视 的，这可能是造成许多人花了很多时间学ANSYS，而实际应用能力却很难提高的 一个重要原因。

五.熟悉GUI操作之后再来使用命令流 ANSYS一个最大的优点是可以使用参数化的命令流，因而，学ANSYS最终应非常 熟练的使用命令流，一方面，可以大大提高解决问题的效率；另一方面，只有熟 悉命令流之后，才会更方便的与人交流问题。老师一开始讲授ANSYS时往往把ANSYS吹得天昏地暗，其中一条必定是夸 ANSYS的命令流是如何的方便，并且拿GUI与命令流大加对比一番。问题也确实 如此，但对那些积极性相当高且有点好高骛远的同学可能就会产生误导：最终是 要掌握命令流，学了GUI还去学命令流多麻烦诺，干脆直接学命令流算了，不是 可以省很多事吗？如将这种想法付诸于实践的话往往是适得其反，不仅掌握命令 流的效率底，而且GUI又不熟悉，结果使用ANSYS处理问题来就有点无所适从，两头用得都不爽。因此，初学者容易一心想着使用命令流，忽视对GUI操作的练习，难以认识到命令流与GUI的联系：没有对GUI的熟练操作要掌握好命令流是很 难的，或者代价是很高的。中国直接去学命令流之所以难，一个是命令太多，不易知道那些命令是常用的，那些 是不常用的，我们只要掌握最常用的就足够了，而如果GUI使用得多的话，就会 很清楚那些命令是常用的（实现的目的一样），以后掌握命令流就有了针对性； 另一个是一个命令的参数太多，同一个命令，通过参数的变化可以对应不同的 GUI操作，事先头脑里没有GUI印象的话，对参数的变化可能就没有很多的体会，难以加深对参数的理解。因此，建议初学者不用管命令，踏踏实实的熟悉GUI操 作，当GUI操作达到一定程度后，再去掌握命令流就是一件很容易的事情，当然 也需要大量的练习。实际上，大多数使用者而言，基本上是将GUI操作与命令流 结合起来使用，没有人会完全用命令流解决问题的，因为没有必要去记那么多命 令，有些操作GUI用起来更加直观方便。一般而言，前处理熟悉使用命令流比较 方便，求解控制里面使用GUI比较好。

此外，还有一点初学者也需注意，一开始学ANSYS主要是熟悉ANSYS软件，掌握 处理问题的一般方法，不是用它来解决很复杂的问题来体现你的能力有多强，一 心只想着找有难度的问题来着，往往容易被问题挂死在一棵树上而失去了整片森 林。因此，最好多找些容易点的，涉及到不同类型问题的题来做练习。

第五篇：《仪器分析》仿真实验

仪器分析实验仿真实验

紫外分光光度计仿真实验

一、实验概述：

在分之中，除了电子相对于原子核的运动之外，还有原子核之间振动和转动引起的相对位移。这三种运功能量都是量子化的，对应有一定的能级。分子的能量是这三种能量的总和。当用一定频率（波长）的电磁波（光）照射分子，其能量恰好等于分子的两个能级差时，则分子就会吸收光的能量而由较低的能级跃迁到较高的能级，同时光的强度（能量）变小。吸光度符合吸收定律：

A=lg（I0/I）=KcL 根据这一关系可以用工作曲线法来测定未知溶液中吸光物质的浓度。

二、实验装置：

仪器调节面板：

本实验仿真的设备是UV-754C紫外可见光风光光度计，它具有卤钨灯（30W）、氘灯（2.5A）两种光源，分别适用于360～850nm和200～360nm波段，采用平面光栅作色散元件，GD33光电管作接受器。

三、实验操作： 第一步：选取实验

点击主菜单上的“实验选取”，会出现如下的对话框：

用鼠标左键点中你要做的实验，此文件名会出现在对话框的“文件名”一栏的文本框中，在此实验文件上面双击左键或者点击“打开”按钮打开实验文件。

第二步：打开电源、预热

用鼠标点击紫外分光光度计上的暗箱盖，暗箱盖会自动打开，如下图所示：

１

然后用鼠标点击仪器右下角的红色电源开关接通电源，这是仪器调节面板会自动显示，并进入开机自检状态,此状态大约持续10秒左右,在这段时间里计算机出现停滞现象是正常的.随后计算机进入预热期, 时间大约为1分钟（真实仪器为20分钟）。预热结束时会听见蜂鸣声,并且会看见预热按钮上方的灯熄灭此时仪器就进入工作状态了。

关状态：

开状态：

第三步：配置试液

用鼠标点击主菜单中的“配置试液”按钮，出现配置试液窗口：

２

用鼠标点击下面5个容量瓶，选择每个容量瓶要加入的蒽醌标准溶液量，系统会自动稀释到刻度线：

5个容量瓶的溶液都配置好以后，点击窗口右下角的箭头进入下一步。

第四步：确定吸收波长

点击试液配置窗口右下角的箭头后，系统会显示如下窗口，自动测量完成了吸收光谱图: ３

点击文字中的“吸光度——波长曲线”到吸收光谱图窗口，再点击“绘制吸收光谱”按钮就可以看到蒽醌的紫外吸收光谱图：

记录下最大的吸收波长，关闭此窗口，然后进行下一步

第五步：调节吸收波长

用鼠标点击紫外分光光度计上的波长调节位置，出现波长调节窗口，用鼠标左键或者右键点击波长调节旋钮来增大或者减小波长到刚才记录的最大波长。

４

第六步：仪器调节面板

点击调出仪器调节面板

点击按钮打开氘灯，依次点击、、按钮关闭钨灯，点击到T，然后按下 按钮，等待数字显示平稳后，点击到A。

调节完成后的面板如下图：

５

第七步：将样品装入吸收池架

点击主界面上的吸收池架调出吸收池画面：

吸收池架有四个位置，在测量时分别对应仪器调节面板的上的“参考”、“1#”、“2#”、“3#”四个指示位置。把鼠标停留在上面6个容量瓶上，下面会显示相应的说明。点击每个位置选择要加入的溶液：

加入溶液后，窗口右下角会出现箭头提示放入暗箱，点击系统会将吸收池架自动放入。

第八步：测量

点击调出仪器调节面板以便读取吸光度数据，然后前后拉动拉杆将不同的溶液放进光路中，从仪器调节面板上读取吸光度数据，系统会自动记录。

６

按照以上方法把六组数据测试完毕。

第八步：实验数据处理

六组数据测试完毕后，点记主菜单上的“实验数据”按钮，调出数据处理窗口，在工作曲线页点击“绘制工作去先”按钮，系统会自动绘制工作曲线，并根据工作曲线给出待测溶液的浓度。

如果计算机安装了打印机，可以点击右上角“打印报表”按钮打印实验报告。

第十步：实验完毕

取出暗箱中的吸收池，关闭暗箱，关闭电源。然后清洗吸收池、整理现场。

７

原子吸收分光光度计仿真实验

一、实验概述：

原子吸收分光光度分析法又称原子吸收光谱分析法，是根据物质产生的原子蒸气对特定波长的光的吸收作用来进行定量分析的。

与原子发射光谱相反，元素的基态原子可以吸收与其发射波长相同的特征谱线。当光源发射的某一特征波长的光通过原子蒸气时，原子中的外层电子将选择性地吸收该元素所能发射的特征波长的谱线，这时，透过原子蒸气的入射光将减弱，其减弱的程度与蒸气中该元素的浓度成正比，吸光度符合吸收定律：

A=lg（I0/I）=KcL

根据这一关系可以用工作曲线法或标准加入法来测定未知溶液中某元素的含量。

在火焰原子吸收光谱分析中，分析方法的灵敏度、准确度、干扰情况和分析过程是否简便快速等，除与所用仪器有关外，在很大程度上取决于实验条件。因此最佳实验条件的选择是个重要的问题。本实验在对钠元素测定时，分别对灯电流、狭缝宽度、燃烧器高度、燃气和助燃气流量比（助燃比）等因素进行选择。

二、实验装置：

本实验仿真的设备是AA320型原子吸收分光光度计，主要设备参数如下： 波长范围：190.0~900.0 nm 光栅刻线：1200 条/mm 闪跃波长：250 nm 线色散倒数：2.38 nm/mm 狭缝宽度1~6档对应的nm数分别为：0.2，0.4，0.7，1.4，2.4，5.0 ８

原子吸收分光光度计的放大图：

三、实验操作： 第一步：选取实验

点击主菜单上的“试验选取”，会出现如下的对话框：

用鼠标左键点中你要做的实验，此文件名会出现在对话框的“文件名”一栏的文本框 中，在此实验文件上面双击左键或者点击“打开”按钮打开实验文件。

选取实验后回到实验主界面，窗口上面的标题栏会显示实验名称+实验文件名称。第二步：打开电源

在主界面上用鼠标点击原子吸收分光光度计，会出现原子吸收分光放大图，用鼠标点击右下角的总电源开关打开电源。

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第三步：打开空气压缩机电源开关

打开原子吸收分光光度计的总电源开关后，用鼠标点击窗口右下角的“返回”按钮回到主界面，然后点击空气压缩机，会出现空气压缩机窗口，如图所示：用鼠标点击空气压缩机电源开关打开电源，电源上面的指示灯会亮起来。

打开电源开关后，关闭空气压缩机的窗口回到主界面。

第四步：选择阴极灯 回到主界面后，点击原子吸收分光光度计出现原子吸收分光光度计放大图，用鼠标点击左上的阴极灯箱，会出现阴极灯窗口。

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做实验时要根据待测元素的不同选择相应的元素灯。用鼠标左键点击左上角的阴极灯的种类，会出现阴极灯选择画面：

用鼠标左键点击要选的阴极灯，然后点击阴极灯电源开关接通电源，灯被点亮。关闭此窗口回到原子吸收分光光度计画面，然后进行下一步。

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第五步：粗调节阴极的灯电流

点击原子吸收分光光度计上的阴极灯电流指示位置，会出现阴极灯电流调节窗口：

在调节旋钮上点击鼠标左键增大电流，点击右键减小电流。根据实验要求，调节电流再8~11mA之间。然后关闭电流表调节窗口，回到原子吸收分光光度计画面。

第六步：波长扫描

用鼠标点击原子吸收分光光度计右下的波长扫描按钮，左边白色的按钮是在一定范围内自动从大到小扫描，灰色按钮是在一定范围内自动从小到大扫描，系统会自动扫描找到最合适的波长。

第七步：调节多功能面板

用鼠标点击原子吸收分光光度计右上的多功能面板，出现多功能面板的放大图。

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多功能面板上的调节旋钮用鼠标左键点击逆时针旋转，用鼠标右键点击顺时针旋转。调节“方式”到“调整”档，然后关闭多功能面板窗口回到原子吸收分光光度计画面。

第八步：调节阴极灯位置

用鼠标步左键点击原子吸收分光光度计右下的能量表，会出现能量表的放大图，用鼠标点中能量表窗口的蓝色标题栏，然后按住左键移动鼠标，窗口就会跟随鼠标的轨迹移动，按照此方法把能量表窗口移动到屏幕靠边上的位置。然后用鼠标点击原子吸收分光光度计的阴极灯箱，出现阴极灯调节窗口。此时应调节窗口的位置，使得在调节阴极灯位置的时候可以看到能量仪表。

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分别在垂直和水平方向上调节阴极灯的位置，使得获得的能量最大，调节的时候一定要反复多试几次，如果在最大点位置附近移动一两下不好调准，可以先移动到最大点位置比较远的地方再向回调，如此反复几次，找准最大能量的位置。如果调整到最大能量后能量表指针偏出了红色区域，可以用增益旋钮调节使指针回到红色范围。调节好以后，关闭阴极灯窗口。不要关闭能量表窗口。

第九步：微调波长

用鼠标点击原子吸收分光光度计的波长微调旋钮，左键增加，右键减小，使获得最大的能量输出。如果调整到最大能量后能量表指针偏出了红色区域，可以用增益旋钮调节使指针回到红色范围。不要关闭能量仪表，进入下一步。

第十步：调节狭缝宽度

点击原子吸收分光光度计右上的多功能面板，调整多功能面板窗口和能量窗口的位置，使得再多功能面板上操作的时候能够看见能量窗口。

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用鼠标点击狭缝调节旋钮，左键点击逆时针旋转，右键点击顺时针旋转，调节需要的狭缝宽度，一般情况下狭缝越小，能量越小，太小的能量不利于测定，狭缝越大，能量越大，但是可能会引起光谱通带的增加而产生其他共振线的吸收而影响实验结果，因此狭缝的宽度要根据具体实验来定。选择好狭缝宽度后，如果能量表的指针偏出红色区域，可以用增益旋钮调节使指针回到红色范围。调节好以后，关闭多功能面板和能量表，然后在原子吸收分光光度计画面上点击右下角的“返回”按钮返回到主界面。

第十一步：打开乙炔钢瓶

在主界面上点击乙炔钢瓶，会出现乙炔钢瓶的放大窗口。

先打开乙炔总阀，用鼠标左键点击乙炔总阀，总阀会自动打开，再次用鼠标左键点击后自动关闭。然后调节乙炔支阀，左键点击增加开度，右键点击减小开度，调节支压力表的压力到足够大。在真实实验中，如果支阀压力太小，可能造成火焰无法点燃，建议压力不小于0.15Mpa。调节完成后，关闭乙炔钢瓶窗口，回到主界面。

第十二步：接通气路、点火

在主界面上点击原子吸收分光光度计，出现原子吸收分光光度计放大图。用鼠标左键点击原子吸收分光光度计中间下部的气路开关部分，出现气路开关放大的窗口，从左到右依次点击打开各个开关，然后关闭窗口。

１５

打开气路开关以后，关闭气路开关窗口回到原子吸收分光光度计画面，用鼠标左键点住点按钮几秒钟，火焰即被点燃。

注：真实实验中，点火前要先进行室内排风，本实验忽略了这一环节。

第十二步：调零

打开原子吸收分光光度计右上的多功能面板，点击“方式”旋钮使调整到“吸光度”位置后，关闭多功能面板。点击主窗体左边的菜单中的“溶液选取”按钮或者右下角的溶液烧杯选取溶液

点击“溶液选取”框内的下拉条，选取“空白样液”，然后点击窗口下部的“选取”按钮，系统会将所选的溶液自动喷入雾化器。

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点击原子吸收分光光度计右下的调零按钮进行调零，左右两个键功能相同。

第十三步：调节燃烧器位置

任意选取一份在线性范围的标准对比样液

点击“选取”按钮自动喷入雾花器后，仪器会现实一定的吸光度值，此时点击原子分光光度计中下部的燃烧器位置调节旋钮，两个旋钮中上面的是调垂直位置，左键点击燃烧器向下移动，右键点击向上移动，下面的旋钮是调水平位置，左键点击向右移动，右键点击向左移动，调整的同时密切注意吸光度的变化，找到吸光度最大的位置。

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第十四步：微调阴极灯电流

同时打开能量表和阴极灯电流表，调整两个窗口的位置，使得在调节电流表的时候可以看到能量表和吸光度值

微调阴极灯电流的原则是：在保证有足够且稳定的光强输出条件下，选择低的工作电流，没有特别的数量限制，根据实验要求而定，一般是先选定大致的测量条件，然后选定一个大致的灯电流的范围，然后喷入标准溶液，在选定的灯电流范围内每隔1~2mA测量一次，计算 １８

平均值和标准偏差，并绘制吸光度与灯电流的关系曲线，选取灵敏度高、稳定性好的条件为工作条件。对于本实验，10mA为最佳值，省略了选择的过程。如果调整电流后能量表指针偏出了红色区域，可以用增益旋钮调节使指针回到红色范围。调节好以后，关闭能量表和阴极灯电流表。

注：在实验中调节阴极灯的电压、电流以及能量增益按钮都可以改变能量输出值的大小；实际上，在新式的阴极灯中，一般没有电压调节钮，它的能量增益钮能自动控制电压。

第十三步：调节空气和乙炔的流量

用鼠标点击原子吸收分光光度计左下的空气和乙炔流量调节位置出现空气和乙炔的流量调节窗口，调整窗口位置，使得在调节空气和乙炔流量的时候可以看到吸光度数值，左边的转子流量计指示空气的流量，右边的转子流量计指示乙炔的流量，左边的旋钮调节空气的流量，右边的旋钮调节乙炔的流量。首先固定空气流量（具体值由实验确定），改变乙炔流量，使当前液指示吸光度最大。接着固定乙炔流量，改变空气流量，使当前液指示吸光度最大。

第十四步：样品测试和数据记录

前面已经把仪器调节好，不要在改变实验条件，打开多功能面板，把“信号”旋钮转到“积分”位置（由于吸光度的值一直在变化，旋转“信号”旋钮到“信号积分”位置，这可使变化速率变慢）。点击左边菜单的“溶液选取”或者烧杯选择溶液，依次测量各标准溶液和未知溶液，且在每次测试前都要用空白样液校零。每测量一种溶液后，要记录数据，点击左边菜单的“试验数据”按钮打开数据记录窗口，按照所列的项目依次读取数据并写入数据，然 １９

后点即“取消”按钮关闭记录窗口。

测量并记录完最后一组数据后，点击数据记录窗口上的“试验报告”按钮进入实验数据处理。

第十五步：数据处理

记录完最后一组数据后，点击“试验报告”按钮，出现实验报告界面：

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此时就可以根据实验数据确定待测元素的浓度。如果计算机安装了打印机，可以点击右上角“打印报表”按钮打印实验报告。

第十六步：实验完毕

实验结束后，吸入去离子水2~3min，先关乙炔，再关空气。

关闭灯电源开关及总电源开关，将仪器上各旋钮转至零位，最后关闭通风装置电源。

２１

气相色谱仿真实验

一、实验概述：

实现色谱分离的先决条件是必须具备固定相和流动相。固定相可以是一种固体吸附剂，或为涂渍于惰性载体表面上的液态薄膜，此液膜可称作固定液。流动相可以是具有惰性的气体、液体或超临界流体，其应与固定相和被分离的组分无特殊相互作用（若流动相为液体或超临界流体可与被分离的组分存在相互作用）。

色谱分离能够实现的内因是由于固定相与被分离的各组分发生的吸附（或分配）系数的差别，其微观解释就是分子间的相互作用力（取向力、诱导力、色散力、氢键力、络合作用力）的差别。

实现色谱分离的外因是由于流动相的不断流动。由于流动相的流动使被分离的组分与固定相发生反复多次（达几百、几千次）的吸附（或溶解）、解吸（或挥发）过程，这样就使那些在同一固定相上吸附（或分配）系数只有微小差别的组分，在固定相上的移动速度产生了很大的差别，从而达到了各个组分的完全分离。

二、实验装置：

本实验仿真的设备是GC102型气相色谱仪，该产品为实验室用的填充相气相色谱仪，具有热导、氢焰二种检测器，定温控制恒温槽及气流控制装置。主要设备参数如下： 检测器灵敏度：热导池：S≥1000mVml/mg；载气H2样品C6H6

－氢焰：Mt≤1×1010g/sec；载气N2样品C6H6

检测器稳定性：基线漂移：≤0.05mV/h 层析柱恒温室：室温＋40℃－300℃ 恒温精度：±0.3℃

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有效区最大温差：2℃ 气化室：最高400℃

气相色谱仪各部分介绍：

三、实验操作： 第一步：选取实验

点击主菜单上的“实验选取”，会出现如下的对话框：

用鼠标左键点中你要做的实验，此文件名会出现在对话框的“文件名”一栏的文本框 中，在此实验文件上面双击左键或者点击“打开”按钮打开实验文件。

选取实验后回到实验主界面，窗口上面的标题栏会显示实验名称+实验文件名称。

第二步：确认操作条件

点击主菜单上的“操作条件”，会出现如下的操作条件列表：

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在实验调节过程中，请以此列表内的条件为准进行调节，否则不能正确输出色谱峰。

第三步：开载气

用鼠标点击实验主界面上三个气体钢瓶中的载气钢瓶，出现钢瓶的调节阀画面：

当阀关闭时，用鼠标左键点击打开，当阀打开时，用鼠标左键点击关闭。打开总阀和减压阀，注意开关阀门的顺序。

第四步：检查柱前压力

点击气相色谱仪上的柱前压力表，查看柱前压力是否符合操作条件。

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注意：在仿真实验中，柱前压力都默认是正确值，在真实实验中，应该根据实验的具体要求用钢瓶的减压阀调节柱前压力。

第五步：调节载气流量

点击气相色谱仪上的流量调节部分，会出现流量调节器和皂膜流量计。

一般气相色谱仪的流量调节部分都有三个调节器，分别控制载气、氢气、空气（后两者用于FID检测气），但是转子流量计的指示都不是很准确，因此都要加一个皂膜流量计来进行精确的测定。界面上的三个流量调节旋钮，左键点击增加流量，右键点击减小流量，调节到一定开度后，转子流量计中的转子上升到了一定的高度，此时用鼠标左键点击皂膜流量计的橡皮头，产生一个皂膜，被载气推动由下向上运动，记录皂膜通过一定体积的时间就可以求出载气的流量，载气的精确流量在上面自动计算显示出来。在仿真实验中，为了简便，用皂膜流量计测量过一次以后，以后再调节流量调节旋钮时，精确流量就会自动显示，不用反复测量，在真实实验当中，是每次都重新测量的。

调节载气流量到实验操作条件要求的数值，然后进行下一步。

第六步：打开电源

用鼠标点击打开气相色谱仪上的电源开关。

关的状态：

开的状态：

第七步：调节温度

用鼠标点击气相色谱仪的温度调节步部分，出现温度调节详细画面。

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调节温度时，用鼠标点击相应数字位上的“+”或者“—”，该数字位就会加1或者减1。按照实验操作条件要求分别调节柱室（柱温）、进样器（气化室温）、离子室（离子室温）的温度，注意：柱室的温度是X1的，而进样器和离子室的温度是X10的。

第八步：调节TCD参数（如果用FID检测器，此步应该调节FID参数）

用鼠标点击气相色谱仪上的TCD调节面版。

首先用鼠标点击电源开关接通电源，指示灯亮。然后根据实验的要求选择桥电流和衰减比。如果电流表指示的电流稍有偏差，可以用“电流微调”旋钮调节。“零调”旋钮可以用来调节记录笔在记录纸上的位置，粗调位置变化大，细调位置变化小。然后点击落笔开始走基线。

调节好各项参数，基线走平稳后，可以进行下一步——“进样”。

注意：对于使用FID检测器的实验，此步应该调节FID参数，如下图：

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然后还要开氢气、压缩空气（助燃气），点火等步骤。

第九步：进样

所有的实验参数调节好之后，点击主界面上的注射进样器，出现如下对话框：

输入实验操作条件规定的进样量，然后点击“开始进样”按钮。系统会自动注射进样，记录仪开始画出色谱图。

当色谱峰输出完成后，会出现如下对话框：

点击“确定”按钮关闭对话框。

第十步：数据处理

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点击主界面上的“实验数据”按钮，出现实验报告界面：

根据得出的保留时间、峰高、半峰宽等实验数据，可以计算分离度等相关参数。如果计算机安装了打印机，可以点击右上角“打印报表”按钮打印实验报告。

第十一步：实验完毕

在真实实样当中，实验完毕半小时后，按开机步骤反方向关机：

1、关闭记录仪电源，台起记录笔

2、将桥电流关至最小，关闭热导电源和氢火焰离子放大器电源

3、依次将柱室、进样器、离子室的温度调节至常温

4、关闭总电源

5、打开柱室，等柱温接近室温时，关闭载气。

6、最后清洗进样器。

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高效液相色谱仿真实验

一、实验概述：

以液体做流动相的色谱称为液相色谱。人们把已经比较成熟的气相色谱理论应用于液相色谱，使液相色谱得到了迅速的发展。随着其他科学技术的发展，出现了新型的高压输液泵、高效的固定相和柱填充技术、高灵敏度的检测器，加上计算机的应用，使得液相色谱实现了高效率和高速度。这种分离效率高、分析速度快的液相色谱称为高效液相色谱（High performance liquid chromatography, HPLC）。

二、实验装置：

Agilent(安捷伦)1100系列液相色谱系统简介：

Agilent1100系列HPLC组件和系统，将Agilent长期的化学分析经验与领先的计算机技术结合，把网络技术引入了实验室。从1996年以来，在全球已经安装了超过130,000台1100组件和55,000多套化学工作站数据处理系统，成为目前单一型号市场占有率最高的液相色谱系统。

本仿真软件是模拟用Agilent化学工作站的数据处理系统进行样品分析和数据采集（色谱图）的过程。

注：本软件只是模拟分析的过程和内容，并不涉及其原理，所以实验中的参数调节对结果并没有影响，而真实实验结果是随参数的变化而变化的，这一点需要特别注意！

实验主界面：

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化学工作站界面：

三、实验操作： 第一步：选取实验

点击主菜单上的“实验选取”，会出现如下的对话框：

用鼠标左键点中你要做的实验，此文件名会出现在对话框的“文件名”一栏的文本框 中，在此实验文件上面双击左键或者点击“打开”按钮打开实验文件。

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第二步：确认操作条件

点击主菜单上的“操作条件”，会出现如下的操作条件列表：

第三步：加入试剂

点击仪器上的自动进样器部分（当鼠标移到仪器的各部分时会出现相应的说明），出现如下画面：

在实验调节过程中，请以此列表内的条件为准进行调节，否则不能正确输出色谱峰。

点击下面的试剂小瓶，会自动放置到自动进样器的托盘中。

完成后，点击主界面上的电脑启动化学工作站。

第四步：编辑方法

击主界面上的电脑启动化学工作站开始编辑方法。

所谓方法就是一个参数集，它包括分析一个样品所需要的所有的参数：数据采集参数、数据分析参数和命令行或者宏指令。

点击菜单“方法→编辑方法”开始编辑方法（注意：此时不可以改变方法的参数，可改变的参数将在下面特别说明）：

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然后会出现下面的窗口让你选择编辑方法的内容：

用鼠标点击复选框选择要编辑的方法的内容，然后点击“确定”按钮开始方法编辑，点击“取消”按钮终止方法编辑。

开始方法编辑后，系统会根据你选择的内容分别依次显示每一部分的具体内容，点击“确定”按钮进入下一部分，点击“取消”按钮终止方法编辑。

完成方法编辑后，系统会回到主操作界面，此时色谱柱已经开始升温，在图形界面中会有显示，如下图中红色圆圈标示区域所示：

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特别说明：

对于本实验要改变的参数，可以点击化学工作站软件界面中央的图示的进样器、溶剂系统、色谱柱、检测器等部分，会弹出各部分参数窗口，此时可以按照实验要求的参数进行调节（实验参数可以点击主界面上左边菜单中的“实验数据”按钮察看）。进样器：

溶剂系统：

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色谱柱：

检测器：

编辑方法完成后，在启动系统之前，请返回液相色谱仪，打开二元泵系统，调节Purge阀，观察使回路无汽泡。

第五步：调节Purge阀

点击仪器上的二元泵系统部分（当鼠标移到仪器的各部分时会出现相应的说明），出现如下画面：

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图中蓝色方框部分就是Purge阀，此时是关闭的，用鼠标点击蓝色方框部分，会出现Purge阀的放大画面，然后点击Purge阀会自动逆时针方向旋转打开Purge阀。

打开Purge阀后，右边的试剂瓶的导管当中会有气泡流出，待没有气泡再流出之后，再次点击Purge阀会自动逆时针方向旋转关闭Purge阀。然后进行下一步“启动系统”。

第六步：启动系统

完成方法编辑后，点击菜单“设备→系统开”或者图中红色圆圈指示的按钮“开启系统”:

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启动系统后，在图形界面中会有显示，如下图中红色圆圈标示区域所示：

同时在色谱峰显示区域开始走基线，开始的时候系统不稳定，基线变化很厉害，等到基线走平稳表示系统稳定后，可以开始进样运行方法。

第七步：进样、运行方法

等到状态指示栏显示“Ready”后，表明系统已经准备完毕。点击菜单“运行控制→运行方法”开始进样和分析，或者点击图中红色圆圈所指示的“Start”按钮或者按“F5”键：

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开始进样后，在图形界面中会有显示，如下图中红色圆圈标示区域所示：

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待色谱图出完后，样品分析完毕。

第八步：完成实验报告

样品分析完成后，点击化学工作站界面上的红色方框部分，或者点击主界面左边菜单中的“实验数据”调出实验报告：

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根据得出的保留时间、峰高、半峰宽等实验数据，可以计算分离度等相关参数。如果计算机安装了打印机，可以点击右上角“打印报表”按钮打印实验报告。

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