绪论1.1课题目的本次毕业设计的题目是“圆球窝压头结构，应力载荷有限元分析”。课题的目的是对球头窝的使用环境受力情况的分析。重点在于运用ANSYS软件分析钻杆受到静力或冲击载荷受力分析，并通过对ANSYS软件的学习，掌握该软件完成有限元分析的方法与步骤，并运用软件对毕业设计中具体给定的钻杆实例进行分析，通过完成整个分析过程使自己达到对ANSYS软件的熟练操作，要求测得以下相关参数：应力，应变，变形等。并通过分析对不合理机构提出改进方案，并验证改进的方案。1.2背景近年来随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高，三维软件建模技术及有限元分析技术在工程设计和分析中得到了越来越广泛的重视，特别是有限元技术已经成为解决复杂的工程分析计算问题的有效途径，现在从汽车到航天飞机几乎所有的设计制造都已离不开有限元分析计算，其在机械制造、材料加工、国防军工、能源、铁道等各个研究领域的广泛应用使得工程师的设计水平发生了质的飞跃，这足以体现出了计算机应用技术的重要性。髋关节是人体最大、最稳定的关节之一，由股骨头、髋臼和股骨颈形成关节。由于髋关节的重要性和置换的多样性，目前对于髋关节和置换假体的生物力学特性研究的较多。对髋关节进行了三维有限元模拟，研究其非线性接触压力分布，对医学，对假体的研究，具有非同一般的意义。如下图就是关于人体髋关节的结构类似图人工髋关节假体是仿照人体髋关节的结构，将假体柄部插入股骨髓腔内，利用头部与关节臼或假体金属杯形成旋转，实现股骨的曲伸和运动。人工全髋关节假体由人工髋臼和人工股骨头组成，分为单极、单极全髋、双动半髋和全髋、可换头部双动半髋和全髋形式。纵观历史，可以了解到人工髋关节假体的发展历程已走过很久。1822年英国人Anthony.White医生施股骨大粗隆下5cm截骨术，以改善髋关节功能，缓解疼痛，12个月后形成假关节。1876年美国人Barton施股骨小粗隆上截骨术，术后3个月扶单拐行走。1840年-1860年美国JM.Carnochan首先进行了下颌关节成形术，橡木片（非生物材料）置入，关节可以活动，但后来橡木片被排出而失败，这一手术应该说是人工假体置换术的开端。1910年德国Dethert用橡胶假体施行了全髋关节置换术。1923年SmithPetersen设计了玻璃杯关节成形术，被认为是髋关节置换术的鼻祖，以后用了许多不同材料做的杯效果均不佳。1934年Rehn用不锈钢杯置入髋关节脱位患者的髋臼。及至如今，人工全髋关节的技术研究已有一定成绩。人工髋臼和人工股骨头在过去均用金属，由于实践证明该设计并发症多，现已不用。目前国内外均用超高分子聚乙烯制成的髋臼，低强度模量金属制成的人工股骨头。人工全髋关节的类型和设计较多，主要是股骨头的直径和与骨固定的髋臼面的设计。较厚的髋臼，直径相对小的人工股骨头组成的全髋，头臼摩擦力小，人工臼稳定，局部反应小。人工全髋关节置换术的并发症除有人工股骨头置换的并发症外，尚有人工髋臼的松动，脱位及负重区的超高分子聚乙烯面磨损后引发的局部反应。假体的外形设计和手术中的安装、固定方法是现今研究的重点，针对这些方面国内外专家进行了很多的尝试。而通过有限元分析法以及相关软件的帮助，对于人工假体设计相信可以在一定程度上化简了研究的工作。1.3有限元分析的内容及方法有限元方法是数值计算中的一种离散化方法。用数学术语来说,就是从变分原理出发，通过分区插值，把二次泛函（能量积分）的极值问题转化为一组多元线性代数方程来求解；从物理和几何概念来说，有限元方法是结构分析的一种计算方法，是矩阵方法在结构力学和弹性力学等领域的发展和应用，其基本思想是将弹性体划分为有限个单元，对每个单元，用有限个参数来描述它的力学特性，而整个连续弹性体的力学特性可认为是这些小单元力学特性的总和，从而建立起连续体的力平衡关系。这种方法常用于复杂弹性振动系统，其求解方式现在有多种可利用的商业化软件，这里我们应用ANSYS软件系统。有限元分析步骤如下：第一步，问题及求解域定义：根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域。第二步，求解域离散化：将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限个单元组成的离散域，习惯上称为有限元网络划分。显然单元越小（网络越细）则离散域的近似程度越好，计算结果也越精确，但计算量及误差都将增大，因此求解域的离散化是有限元法的核心技术之一。第三步，确定状态变量及控制方法：一个具体的物理问题通常可以用一组包含问题状态变量边界条件的微分方程式表示，为适合有限元求解，通常将微分方程化为等价的泛函形式。第四步，单元推导：对单元构造一个适合的近似解，即推导有限单元的列式，其中包括选择合理的单元坐标系，建立单元试函数，以某种方法给出单元各状态变量的离散关系，从而