扫把建模分析（ansys）
一，问题描述及分析。
扫把是一个很复杂的模型，判断其好坏的标准也不尽相同。我分析的扫把的重要组成部件有空心杆（940mm），毛部（长100mm，直径为1mm）。人在使用扫把扫地时倾斜的角度不尽相同，那个角度扫地舒服也因人而异，可以说扫把是很难确切分析的。
因此，为了能够进一步对扫把扫地时进行确切的分析，我打算从施加力的角度方面进行分析，其他各个方面都不考虑。扫把在扫地过程中受人所施加的垂直方向的力fn和水平方向的摩擦力f，使扫把变形的主要力是摩擦力f，由于扫把对不同接触面的摩擦因数不同，所以摩擦力不同，因此对摩擦力f进行分析是十分困难的事。对此我对扫把的受力做了等效变换，在分析过程中只需要施加一个垂直的力和水平的力即可。
主要分析扫把在相同的作用力下，力作用在不同角度时的扫把的变形情况，从而根据变形情况判断哪个角度最适合。
图（1）扫把。
二，数据选取。
我从网上查取了一些关于扫把的资料。做扫把毛的材料主要有pp,和pet材料，两种材料的性质也各不相同。pp材料：
密度小，强度刚度，硬度耐热性均优于低压聚乙烯，可在100度左右使用，具有良好的电性能和高频绝缘性，不受湿度影响，但低温时变脆，不耐磨易老化。适于制作一般机械零件，耐腐蚀零件和绝缘零件。pet材料：
耐腐蚀性，电绝缘性（尤其高频绝缘性）优良，可以氯化辐照改性，可用玻璃纤维增强。低压聚乙烯的熔点，刚性，硬度，和强度较高，吸水性小，有良好的电性能和耐辐射性。高压聚乙烯的柔软性，伸长率，冲击强度和渗透性较好，超高分子量聚乙烯冲击强度高，耐疲劳，耐磨。
低压聚乙烯适于制作耐腐蚀零件和绝缘零件；高压聚乙烯适于制作薄膜等；超高分子量聚乙烯适于制作减震，耐磨及传动零件。
pp材料的密度为0.915g/cm3 ,弹性模量e=896mpa，泊松比p=0.4。
pet材料的密度为1.37g/cm3,弹性模量e=172mpa，泊松比p=0.439。
根据以上资料，我选择了pet材料进行了建模分析。pet材料的弹性模量172mpa,泊松比0.439，拉伸强度152mpa,弯曲强度200mpa。
判断扫把的毛是否能被折坏，我采用塑性材料的应力——应变曲线图进行判断。
图（2）塑性材料的应力——应变图。
三，建立模型
首先我根据现实中的扫把，采集了扫把的尺寸数据，扫把杆长940mm，毛长100mm，毛的直径为1mm。由于扫把建模过程中毛的部分最难建模，建模是否恰当直接影响后面的分析结果。因此我对毛部采用了以下思想的建模方式：
第一，我把扫把的毛看作是有一根根直径为1mm的圆柱所整齐排列的组成的长方体（如图3所示）。第二，我把单独的一排直径为1mm的圆柱看作是一个厚度只有1mm的薄长方体。第三，我把整个毛部都看成是由若干个这样的小长方体薄片组成的。
这样建模的话，我认为更切近于扫把毛部，建模误差相对而言比较小，有利于结果分析。
图（3）扫把毛部俯视图。
图（4）毛部建模的局部图。
图（5）扫把模型。
四，模型分析。
上面我们已经把扫把的毛部划分成了20个长方体薄片，为了便于分析，我取出其中的一块薄片进行分析（如图6所）。
约束部位的选取，由于扫把扫地时，毛的头部与地面接触而发生弯曲，毛的根部可以看做是固定的。因此施加约束时，我把长方体薄片的上顶面（图中y方向上），及上顶面的四个点在各个方向上进行约束。在前端面（图中z方向上）上施加均匀的水平载荷，在下底面上施加均匀的垂直载荷。
图（6）长方体薄片模型。
为了便于分析，我统一采用合力为15n，分别在15度，30度，45度，60度下进行受力分解。
受力分析：由于扫把受一个倾斜的力，为了便于计算和分析，对力进行了分解；如下图所示：
15度角：水平压强：p=14.5n/(0.1x0.34x20)=21.3pa
垂直压强：p=3.9n/(0.
001x0.34x20)=573.5pa,30度角：
水平压强：p=13n/(0.1x0.
34x20)=19.12pa ,垂直压强：p=7.
5n/(0.001x0.34x20)=1103pa,同理 45度角：
水平压强：p=15.6pa,垂直压强p=1559pa,60度角：
水平压强：p=11pa,垂直压强p=1912pa,在不同的下，我给模型的水平面和垂直面上施加了压强，用ansys进行分析，得出了不同角度下的位移图，应力图，应变图。
图（7）受力15度时节点位移，应力，应变图。
图（8）受力30度时节点位移，应力，应变图。
图（9）受力45度时节点位移，应力，应变图。
图（10）受力60度时节点位移，应力，应变图。
五，总结。数据总结：
由以上数据得，不同角度的力，所产生的最大应力都远小于弯曲强度200mpa，都符合要求。最大应变在10-3数量级，可以忽略不计。最大位移在7-15mm内，因此可以从位移方面判断那个角度更适合。
然而扫不同的重物，则力的倾角不同， 对于我们扫一般的轻的垃圾，60度角的力最为合适。较轻一点的垃圾，用45度角的力。重一点的垃圾用30度角的力。重的垃圾用15度角的力。
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