基于ANSYS Workbench的支架的有限元分析

2016-10-22 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

為進(jìn)一步改進(jìn)支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì), 實(shí)現(xiàn)支架的CAE標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn), 本文采用大型有限元分析軟件ANSYS 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)支架的應(yīng)力分布進(jìn)行了計(jì)算和仿真分析,得出了該構(gòu)件的應(yīng)力和應(yīng)變分布云圖, 從而為支架的強(qiáng)度分析研究提供了比較實(shí)用的有限元分析方法。

1問(wèn)題描述與分析

支架是現(xiàn)代化機(jī)械工程中進(jìn)行高效生產(chǎn)和安全生產(chǎn)最為關(guān)鍵的構(gòu)件之一。由于支架重量過(guò)大會(huì)給運(yùn)輸、安裝、搬家?guī)?lái)很多困難, 且材料消耗費(fèi)用也是支架成本的主要構(gòu)成部分, 所以選擇其重量以及強(qiáng)度分析具有很實(shí)際的意義。

已知某支架,在兩孔內(nèi)做約束,在頂面上施加1000KN/m2的壓強(qiáng),然后,對(duì)支架進(jìn)行強(qiáng)度校核,并分析支架的最大變形以及支架的等效應(yīng)力。該支架的邊界條件是兩個(gè)螺栓孔做全固定約束,載荷為均布載荷,分析的目的是判斷該結(jié)構(gòu)是否失效和變形是否符合設(shè)計(jì)要求。利用Pro/E軟件建立的支架的三維幾何模型如圖一所示。

圖1 支架的三維幾何模型

2 建立有限元模型

本模型采用整體智能網(wǎng)格劃分, 有限元模型的網(wǎng)格劃分后如圖2所示;以使有限元計(jì)算結(jié)果更符合實(shí)際情況。用ANSYS 軟件對(duì)支架模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,支架靜態(tài)分析選定彈性模量為2.0×1011 N/m2, 泊松比為0.3,依據(jù)結(jié)構(gòu)及力學(xué)特點(diǎn), 采用了Solid187 單元進(jìn)行分析、計(jì)算。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)及載荷的對(duì)稱性成分較大, 所以既可采用整體計(jì)算,也可以采用對(duì)稱分析計(jì)算。

圖2 有限元網(wǎng)格劃分模型

3 添加載荷和約束并求解

由于支架是由二組螺栓固定到物體上的,以圖1模型中間的螺栓孔中心為坐標(biāo)原點(diǎn), 縱向?yàn)閄軸、橫向?yàn)閅軸、鉛垂向下為Z軸正向,在加載過(guò)程中,在螺栓固定處施加約束, 使其在各個(gè)方向的位移均為0。對(duì)圓孔表面約束各個(gè)方向的自由度。對(duì)支架的頂面施加1000KN/m2均布載荷,方向?yàn)榇怪毕蛳?施加載荷和約束后的模型如圖3所示。

圖3 施加載荷和約束后的模型

根據(jù)上面建立的有限元分析模型,通過(guò)ANSYS Workbench的Simulation分析模塊進(jìn)行了計(jì)算。首先定義分析類型為靜力分析,然后由Current LS命令來(lái)求解單載荷步的問(wèn)題。支架結(jié)構(gòu)在承受外力的作用下,應(yīng)變、應(yīng)力云圖如圖4、圖5所示。

圖4 支架結(jié)構(gòu)的變形應(yīng)力云圖

圖5 支架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖

4 支架有限元模型結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)支架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度按要求加載計(jì)算的結(jié)果, 分析支架的強(qiáng)度水平。從圖4中發(fā)現(xiàn)最大變形區(qū)為紅色區(qū)域,即頂板受力的邊緣處,并對(duì)稱分布,最大變形量為1.057mm,這個(gè)變形量比較小,在一般的工程設(shè)計(jì)中幾乎可以不計(jì),可見,這個(gè)零件的剛度相當(dāng)?shù)暮谩?/span>

由圖5可以看出:最大的應(yīng)力為3.21MPa,只要該應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力,材料就不會(huì)失效;從圖中可以發(fā)現(xiàn),在兩個(gè)小孔中應(yīng)力圖為紅色,就是說(shuō)這里的應(yīng)力最大!這就是我們常見的應(yīng)力集中現(xiàn)象。應(yīng)力集中是工程中零件破壞的主要原因,在工程中應(yīng)盡量避免應(yīng)力集中現(xiàn)象的發(fā)生,我們可以通過(guò)倒角、熱處理等措施來(lái)改善應(yīng)力集中的現(xiàn)象。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)支架的有限元分析, 得到了支架在加載過(guò)程中的最大應(yīng)力、應(yīng)變,可以用于支架的受力分析以及指導(dǎo)該零件的設(shè)計(jì)。本文對(duì)支架的有限元分析方法, 對(duì)于其他有限元分析也具有重要的借鑒意義。經(jīng)過(guò)比較計(jì)算結(jié)果,發(fā)現(xiàn)總體誤差不大,仍在允許范圍之內(nèi)。這就證明ANSYS 軟件做出的有限元計(jì)算結(jié)果基本符合實(shí)際情況,完全適合于支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。而且在產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中,有助于新產(chǎn)品、新結(jié)構(gòu)的檢驗(yàn), 并能幫助設(shè)計(jì)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的缺陷,對(duì)產(chǎn)品做進(jìn)一步的改進(jìn),提高產(chǎn)品的可靠性、經(jīng)濟(jì)性、合理性,從而增強(qiáng)企業(yè)對(duì)市場(chǎng)的應(yīng)變能力和競(jìng)爭(zhēng)能力。

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