基于ANSYS Workbench的支架的有限元分析

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

為進一步改進支架的結(jié)構(gòu)設計, 實現(xiàn)支架的CAE標準化生產(chǎn), 本文采用大型有限元分析軟件ANSYS 對發(fā)動機支架的應力分布進行了計算和仿真分析,得出了該構(gòu)件的應力和應變分布云圖, 從而為支架的強度分析研究提供了比較實用的有限元分析方法。

1問題描述與分析

支架是現(xiàn)代化機械工程中進行高效生產(chǎn)和安全生產(chǎn)最為關(guān)鍵的構(gòu)件之一。由于支架重量過大會給運輸、安裝、搬家?guī)砗芏嗬щy, 且材料消耗費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度分析具有很實際的意義。

已知某支架,在兩孔內(nèi)做約束,在頂面上施加1000KN/m2的壓強,然后,對支架進行強度校核,并分析支架的最大變形以及支架的等效應力。該支架的邊界條件是兩個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計要求。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;以使有限元計算結(jié)果更符合實際情況。用ANSYS 軟件對支架模型進行網(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)及力學特點, 采用了Solid187 單元進行分析、計算。因為結(jié)構(gòu)及載荷的對稱性成分較大, 所以既可采用整體計算,也可以采用對稱分析計算。

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原點, 縱向為X軸、橫向為Y軸、鉛垂向下為Z軸正向,在加載過程中,在螺栓固定處施加約束, 使其在各個方向的位移均為0。對圓孔表面約束各個方向的自由度。對支架的頂面施加1000KN/m2均布載荷,方向為垂直向下,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ANSYS Workbench的Simulation分析模塊進行了計算。首先定義分析類型為靜力分析,然后由Current LS命令來求解單載荷步的問題。支架結(jié)構(gòu)在承受外力的作用下,應變、應力云圖如圖4、圖5所示。

圖4 支架結(jié)構(gòu)的變形應力云圖

圖5 支架結(jié)構(gòu)的應力云圖

4 支架有限元模型結(jié)果分析

通過對支架的結(jié)構(gòu)強度按要求加載計算的結(jié)果, 分析支架的強度水平。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,并對稱分布,最大變形量為1.057mm,這個變形量比較小,在一般的工程設計中幾乎可以不計,可見,這個零件的剛度相當?shù)暮谩?/span>

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

5 結(jié)束語

通過對支架的有限元分析, 得到了支架在加載過程中的最大應力、應變,可以用于支架的受力分析以及指導該零件的設計。本文對支架的有限元分析方法, 對于其他有限元分析也具有重要的借鑒意義。經(jīng)過比較計算結(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算結(jié)果基本符合實際情況,完全適合于支架的結(jié)構(gòu)設計。而且在產(chǎn)品開發(fā)設計過程中,有助于新產(chǎn)品、新結(jié)構(gòu)的檢驗, 并能幫助設計人員及時發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設計中的缺陷,對產(chǎn)品做進一步的改進,提高產(chǎn)品的可靠性、經(jīng)濟性、合理性,從而增強企業(yè)對市場的應變能力和競爭能力。

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