ansys的破碎錘有限元分析

2013-06-03 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

本文建立了破碎錘的有限單元法,并利用ansys作了計算,通過計算得出以下結論:活塞的最大等效應力發生在劇烈活塞中心一定距離的圓環處,而釬桿的最大等效應力發生在內邊緣處,且釬桿的最大等效應力大于活塞的等效應力,這對實際的破碎機設計有著重要的意義。應力在釬桿和活塞中由于應力的波傳遞和反射會出現幾個應力峰值,但只有首峰值為最大值,因此在實際設計中只需考慮首峰值的大小。
張洪才來源:e-works
關鍵字:CAE ansys 有限元破碎錘

1 破碎錘的力學模型
破碎錘是一種將液壓能轉變為機械沖擊能的破碎機具。在國內外廣泛應用于礦山、冶金、市政工程、道路工程等行業施工中。液壓錘工作環境惡劣、對零部件結構、材質、制造工藝都有相當高的技術要求。
液壓破碎錘結構如圖1所示,由活塞1,缸體2和釬桿3組車。活塞1在缸體2中以一定的速度V從左向右加速移動,如此反復。活塞1是將液壓能轉化為機械沖擊能的零件,受到液壓力的推動,以一定的沖擊速度撞擊釬桿3,釬桿3再作用到工作對象上(工作的初期破碎錘的釬桿壓在工作對象上,避免空打)。然后活塞再在液壓閥的作用下回到最左端,如此往復,工作頻率可達5~10Hz。圖2和圖3給出了活塞和釬桿模型的尺寸,以便后續有限元模型的建立。

2 液壓破碎錘的有限元分析
2.1 液壓破碎錘的有限元模型
本文采用solid186單元,來劃分活塞和釬桿模型。活塞、釬桿的材料相同:鋼彈性模量E=2.07e11Pa;密度ρ=7950kg/m³ ;泊松比μ=0.3。邊界條件:碰撞活塞的x方向初始速度為9m/s,其他方向的位移進行約束,釬桿的尾部固定;利用面-面的柔性接觸來模擬活塞和釬桿的碰撞接觸。

2.2 液壓破碎錘的計算結果及討論
在工程設計中,只關心最大應力區域的變化情況,本文中活塞和釬桿的頂部在碰撞過車功能中應力變化最為劇烈,因此是本文重點的研究對象,活塞頂部以1140節點為研究對象如圖5所示:

圖6-圖8分別給出了此節點的速度、x方向的應力,等效應力隨時間的變化情況。由圖6可知,活塞頂部1140節點的速度大小隨時間的先減小后增加,這是由于開始碰撞時速度會減小后來由于釬桿對其反作用,會使其速度反方向增大,圖6的計算結果是符合工程實際的。由圖7可知,1140節點處x方向的應力大小隨時間先增大后減小然后在零位置處上上下擺動,增大也是因為碰撞造成的,然后分離時應力就會減小。在圖8中也可以看出類似的規律,并且最大的等效應力發生在初始碰撞時刻,即0.00105s時,其大小為0.247273E+09Pa。圖7和圖8中,應力出現第2次峰值是由于應力波傳至邊界反射造成的,由于物體中存在阻尼,因此第二次峰值小于第一次峰值。

圖9給出了碰撞初始時,活塞頂部局部的等效應力云圖,由此圖可知:最大的等效應力發生在距離活塞中心一定距離的圓環處,并且其值為0.433E+09 Pa,這對實際的工程設計中有一定的指導意義。

圖11-圖13分別給出了此節點的速度、x方向的應力,等效應力隨時間的變化情況。由圖11可知,釬桿頂部7814節點的速度大小隨時間的先增加后減小,這是由于開始碰撞時速度會為0由于活塞對其作用才會產生運動,圖11的計算結果是符合工程實際的。由圖12可知,7814節點處x方向的應力大小隨時間先增大后減小然后在零位置處上上下擺動,增大也是因為碰撞造成的,然后分離時應力就會減小。在圖13中也可以看出類似的規律,并且最大的等效應力發生在初始碰撞時刻,即0.00105s時,其大小為0.260489E+09Pa。圖12和圖13中,應力出現第2次峰值是由于應力波傳至邊界反射造成的,由于物體中存在阻尼,因此第二次峰值小于第一次峰值。
圖14給出了碰撞初始時,活塞頂部局部的等效應力云圖,由此圖可知:最大的等效應力發生在距離釬桿里邊緣這是由于在幾何尺寸上的突變造成應力劇烈變化,并且其值為0.496E+09 Pa,這對實際的工程設計中有一定的指導意義。

3 結論
    通過以上計算和分析可以得到以下結論:
(1)利用有限元方法可以很好的捕捉到活塞與釬桿碰撞中應力波的傳遞。
    (2)活塞的最大等效應力發生在劇烈活塞中心一定距離的圓環處,而釬桿的最大等效應力發生在內邊緣處,且釬桿的最大等效應力大于活塞的等效應力,這對實際的破碎機設計有著重要的意義。
    (3)應力在釬桿和活塞中由于應力的波傳遞和反射會出現幾個應力峰值,但只有首峰值為最大值,因此在實際設計中我們只需考慮首峰值的大小。

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