CAE在采樣頭設計中的應用

2013-06-07  by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM  來源:仿真在線

本文針對某種型號的懸臂式采樣頭在設計過程中涉及的抵抗變形的能力及其破冰能力,對其進行不同工況下的有限元分析。在進行應力分析的基礎上,利用第三強度理論,對結構的強度進行校核,進而指導了設計的改進。
作者: 姜峰 賀成柱    來源: e-works
關鍵字: CAE ansys 懸臂式采樣頭 強度理論 變形 破冰 

1 引言
20世紀70年代以來,我國煤質分析制樣和分析化驗的儀器設備已經發展到相當規模,不僅種類齊全,而且正逐步實現自動化,有的已經達到國際水平。但在機械化采樣和機械化制樣聯合系統方面仍發展緩慢。懸臂式采制樣設備是為解決上述問題由我院自行研制的一套適用于電廠、煤礦的機械化采制樣系統。
2 結構的有限元模型的建立
結構的主體是采樣頭的懸臂,可以看作是梁結構,本文從計算結果的精確性和仿真的方便,對該部分采用ANSYS軟件自帶的BEAM3單元,該單元是具有拉伸、壓縮和彎曲功能的單軸單元,具有X和Y方向兩個平移自由度和繞Z軸的一個轉動自由度,并具有計算應力剛化,大變形和單元生死的功能。
在整體建模中,單元的合理連接與節點自由度的合理匹配與否,將直接影響模型的受力和傳力特征。在結構中單元和單元之間的連接采用ANSYS提供的節點耦合方式,強制兩個節點的平動自由度一致,而釋放轉動自由度,從而實現鉸接關系。

 
圖1 懸臂機構簡化圖

對于文中采用的BEAM3單元,需要輸入的實常數有截面的面積,截面的慣性矩和等效高度。由于BEAM3單元不具備截面定義的功能,對于本結構設計時定義的特殊的截面形狀,通過材料力學的知識計算該截面的慣性矩進行等效。
對于結構的邊界條件的處理。液壓油缸與一節臂之間,一節臂與二節臂之間,二節臂與采樣頭之間采用接點耦合的方式強制兩個平動自由度一致,而釋放銷軸的轉動自由度,實現鉸接關系。一節臂的下端與液壓油缸的下端采用鉸支約束。采樣頭的末端采用固支約束。為了計算采樣頭的破冰能力,將結構上部的液壓油缸(圖1中虛線所示)拆除,將其作用力等效到結構上,等效的作用力大小為(1)
其中(2)
本文的強度校核就采用上式的方式進行檢驗。本結構采樣頭的懸臂采用16Mn鋼材料,其屈服極限為σ_s=345MPa。
4 結構整體的分析結果
4.1 遠點采樣時分析結果。

表1 結構各單元的最大應力(單位:MPa)

表2 結構各單元的最小應力(單位:MPa)

此時

4.2 近點采樣時分析結果

表3 結構各單元的最大應力(單位:MPa)

表4 結構各單元的最小應力(單位:MPa)

此時

圖2 截面B-B增強后的截面形狀
表5 改進后近點采樣結構各單元的最大應力(單位:MPa)

表6 改進后近點采樣結構各單元的最小應力(單位:MPa)

此時

對于采樣頭的破冰能力如表7所示,ANSYS計算的數據顯示遠點采樣時折合為1121.9kg,近點采樣時折合為1512.3kg,二者的破冰能力均在1噸以上。
對于結構在進行遠點采樣時的整體抵抗變形的能力也很強,計算的結構在極限受力狀態下的變形對于整個結構來說完全可以忽略不計。
5 結論與建議
對截面B-B進行截面的改進,使采樣頭均能滿足遠點采樣和近點采樣時的強度要求;在分析中可以發現,采樣頭的破冰能力和在進行采樣時的整體抵抗變形的能力是比較強的。

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