SolidWorks與ANSYS的挖泥船絞刀有限元分析

2013-08-07 by:廣州SolidworksUGCatia培訓中心來源:仿真在線

絞吸式挖泥船廣泛應用在河湖航道疏浚整治工程中,絞刀是絞吸式挖泥船關鍵部件之一,其切削性能的好壞對整船的產量有決定性的影響。在國內,絞刀現代設計理論體系還沒有形成,有些設計和制造還停留在模仿國外類似產品上。絞刀3D建模及CAE分析是實現絞刀數字化設計、提高設計效率的重要一環。

為了對絞刀的切削性能進行實驗研究,河海大學疏浚教育和研究中心通過SolidWorks軟件生成三維實體造型,應用于仿真系統及后續CAE分析。下面主要探討如何在SolidWorks環境下,利用AutoCAD二維工程圖及二維圖片實現絞刀曲面三維建模的方法,并將模型數據導入ANSYS中,對其進行虛力應變分析,實現了CAD與CAE軟件的結合,為絞刀的設計制造提供方便。

1 絞刀有限元模型的建立

1.1 基于SolidWorks的三維實體造型

絞刀的主體由大環、刀臂、切削元件、輪轂四部分組成。刀臂安裝上各種不同的切削刀刃(或刀齒)直接用于切削介質,輪轂直接與絞刀軸相連,起到傳遞力和力矩的作用,大環和輪轂把多個刀臂連為一個整體,實現切削過程的連續性、受力的平穩性。

絞刀建模的關鍵是刀臂輪廓空間曲線的確定。

1.1.1 坐標導入法:

若已知內外輪廓線的精確坐標,選取輪廓線中具有代表性的若干點的坐標,做成SolidWorks可識別的txt文本文檔,按照要求導入三維軟件即可生成相應空間曲線。

1.1.2 由AutoCAD圖形文件生成三維模型

SolidWorks三維模型的建立,是以草圖為基礎的,將AutoCAD二維圖形文件直接輸入,轉化為SolidWorks草圖,從而建立三維實體模型。

AutoCAD二維圖形轉化為SolidWorks草圖后,分別選擇刀臂外輪廓線在兩個基準面上的投影曲線,拉伸生成兩相交柱面,利用交叉曲線得到兩柱面交線的3D草圖。用同樣的方法獲得刀臂內輪廓線空間曲線的3D草圖,之后將輔助的拉伸曲面隱藏即可;選擇大環上的刀臂橫截面為掃描輪廓,刀臂內輪廓線3D草圖為路徑,刀臂外輪廓線3D草圖為引導線,方向“隨路徑和第一引導線變化”,即可生成刀臂實體。

1.1.3 由二維圖片生成三維模型

如果沒有AUTOCAD圖形文件,只有紙制的圖形或者圖片,也可以直接通過插入圖片的方式進行絞刀實體的造型,方法如下:

(1)插入圖片

根據二維圖片的投影方向,在SolidWorks分別選中相應基準面,進入草圖繪制環境,工具/草圖工具/草圖圖片,插入相應圖片,根據草圖原點調整圖片在視圖中的位置,并將圖片設置成半透明。

(2)大環、輪轂的生成

根據圖片線條繪制大環、輪轂的截面四邊形及軸線,利用旋轉特征生成實體。

(3)刀臂的生成

首先,在任意一張圖片所在基準面根據線條平面投影繪制3D草圖,根據曲線變化趨勢設置樣條曲線控制點;接著,選中控制點,單擊鼠標右鍵顯示坐標三重軸(某一控制點的,并非整條曲線的三重軸,如圖3),選中三重軸中的一個方向(保持另兩個方向不動)拖動該控制點,使其與另一張圖片上的相應投影重合,重復這一步驟,直至3D曲線與兩個基準上的投影都吻合,用同樣的方法生成內、外兩條輪廓線;然后,在上視基準面上新建另一草圖繪制刀臂截面形狀,并設置其與內、外輪廓線幾何約束關系為穿透;最后,利用掃描特征生成刀臂實體。

(4)絞刀模型的完成

通過圓周陣列、掃描切除以及組合等特征,完成絞刀實體的建模,最后進行螺紋、倒角等細節特征的完善,刀臂與輪轂接口處的多余部分可以通過旋轉切除進行處理,之后通過進行布爾運算將多個實體進行組合,完成絞刀建模。

1.2 SolidWorks與ANSYS模型數據轉換

將SolidWorks中建好的絞刀模型另存為ParaSolid格式導入ANSYS,定義單元屬性和材料參數并劃分網格。

2 絞刀應力分析

2.1 絞刀參數

絞刀大環的內徑為1360mm,外徑大約為1744mm,輪轂上側內外徑分別為228.14mm和431.89mm;輪轂下側內外徑分別為314.04mm和517.79mm。絞刀整體采用鑄鋼,材料屬性為彈性模量EX=1.75GPa,泊松比PRxy=0.27,屈服極限為σt=380MPa,取安全系數S=1.3,則許用應力為292.31MPa。

2.2 絞刀水下切削載荷的確定及邊界條件

絞刀切削功率為150kw,轉速為40r/min,橫移速度0.4m/s,剪切角為40°。定義絞刀參與切削刀片位置與軸線所在平面的夾角為Ω,則當0°≤Ω≤90°時,該位置刀片參與切削,為方便加載,根據刀臂參與切削情況將絞刀沿軸向分為9段。

根據二維切削理論,絞刀刀片上所受的力只和該位置半徑Rn及切削層厚度的平方成正比,由此推出

假設共有n段刀齒參與切削,各段上所受的力為Fi(i=1,2,…,n),則總扭矩T為:

取刀臂B靠近大環處刀片Ω角度為零的時刻,此時,有三個刀片A、B、C同時參與切削,但其參與切削的部位各不相同。根據式(1)、(2)計算出各段受力,結果如下表所示,其中R為受力點平均半徑。

在ANSYS中,將直角坐標系變換為柱狀坐標系,沿刀片切向施加載荷,并約束輪轂的內表面,位移為零,進行求解。

2.3 結果分析

絞刀最大位移出現在C刀臂3、4段的位置,最大位移為7.188mm;最大等效應力出現在C刀臂靠近大環的一段刀片上,最大應力為237Mpa;這一刻C刀臂切削的水下土壤層厚度最大,且其Ω角度也較大,因此無論是受力還是變形均要比其他兩個刀臂大一些,比較符合實際情況。分析得知,此時,該方案設計的絞刀是安全的,同時也要注意刀臂與輪轂連接處及內側彎曲處也是易發生應力集中的地方,針對切削土質的不同,在進行絞刀刀臂輪廓的設計時可適當考慮。

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