關(guān)于套筒連接機(jī)構(gòu)的ANSYS靜力數(shù)值仿真分析

2016-08-04 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

有限元法最初被稱為矩陣近似方法,應(yīng)用于航空器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算,由于其方便性、實(shí)用性和有效性而成為一種應(yīng)用廣泛并且實(shí)用高效的數(shù)值分析方法。ANSYS軟件是有限元分析最常用的一種軟件,極強(qiáng)的分析功能覆蓋了幾乎所有的工程問(wèn)題,在我國(guó)也得到了廣大用戶的承認(rèn)和推崇。本文通過(guò)ANSYS軟件對(duì)套筒連接機(jī)構(gòu)在載荷下的變形和應(yīng)力進(jìn)行了研究,并通過(guò)一種新的方法獲得了無(wú)法直接從云圖中得到的套筒自身的相對(duì)彎曲變形的最大值,新方法對(duì)ANSYS分析后處理中的變形云圖進(jìn)行一定處理后導(dǎo)入AutoCAD軟件中進(jìn)行關(guān)鍵尺寸的測(cè)量,從而可以得到套筒的變形對(duì)套筒內(nèi)部功率傳輸設(shè)備的影響。

1分析模型的建立與工作載荷條件

1.1套筒連接機(jī)構(gòu)分析模型的建立

之前通過(guò)UG建模軟件已經(jīng)對(duì)套筒連接機(jī)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的結(jié)構(gòu)建模,而在ANSYS有限元數(shù)值仿真分析中,需要對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化,保留模型的主要承載機(jī)構(gòu)和零部件之間的連接特征,去除細(xì)小的無(wú)關(guān)緊要的零部件和特征,如小孔特征和螺釘零件等,這樣有利于有限元網(wǎng)格的劃分和計(jì)算機(jī)資源的合理利用,并且不會(huì)影響主承載部件的分析精度。經(jīng)過(guò)適當(dāng)簡(jiǎn)化之后,獲得的套筒連接機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化模型。套筒中間為通孔式結(jié)構(gòu),功率傳輸設(shè)備通過(guò)套筒內(nèi)的通孔,套筒對(duì)功率傳輸設(shè)備進(jìn)行防護(hù),套筒端面2連接固定于工作時(shí)存在平移位移載荷的部件,套筒端面1連接固定到支撐機(jī)架上,支撐機(jī)架通過(guò)底部固定位置可靠固定。套筒由五段組成,彼此通過(guò)螺栓螺母連接在一起構(gòu)成一整體套筒。套筒連接機(jī)構(gòu)主要由套筒和支撐機(jī)架組成,將簡(jiǎn)化后的模型通過(guò)接口從UG 中導(dǎo)入ANSYS中,就可以進(jìn)行數(shù)值仿真分析。

1.2套筒連接機(jī)構(gòu)工作載荷條件

在工作時(shí),套筒連接機(jī)構(gòu)端面2由于受外界載荷的作用會(huì)產(chǎn)生一定量的形變,當(dāng)套筒連接機(jī)構(gòu)的變形使得套筒的相對(duì)彎曲變形過(guò)大時(shí),會(huì)使功率傳輸設(shè)備發(fā)生彎曲變形,從而影響到功率傳輸設(shè)備的正常工作。需要說(shuō)明的是,在套筒根部和支撐機(jī)架連接處在載荷作用下發(fā)生角度偏轉(zhuǎn)時(shí),套筒內(nèi)部的功率傳輸設(shè)備會(huì)隨之旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度,就是說(shuō)功率傳輸設(shè)備相對(duì)套筒兩端面有自定心作用,也就是說(shuō)功率傳輸設(shè)備所在的直線始終會(huì)通過(guò)套筒兩端面的圓心。功率傳輸設(shè)備與套筒通孔的最小直徑差距為0.52mm,因此對(duì)功率傳輸設(shè)備影響最大的就是在載荷作用下套筒自身的彎曲變形程度,驗(yàn)證套筒的彎曲變形能否引起功率傳輸設(shè)備的彎曲變形,這也是最主要的分析考察目的。

套筒連接機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)承載要求是套筒端面2在承受最大橫向位移載荷(為1mm)的情況下,能保證功率傳輸設(shè)備不發(fā)生彎曲變形,套筒連接機(jī)構(gòu)的位移載荷形式可以看作是套筒端面受約束的橫向平移。

2套筒連接機(jī)構(gòu)的數(shù)值仿真分析

導(dǎo)入ANSYSWorkbench中的模型,通過(guò)材料定義、接觸定義、網(wǎng)格劃分、邊界條件和載荷施加、有限元求解等一系列過(guò)程就可以完成對(duì)套筒連接機(jī)構(gòu)的靜力學(xué)數(shù)值仿真分析,并通過(guò)對(duì)分析結(jié)果的討論和研究得出相關(guān)結(jié)論。

2.1材料與接觸定義

由于套筒與功率傳輸設(shè)備之間的間隙很小,因此套筒和機(jī)架材料的選擇就比較苛刻,要選擇剛度和硬度較好的材料,其中套筒使用材料為不銹鋼2Cr13,其余承載機(jī)架使用材料為鈦合金TA2,在ANSYSWorkbench分析中分別給各個(gè)零部件賦予正確材料。

由于分析模型是裝配體,因此定義各個(gè)零部件之間的接觸關(guān)系至關(guān)重要,套筒連接機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化后的零部件之間的接觸基本為綁定接觸方式,ANSYSWorkbench軟件中全部接觸會(huì)自動(dòng)設(shè)為綁定接觸方式,當(dāng)然也可以根據(jù)實(shí)際接觸情況的不同進(jìn)行修改和刪除操作,在這里將套筒連接機(jī)構(gòu)模型中的所有接觸均設(shè)為綁定接觸方式,這樣可以有效地等效產(chǎn)品實(shí)際裝配中采用的螺栓螺母等連接形式。

2.2網(wǎng)格劃分

統(tǒng)籌考慮計(jì)算機(jī)資源和分析精度要求,最后模型統(tǒng)一劃分為六面體網(wǎng)格,支撐機(jī)架和套筒的網(wǎng)格劃分。支撐機(jī)架和套筒的網(wǎng)格單元尺寸均為20mm,在零部件接觸處使用單元尺寸10mm,這樣大小的網(wǎng)格相對(duì)于模型大小和分析精度來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠。

2.3邊界條件與載荷施加

邊界條件為在支撐機(jī)架底面四個(gè)圓面固定處施加固支約束。

在套筒端面與天線體連接端施加位移載荷。加載方向?yàn)檠靥淄捕嗣鏅M向,大小為1mm,并與水平面方向平行。

2.4求解分析結(jié)果

在套筒端面施加1mm的橫向位移載荷條件下得到的機(jī)構(gòu)整體和套筒變形可知,最大變形為1mm,最大變形位置在套筒端面和靠近套筒端面的位置。

在連接支撐套筒端部施加1mm

的橫向位移載荷條件下得到的機(jī)構(gòu)整體和套筒等效應(yīng)力可知,最大等效應(yīng)力為14.575MPa,遠(yuǎn)小于材料的屈服極限,可見(jiàn)整體結(jié)構(gòu)和套筒均處在彈性變形階段。

3套筒彎曲變形程度的測(cè)量

以上分別獲得了套筒連接機(jī)構(gòu)在橫向載荷作用下的變形和應(yīng)力云圖,而最關(guān)注的套筒自身的相對(duì)彎曲變形的最大值卻無(wú)法從云圖中直接獲得,由于套筒并非是均勻形狀,每一段套筒的形狀有所差別,因此套筒剛度不均勻,套筒的變形比較復(fù)雜,無(wú)法采用簡(jiǎn)單均勻的懸臂梁進(jìn)行等效,也無(wú)法利用材料力學(xué)中的相關(guān)懸臂梁變形計(jì)算公式直接計(jì)算得到。因此本文采取一種新方法,對(duì)套筒連接機(jī)構(gòu)分析后處理中的變形云圖進(jìn)行變形程度放大處理后導(dǎo)入AutoCAD軟件中進(jìn)行關(guān)鍵尺寸的測(cè)量。

由于套筒自身的彎曲變形程度很小,因此在ANSYS后處理中將套筒的彎曲變形程度放大1100倍,并顯示套筒未承載變形前的位置狀態(tài),然后將變形云圖導(dǎo)入AutoCAD中。在AutoCAD中分別繪制出套筒變形前、后的中心線,已經(jīng)知道套筒端面中心變形為橫向平移1mm,通過(guò)CAD中尺寸測(cè)量可以得到套筒相對(duì)彎曲變形的最大值與端面橫向平移大小的比例關(guān)系,從而通過(guò)計(jì)算可以得到套筒彎曲變形后自身的相對(duì)彎曲變形的最大值為0.148mm,由于套筒的彎曲程度已經(jīng)被放大了1100倍,因此采用此種測(cè)量方法的測(cè)量誤差較小,可以采信。

通過(guò)零部件尺寸公差計(jì)算得知套筒內(nèi)孔內(nèi)徑和功率傳輸設(shè)備在直徑方向的最小間隙為0.52mm,由于功率傳輸設(shè)備和套筒兩端面之間的自定心作用,因此在半徑方向的最小間隙為0.26mm,由上得知套筒自身的相對(duì)彎曲變形的最大值為0.148mm,可知套筒的彎曲變形沒(méi)有使功率傳輸設(shè)備發(fā)生彎曲變形,不會(huì)影響功率傳輸設(shè)備的正常工作,因此滿足之前設(shè)定的套筒連接機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)承載要求。

4結(jié)論

本文以套筒連接機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象,將三維建模軟件UG、有限元分析軟件ANSYS和繪圖軟件AutoCAD有機(jī)結(jié)合起來(lái),對(duì)套筒連接機(jī)構(gòu)進(jìn)行了靜力有限元數(shù)值仿真分析,通過(guò)UG三維建模、ANSYS有限元數(shù)值仿真分析、AutoCAD測(cè)量關(guān)鍵結(jié)果,完成了對(duì)套筒連接機(jī)構(gòu)在位移載荷作用下相對(duì)彎曲變形對(duì)功率傳輸設(shè)備影響情況的評(píng)估,驗(yàn)證了套筒連接機(jī)構(gòu)的承載可靠性。

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