懸臂托架COSMOSWorks優(yōu)化設計

2013-06-13 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

運用與SolidWorks無縫集成的有限元分析軟件COSMOSWorks對生產(chǎn)線中的懸臂托架進行改型優(yōu)化設計,使設計更加方便、快捷、準確,對改型設計具有指導意義。

某型號產(chǎn)品生產(chǎn)線中大量采用了懸臂托架機械結(jié)構(gòu),由于產(chǎn)品改型,對懸臂托架提出了如下要求:①需要在不影響其強度和剛度要求的條件下對其開孔改造,以便其它部件的安裝;②外觀尺寸不能變化,但對開孔形狀有要求,且孔盡可能大,在方便操作的同時節(jié)省材料;③托架基礎頻率應控制在330Hz ~420Hz范圍內(nèi),以避免與安裝機械引起共振;④懸臂托架的最大允許形變?yōu)?.2mm。對于新的設計要求,利用傳統(tǒng)的設計方法就顯得過于繁雜,本文通過運用COSMOSWork。有限元分析軟件對要求改型的懸臂托架進行自動校核分析,并對其進行開孔尺寸優(yōu)化設計,使之能滿足上述要求,最大限度地提高設計速度和精度。

     1 COSMOSWorks簡介

COSMOSWorks是眾多CAE軟件中的一種,是與SolidWorks無縫集成的快速有限元分析軟件,它為機械設計工程師在SolidWorks環(huán)境下提供了比較完整的分析手段。憑借先進的快速有限元技術(shù)(FFE),工程師能非常迅速地運用它實現(xiàn)對大規(guī)模復雜設計的分析和驗證,并且獲得修正和優(yōu)化設計所需的必要信息。同時將分析的模型和結(jié)果與SolidWorks共享一個數(shù)據(jù)庫,計算結(jié)果也可以直觀地顯示在SolidWorks精確的設計模型上,直觀地管理分析任務、載荷、邊界條件、有限元網(wǎng)格和計算結(jié)果等數(shù)據(jù),直觀地列人圖形化的樹形分析管理器中。COSMOSWorks提供了諸如靜態(tài)分析、頻率分析、扭曲分析、熱力分析、掉落測試、疲勞分析、優(yōu)化分析和非線性分析等模塊,分析非常方便,結(jié)果準確可靠。

     2建模及優(yōu)化分析

原懸臂托架結(jié)構(gòu)見圖1,其選用的材料為A2碳鋼,其主要性能參數(shù)見表1。

懸臂托架COSMOSWorks優(yōu)化設計+有限元項目服務資料圖圖片1

懸臂托架COSMOSWorks優(yōu)化設計+有限元項目服務資料圖圖片2

在使用時懸臂托架通過兩個M8螺釘側(cè)面固定,上方蓋板通過兩個M6螺釘固定,承重板上方設備產(chǎn)生向下1 960N均布載荷壓力,這個載荷由兩個托架共同承受,每個受力為980N。根據(jù)原結(jié)構(gòu)尺寸,在SolidWorks中建立三維模型,這里不再詳述。

     2. 1原有結(jié)構(gòu)分析

在SolidWorks中進人COSMOSWorks模塊,建立一靜態(tài)研究,設置研究解算器為FFEo在實體材料窗門定義材料為普通碳鋼,將表1中的數(shù)據(jù)輸人,對懸臂托架的材料及性能進行賦予。然后根據(jù)現(xiàn)實受力對其進行載荷約束:因托架側(cè)面依靠兩M8螺釘固定,上方受到均布980N壓力,因此兩M8螺紋孔約束應為固定約束;托架上方受到的單位壓力為572 854. 86N/m。按默認設置生成網(wǎng)格后運行COSMOS/FFEStatic Solver/ COSMOS自動對其進行分析得出懸臂托架的應力分布,見圖2。從圖2中可以看到,原設計結(jié)構(gòu)的受力遠小于材料的屈服應力,設計過于保守。對其進行頻率分析,得出其固有基礎頻率為417Hz。綜合上述分析,說明在托架的中部開孔可行。

懸臂托架COSMOSWorks優(yōu)化設計+有限元項目服務資料圖圖片3

     2.2結(jié)構(gòu)改造

根據(jù)要求,對懸臂托架按最小要求尺寸進行開孔,并按上述方法由COSMOSWorks得出懸臂托架的應力分布,見圖3。由圖3可以看出,此時懸臂托架的應力仍遠小于其屈服應力。對其頻率分析,發(fā)現(xiàn)開孔后懸臂托架的固有一階頻率為409. 85Hz,在要求頻率帶內(nèi)。整體設計安全系數(shù)仍過大。

懸臂托架COSMOSWorks優(yōu)化設計+有限元項目服務資料圖圖片4

2.3尺寸優(yōu)化

     重新建立一優(yōu)化研究,定義優(yōu)化品質(zhì)為高,添加優(yōu)化研究目標為最小體積,設計變量選中開孔的關(guān)鍵尺寸,定義變量的變化區(qū)間,使孔尺寸可以向大值方向發(fā)展。在約束條件下添加應力為靜態(tài)節(jié)應力,界限為ON/m2~2 X lO8/m2;添加最大合力位移,界限為Omm ~ 0.2mm;添加基礎頻率的變化范圍為330Hz~420Hz。運行尺寸優(yōu)化分析后,COSMOSWorks將會進行一系列的優(yōu)化分析,經(jīng)過若干循環(huán)之后,給出了最終的優(yōu)化結(jié)果,見圖4。通過對優(yōu)化后的模型進行分析,可以看出,本次優(yōu)化設計的最終迭代數(shù)為15,改進后托架的硬度、強度、形變?nèi)匀荒艹浞譂M足要求,見圖5。開孔尺寸比要求更大,能在安裝更為方便的同時減輕托架重量,最終設計的最小安全系數(shù)控制在2. 3左右,見圖6。將優(yōu)化設計的數(shù)值進行數(shù)值規(guī)整、重新校核后即可完成本次改型設計。

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     3總結(jié)

通過優(yōu)化設計,懸臂托架的體積由117289.96mm3變?yōu)?0965.85mm3,重量減輕了0.365 2kg,即減輕了40%。固有頻率從改造前的417Hz變?yōu)閮?yōu)化設計后的332. 97Hz,遠離了共振點。穩(wěn)定受力中最大形變點的形變?yōu)?. 06mm,很好地滿足了改造要求。

可以看出,COSMOSWorks的快速有限元算法<FFE)是工程設計分析人員結(jié)構(gòu)分析的利器。該算法中的圖形化操作界面可使您直觀地劃分網(wǎng)格單元、定義邊界載荷條件及快速地求解計算結(jié)果,其分析結(jié)果與實際試驗結(jié)果十分相近。利用該算法可以大大地提高工程設計人員的工作效率,達到事半功倍的效果。

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