CAE在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2013-06-05  by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-br5w05v.cn  來源:仿真在線

機(jī)械設(shè)計(jì)中首要考慮的是在零部件上應(yīng)力集中的問題,應(yīng)力集中將是產(chǎn)生重大的經(jīng)濟(jì)損失。對(duì)設(shè)備的正常運(yùn)行也至關(guān)重要。計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE),是指在計(jì)算機(jī)上利用相應(yīng)的計(jì)算機(jī)分析軟件(如有限元分析軟件、運(yùn)動(dòng)仿真軟件、疲勞分析軟件等)進(jìn)行的分析計(jì)算。如靜應(yīng)力、動(dòng)應(yīng)力和溫度應(yīng)力計(jì)算、各種載荷作用下的動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和變形計(jì)算、振動(dòng)頻率和振動(dòng)模態(tài)計(jì)算、溫度、流體及高速?zèng)_擊產(chǎn)生的應(yīng)力波計(jì)算等。舉例介紹了運(yùn)用有限元法(FEA)對(duì)機(jī)械中幾個(gè)關(guān)鍵件進(jìn)行分析的結(jié)果,說明如何在機(jī)械設(shè)計(jì)中運(yùn)用CAE完成過去無法完成的工作。

張惠玲 李東 李莎莎 王金山 來源:萬方數(shù)據(jù)
關(guān)鍵字:CAE 計(jì)算機(jī)輔助工程 機(jī)械 設(shè)計(jì)

由于大型機(jī)械產(chǎn)品在工作過程中的受力情況和變形條件很復(fù)雜,所以在設(shè)計(jì)時(shí)很難較準(zhǔn)確地計(jì)算出有關(guān)零部件的應(yīng)力應(yīng)變分布及動(dòng)力學(xué)特性。以往是給出一些假設(shè)條件,采用工程力學(xué)的方法進(jìn)行近似計(jì)算,但這樣設(shè)計(jì)出的部件在幾何尺寸和結(jié)構(gòu)型式上都難以達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的要求。隨著計(jì)算機(jī)的應(yīng)用,現(xiàn)在可以通過計(jì)算輔助工程(CAE)的方法有效地解決這個(gè)問題。
計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE),是指在計(jì)算機(jī)上利用相應(yīng)的計(jì)算機(jī)分析軟件(如有限元分析軟件、運(yùn)動(dòng)仿真軟件、疲勞分析軟件等)進(jìn)行的分析計(jì)算。如靜應(yīng)力、動(dòng)應(yīng)力和溫度應(yīng)力計(jì)算、各種載荷作用下的動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和變形計(jì)算、振動(dòng)頻率和振動(dòng)模態(tài)計(jì)算、溫度、流體及高速?zèng)_擊產(chǎn)生的應(yīng)力波計(jì)算等。本文舉例介紹了運(yùn)用有限元法(FEA)對(duì)機(jī)械中幾個(gè)關(guān)鍵件進(jìn)行分析的結(jié)果,說明如何在機(jī)械設(shè)計(jì)中運(yùn)用CAE完成過去無法完成的工作。
1 受力機(jī)架概率(變量化)分析
1.1 受力機(jī)架

機(jī)架是每個(gè)大型設(shè)備機(jī)工作主機(jī)的重要部件,許多受力部件安裝在機(jī)架上。每臺(tái)設(shè)備至少有1-2個(gè)機(jī)架,每個(gè)機(jī)架重量達(dá)幾十噸至幾百噸,設(shè)計(jì)要求機(jī)架有較高的安全系數(shù),其工作時(shí)的變形必須在設(shè)計(jì)的許可范圍內(nèi),設(shè)計(jì)出工作變形、應(yīng)力小而且重量又輕的機(jī)架成為設(shè)計(jì)上的一個(gè)難題。
下面以5000mm軋機(jī)機(jī)架為例,用概率的方法通過有限元軟件計(jì)算圓弧過渡處尺寸對(duì)應(yīng)力集中的影響,以便找出各尺寸對(duì)應(yīng)力集中的影響程度,確定影響最大應(yīng)力最敏感的尺寸。根據(jù)機(jī)架的有限元計(jì)算,發(fā)現(xiàn)對(duì)于采用電動(dòng)壓下的機(jī)架,在機(jī)架上橫梁內(nèi)安裝壓下螺母的圓弧過渡的地方是應(yīng)力集中(應(yīng)力最大)的部位,影響該處應(yīng)力的尺寸主要集中在圓弧過渡處,見圖1所示。

圖1 機(jī)架螺絲圓弧過渡處的尺寸

在傳統(tǒng)的有限元分析中,HEIGTH1=2mm,ANO=150°,RADIUS=44mm,DELT=10mm。為了計(jì)算尺寸變化對(duì)應(yīng)力集中影響的程度,給每個(gè)尺寸一個(gè)變化范圍,故在采用傳統(tǒng)的有限元分析后進(jìn)行了概率分析,可以看到哪個(gè)參數(shù)的變化對(duì)最大應(yīng)力的變化影響最大。
傳統(tǒng)有限元計(jì)算得到的最大第1主應(yīng)Max-StressSl=12.66/mm²,圖2所示為機(jī)架頭部壓下螺絲圓弧過渡處的第1主應(yīng)力分布情況。

圖2 機(jī)架壓下螺絲圓弧過渡處的第l主應(yīng)分布

1.2 機(jī)架應(yīng)力集中影響因素概率分析

在概率設(shè)計(jì)中,選取圖1中所示尺寸為輸入?yún)?shù),輸出參數(shù)為機(jī)架最大第一主應(yīng)力(Max-StressSl)。每個(gè)輸入?yún)?shù)共取50個(gè)樣本點(diǎn),每個(gè)樣本點(diǎn)互不相同,四個(gè)輸入?yún)?shù)每次隨機(jī)取得一組樣本點(diǎn),進(jìn)行傳統(tǒng)的有限元分析,從而得到一組相應(yīng)的輸出參數(shù)。圖3為ANG0對(duì)Max-StressSl的影響,斜線為根據(jù)二者的樣本點(diǎn)擬合的多項(xiàng)式曲線,影響系數(shù)為0.5171。圖4所示為RADIUS對(duì)Max-StressSl的影響情況,斜線為根據(jù)二者的樣本點(diǎn)擬合的多項(xiàng)式曲線,影響系數(shù)為-0.0706。圖5所示為HEIGTHl對(duì)Max-StressSl的影響情況,斜線為根據(jù)二者的樣本點(diǎn)擬合的多項(xiàng)式曲線,影響系數(shù)為-0.0409。圖6所示為Max-StressSl對(duì)輸人參數(shù)的敏感情況,從圖中的方框圖和餅圖可以看到,淺色區(qū)域代表Max-StressSl對(duì)作用力FORCE的敏感性,深色區(qū)域代表Max-StressSl對(duì)ANG0的敏感性,Max-StressSl對(duì)作用力FORCE的變化最敏感,第二為ANG0,其后依次為HEIGTHl和RADIUS,也就是說,FORCE的變化對(duì)Max-StressSl影響最大,其次依次為ANGO、HEIGTHl和RADIUS。
通過對(duì)機(jī)架分析,得到了機(jī)架整體的應(yīng)力分布和機(jī)架沿長度、寬度方向的變形情況。尤其是得到了應(yīng)力集中區(qū)情況,為降低最大應(yīng)力提高機(jī)架整體性能提供了方向。通過對(duì)應(yīng)力集中區(qū)進(jìn)行概率分析,得到了影響最大應(yīng)力最敏感的尺寸,為設(shè)計(jì)人員手工調(diào)整尺寸以降低最大應(yīng)力提供了依據(jù)。可以用這種方法以機(jī)架工作時(shí)沿長度方向的變形為輸出參數(shù)、機(jī)架的部分關(guān)鍵尺寸為輸人參數(shù),來研究影響變形的最敏感尺寸。

圖3 ANCO對(duì)MaxStressSl的影響

圖4 RADIUS對(duì)MaxStressSl的影響

圖5 HEIGTHl對(duì)MaxStressSl的影響

圖6  MaxStressSl對(duì)輸入?yún)?shù)的敏感性

2 螺絲螺母有限元分析
螺絲螺母作為機(jī)械部件中必不可少的部件的主要部件,承受一定的作用力。螺絲螺母鋸齒形牙形應(yīng)力集中較大,計(jì)算該處應(yīng)力、使用前掌握螺絲螺母強(qiáng)度狀況是非常必要的。下面采用有限元分析軟件對(duì)螺絲螺母裝配體進(jìn)行二維軸對(duì)稱接觸分析。
圖7是螺絲螺母裝配體平面圖,Y軸為壓下螺絲螺母裝配體對(duì)稱中心,作用力沿Y軸向下作用在螺絲上,忽略幾扣不起作用的螺絲的牙;螺絲螺母接觸處設(shè)置接觸單元、螺母同本體接觸處設(shè)置接觸單元進(jìn)行整體分析。圖8是裝配體的第一主應(yīng)力σ₁分布;圖9是螺母的第一主應(yīng)力σ₁分布,最大為127N/mm²;圖10是壓下的第一主應(yīng)力σ₁分布,最大為196N/mm²。

圖7 螺絲螺母裝配體平面圖      圖8 裝配體的σ₁分布

圖9 裝配體的σ₁分布      圖l0 螺母σ₁分布

3 結(jié)論
以機(jī)架幾個(gè)主要部件有限元分析的例子,說明了CAE在軋鋼機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用,但遠(yuǎn)遠(yuǎn)不僅限于此。CAE不僅應(yīng)用于常規(guī)強(qiáng)度設(shè)計(jì)、機(jī)架部件優(yōu)化、機(jī)架使用過程仿真,還應(yīng)用于設(shè)備工藝的分析,建立傳導(dǎo)教學(xué)模型、設(shè)備工作過程中溫度場數(shù)學(xué)模型等。
隨著分析軟件以及相應(yīng)的前、后處理軟件功能的不斷增強(qiáng),CAE在現(xiàn)代化生產(chǎn)中的作用是不能低估的,它能縮短研制周期、降低成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量、提升產(chǎn)品的市場占有率,滿足多種用戶的需求。

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