空調(diào)支架的有限元分析

由于空調(diào)支架為一個完全對稱結(jié)構(gòu),空調(diào)的重量均勻分部在兩側(cè)對稱支架上,因此只要對空調(diào)支架的一側(cè)進(jìn)行分析即可達(dá)到對整體空調(diào)支架的分析,同時也達(dá)到了簡化空調(diào)支架分析的目的。本次作業(yè)可以分三部分來完成:一,空調(diào)支架一側(cè)的建模;二,利用商業(yè)化有限元分析軟件對建好的空調(diào)支架模型進(jìn)行有限元分析;三,根據(jù)空調(diào)支架模型有限元分析的結(jié)果對支架進(jìn)行強(qiáng)度校核以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

空調(diào)支架的具體尺寸圖如下圖所示:

考慮到空調(diào)支架模型結(jié)構(gòu)簡單,故在此沒有利用三維軟件建模而是直接在有限元分析軟件中進(jìn)行建模,本次作業(yè)采用的有限元分析軟件為美國ANSYS公司研制的大型通用有限元分析(FEA)軟件ANSYS10.0。建立模型包括設(shè)定分析作業(yè)名和標(biāo)題,定義單元類型、定義材料屬性、建立三維模型、劃分有限元網(wǎng)格。

打開ANSYS軟件進(jìn)入ANSYS操作界面,首先從主菜單中選擇【Preferences】命令,勾選Structural。然后從實用菜單中選擇【Change Jobname】命令,將文件名修改為Ktiao2,從實用菜單中選擇【Change Title】命令,將標(biāo)題修改為Ktiao2。如下圖所示:

在進(jìn)行有限元分析時,首先應(yīng)根據(jù)分析問題的幾何結(jié)構(gòu)、分析類型和所分析的問題精度要求等,選定適合具體分析的單元類型。本文中選用8節(jié)點六面體單元Solid185。如下圖所示:

由于空調(diào)支架所用材料為45#鋼,故可查得45#鋼的彈性模量為210Gpa,泊松比為0.3。從主菜單中選擇Preprocessor>Material Props>Material Models命令,打開定義材料模型屬性窗口,對材料彈性模量和泊松比進(jìn)行設(shè)置。

從主菜單中選擇Preprocessor>Modeling>Create>Keypoints>In Active CS命令,創(chuàng)建四個關(guān)鍵點,坐標(biāo)分別為(0.54,0),(0.54,0.16),(0,0.16),(0,0.11)。接著從主菜單中選擇Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Arbitrary>Through KPs命令,分別拾取上一步創(chuàng)建的四個關(guān)鍵點生成平面。然后從主菜單中選擇Preprocessor>Modeling>Operate>Extrude> Areas>Along Normal命令,拾取上一步生成的面將其拉伸成一個實體。由于340mm長度區(qū)域才為空調(diào)重量的加載區(qū)間,因此對空調(diào)支架的加載面分三部分來創(chuàng)建。根據(jù)上述同樣的方法創(chuàng)建關(guān)鍵點,生成面然后拉伸成實體。最后從主菜單中選擇Preprocessor>Modeling>Operate >Booleans>Add>Volumes命令,將四個實體進(jìn)行布爾加運算,至此空調(diào)支架的三維實體模型創(chuàng)建完畢。如下圖所示:

在這里輸入你的內(nèi)容,注意不要用退格鍵把所有文字刪除,請保留一個或者用鼠標(biāo)選取后直接輸入,防止格式錯亂。從主菜單中選擇Preprocessor>Meshing>Mesh Tool命令,打開“Mesh Tool”(網(wǎng)格工具),勾選“Smart Size”滑標(biāo)值默認(rèn)設(shè)置為6,“Mesh”的對象選擇“Volumes”,“Shape”選擇“Tet”“Free”,然后單擊【Mesh】,打開實體選擇對話框,單擊【Pick All】按鈕對空調(diào)支架模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。如下圖所示:

空調(diào)支架模型網(wǎng)格劃分完之后,接下來將對其進(jìn)行有限元分析,其內(nèi)容包括定義載荷及邊界條件、求解、查看結(jié)果等。

由于在這只對空調(diào)支架的一側(cè)進(jìn)行分析,即一側(cè)支架承受空調(diào)重量一半的載荷,因此就可以算出加載到長為340mm寬為50mm長方形面上的面載荷。即:

根據(jù)空調(diào)支架的特點,在這對支架的邊界條件進(jìn)行簡化,將支架靠近墻壁一側(cè)端面的自由度全部約束。下面為定義載荷及邊界條件的具體操作:

從主菜單中選擇Preprocessor>Loads>Define Loads>Apply>Structural>Pressure>On Areas彈出拾取對話框,拾取所需加載面,輸入上文計算出的壓力值。接著對支架靠近墻壁一側(cè)的端面進(jìn)行約束,從主菜單中選擇Preprocessor>Loads>Define Loads>Apply>Structural> Displacement>On Areas彈出拾取對話框,拾取支架靠近墻壁一側(cè)的端面對自由度全部約束。

然后對其進(jìn)行求解,從主菜單中選擇Solution>Solve>Current LS命令,打開一個確認(rèn)對話框和狀態(tài)表,查看列表中的信息確認(rèn)無誤后,單擊【OK】按鈕,開始求解。求解完成后打開求解結(jié)束對話框,單擊【Close】按鈕,關(guān)閉提示求解結(jié)束對話框。如下圖所示:

1.查看總變形

由于空調(diào)支架所用材料為45#鋼,根據(jù)《機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計手冊》可查得其抗拉強(qiáng)度σb為600MPa。從上面的有限元分析結(jié)果可以看到支架在Y方向上的最大應(yīng)力σymax為1.58MPa,第一主應(yīng)力最大值為σmax為3.95MPa,兩者均遠(yuǎn)小于其許可應(yīng)力。因此空調(diào)支架滿足支撐強(qiáng)度要求,無需對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。