基于COSMOS 的橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

2013-06-09 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

目的:龍門式石材加工中心所使用的橫梁是其主要功能部件之一,其橫梁的長度設(shè)計為5 .425m ,為保證加工中心的加工精度,設(shè)計滿足強(qiáng)度和剛度要求的橫粱。方法:本文作者使用了SolidWorks 建模及其自帶的COSMOS/Works 有限元分析模決對不同方案和不同結(jié)構(gòu)尺寸的橫梁進(jìn)行了有限元分析。結(jié)采:通過靜態(tài)分析和數(shù)據(jù)比較,筆者優(yōu)選了一組最佳設(shè)計方案。結(jié)論:使用SolidWorks 建模及其自帶的COSMOS/Works 有限元分析模塊進(jìn)行有限元分析的方法進(jìn)行大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的有限元分析,可以有效節(jié)省建模時間,提高工作效率。

作者: 吳王厚*趙德宏*陸峰*韓麟來源: 萬方數(shù)據(jù)
關(guān)鍵字: 石材加工中心橫梁設(shè)計 COSMOS/Works 有限元分析

龍門式石材加工中心所使用的橫梁是其主要功能部件之一。其橫梁的長度設(shè)計為5.425m ,為保證加工中心的加工精度,對橫梁的靜強(qiáng)度和剛度提出了很高的要求。在工程設(shè)計中,對構(gòu)件的強(qiáng)度與剛度計算是一件非常繁瑣的工作,而且在計算過程中很容易出現(xiàn)錯誤。雖然最著名的ANSYS 、NASTRAN 等軟件在功能和求解問題的規(guī)模上都有了較大的提高。然而,由于有限元分析本身具有專業(yè)性強(qiáng)和建模復(fù)雜繁瑣的特點,所以即使是使用目前最先進(jìn)的有限元分析程序進(jìn)行大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的有限元分析,仍需要投入大量的人力和物力。COSMOS/Works 是與SolidWorks 無縫集成的快速有限元分析軟件。它為機(jī)械設(shè)計工程師SolidWorks 的環(huán)境下,提供比較完整的分析手段。筆者使用了在SolidWorks 中建模,再調(diào)用COSMOS/Works有限元分析模塊對傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)橫梁和T 型棋梁進(jìn)行了有限元分析、比較,從而獲得了能夠滿足設(shè)計要求的、結(jié)構(gòu)比較合理的橫梁構(gòu)件。

   1 COSMOS 軟件的特點

COSMOS/Works 為機(jī)械設(shè)計工程師在SolidWorks的環(huán)境下,提供比較完整的分析手段。憑借先進(jìn)的快速有限元技術(shù)( FFE) ,工程師能非常迅速地實現(xiàn)對大規(guī)模的復(fù)雜設(shè)計的分析和驗證,并且獲得修正和優(yōu)化設(shè)計所需的必要信息。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(shè)計模型上。直觀地管理分析任務(wù)、載荷、邊界條件、有限元網(wǎng)格和計算結(jié)果等數(shù)據(jù),直觀地列入圖形化的樹形分析管理器中。與SolidWorks 特征管理器相同,分析管理中的分析特征可以編輯,支持拖動放置的操作方式。分析的過程既可以用SolidWorks 的下拉菜單實現(xiàn),也可以直接在分析管理器中進(jìn)行。

COSMOS/Works 能在劃分復(fù)雜形狀零件的有限元阿格時無需刪除某些特征劃分的有限元網(wǎng)格是雙精度的問。FFE 技術(shù)幫助了有限單元的快速生成,使幾何模型可反復(fù)修改,修改后網(wǎng)格單元能很快重新生成。載荷和邊界條件能直接指定在SolidWorks 實體的幾何特征上,并且和幾何特征有相關(guān)性。載荷和邊界條件的指定能智能地識別常實體模型的幾何形狀和自動指定合適的約束條件,如分布壓力可指定在圓柱面和球面上。對荷和邊界條件,可進(jìn)行拖動放置操作。

   2 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)建模與分析

傳統(tǒng)石材加工用橋式機(jī)床一般橫梁跨度都在3-5m 之間,其所使用的結(jié)構(gòu)形式如圖1 所示。橫梁由前后兩塊側(cè)板和上頂板及左右兩側(cè)的側(cè)板構(gòu)成,中間有連接的加強(qiáng)筋。其中在橫梁的下方,兩側(cè)板之間還應(yīng)當(dāng)留有安裝一根絲杠和一根轉(zhuǎn)動軸的位置。

基于COSMOS 的橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析+項目圖片圖片1

(1)按照其結(jié)構(gòu)特點,在SolidWorks 建立橫梁模型,其外部尺寸為5450mm*470mm*400mm 。
(2) 打開COSMOS/works 模塊,建立一個研究項目o 定義材料屬性,橫梁為鑄鋼件,選用鑄造碳鋼,其材料特性如表1 。

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(3) 添加載荷與約束。再橫梁上表面兩導(dǎo)軌處施加合計20000N 的壓力。在垂直面上施加9.8 的重力加速度。在兩側(cè)立板底端分別施加固定約束和不可移動約束。如圖2 所示。

基于COSMOS 的橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析+項目圖片圖片3

(4) 劃分網(wǎng)格、分析計算。按默認(rèn)的設(shè)置進(jìn)行網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格類型為實體網(wǎng)格,要素大小為74.788mm. 網(wǎng)格品質(zhì)為高。獲得15454 個節(jié)點和9021 個有限元單元,棋梁總質(zhì)量為: 2735.29 悔。運(yùn)行分析計算,設(shè)定應(yīng)力、應(yīng)變、位移三項輸出,圖3 、圖4 、圖5 分別為對應(yīng)的應(yīng)力、應(yīng)變和Y 向位移分析結(jié)果圖例。

基于COSMOS 的橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析+項目圖片圖片4

基于COSMOS 的橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析+有限元項目服務(wù)資料圖圖片5

基于COSMOS 的橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析+有限元項目服務(wù)資料圖圖片6

(5) 分析從圖解中可以看出,橫梁應(yīng)力、應(yīng)變的最大初均出現(xiàn)在橫梁兩側(cè)側(cè)板的中間部位,橫梁中心最大Y 向最大位移為0.25mm. 通過探測橫梁中間的加強(qiáng)筋還發(fā)現(xiàn),橫梁中間的加強(qiáng)筋幾乎不承受應(yīng)力。

3 橫梁結(jié)構(gòu)改進(jìn)及尺寸優(yōu)選

   (1)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

通過以上分析,可以看出:傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中所使用的加強(qiáng)筋并沒有起到加強(qiáng)橫梁剛度的作用。因此本文作者去掉了中間了加強(qiáng)筋同時將橫梁兩側(cè)的側(cè)板合并到中間位置,在其兩側(cè)加上必要的倒角。其刨面結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

使用與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同的方法,在Solidwork 中建立模塑。添加與之前相同的約束和載荷及網(wǎng)格并進(jìn)行分析計算。其Y 向位移如圖7 所示。

從圖解中可以看出:與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比,改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)不但橫梁的總體質(zhì)量為: 2593.69kg,比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)輕,而其關(guān)鍵的橫梁中心位置的Y 向位移為0.17mm ,比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)要小得多。

基于COSMOS 的橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析+有限元項目服務(wù)資料圖圖片7

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   (2) 結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)選

從國7 中還可以看出:其寬度L 與倒角半徑R 是影響橫梁受力特性的主要因素。跟據(jù)橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的需要,其中L≤180mm, R ≤(400-L)/2 mm。分別通過在-維空間內(nèi)分別使用橫梁相應(yīng)的L 及R 尺寸,得出橫梁中心位置的Y 向最大輸出及橫梁質(zhì)量關(guān)系如表2所示。

圖8 反映了橫梁Y 向位移與橫梁質(zhì)量之間的關(guān)系,從圖表中可以看出,當(dāng)橫梁Y 向位移小于0.160mm 時,橫梁總重隨線性增長當(dāng)橫梁Y 向位移大于O.163mm 時,橫梁總重增長最快;當(dāng)橫梁Y 向位移介0.163-0.160 之間時,橫梁總重出現(xiàn)了非線性關(guān)系。這主要是因為當(dāng)橫梁底寬在L 120mm 左右時,橫梁倒角承擔(dān)的應(yīng)力與橫梁底部承擔(dān)的應(yīng)力相當(dāng)。根據(jù)橫梁結(jié)構(gòu)特點,筆者優(yōu)選橫梁Y 向位移為O.16mm,總重為2959kg 時對應(yīng)的橫梁尺寸。查表2可以得出,此時橫梁可以有兩組尺寸組合,一組為:L=1OOmm,R=BOmm; 另一組為:L=130mm,R=100mm。根據(jù)橫梁結(jié)構(gòu)特點,橫梁底部寬度L 越小,則橫梁下方安裝絲杠和轉(zhuǎn)鈾的空間越大。所以優(yōu)選第一組數(shù)據(jù),即: L= l00mm, R=130mm。

基于COSMOS 的橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析+有限元項目服務(wù)資料圖圖片9

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4 結(jié)論

本文作者通過使用Solidworks 建模及其自帶的COSMOSIWorks 有限元分析模塊對橫梁進(jìn)行靜態(tài)分析,極大地將少了使用傳統(tǒng)的ANSYS、NASTRAN 等有限元分析軟件所要花費的建模時間,可以快速地對多組方案進(jìn)行分析比較。通過分析,筆者發(fā)現(xiàn):傳統(tǒng)石材加工機(jī)械所使用的橫梁結(jié)構(gòu)并不能很好地加強(qiáng)橫梁的強(qiáng)度。通過對改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)分析,筆者獲得了一組橫梁尺寸的最佳設(shè)計方法,即其橫梁底部寬L=100mm,倒角R=130,其橫梁總重為2959kg,橫梁Y向最大位移為0.16mm。

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