使用COSMOS對(duì)裝箱翻包機(jī)進(jìn)行仿真分析

2013-05-07 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來(lái)源:仿真在線

裝箱翻包機(jī)工況受力復(fù)雜,借助仿真分析軟件COSMOS,從運(yùn)動(dòng)仿真入手,得到有限元分析所需的準(zhǔn)確的邊界條件與約束;在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了回轉(zhuǎn)架有限元分析,結(jié)果表明,其危險(xiǎn)區(qū)域并非對(duì)稱(chēng)分布。最后,應(yīng)用材料的 S-N 曲線和名義應(yīng)力法理論,估算出的回轉(zhuǎn)架疲勞壽命與實(shí)際使用壽命接近。

裝箱翻包機(jī)是物流成套裝備中的重要設(shè)備之一,而回轉(zhuǎn)架是其主要的工作部件,其工作過(guò)程是:貨物傳輸?shù)交剞D(zhuǎn)架底部后,油缸的作用力使回轉(zhuǎn)架繞軸承軸線旋轉(zhuǎn) 90°,實(shí)現(xiàn)貨物的裝箱翻包,貨物移走,油缸回行,帶動(dòng)回轉(zhuǎn)架回轉(zhuǎn),回到初始位置,進(jìn)行下一個(gè)貨物傳送。我公司某型號(hào)的裝箱翻包機(jī)生產(chǎn)能力為 45 箱/小時(shí),每箱 300kg。在實(shí)際運(yùn)行工作中,由于回轉(zhuǎn)架受到交變的循環(huán)應(yīng)力,容易產(chǎn)生疲勞斷裂,因此,有必要借助先進(jìn)的數(shù)字模擬分析技術(shù)對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,并為設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)?；剞D(zhuǎn)架數(shù)字模擬的難點(diǎn)在于有限元分析所需的邊界條件及約束難以合理的確定。

    1 分析方案

    1. 1 分析工具的選擇

    翻包機(jī)回轉(zhuǎn)架的數(shù)字模擬主要指運(yùn)動(dòng)仿真及有限元分析。目前,大型通用有限元分析軟件在汽車(chē)、航空、機(jī)械、材料等許多行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用,其中最為著名的有:ANSYS、NASTRAN、ABAQUS 以及 HYPERWORKS 等。這些軟件雖然功能強(qiáng)大,但都價(jià)格不菲,并存在對(duì)工程師要求高的缺點(diǎn)。在翻包機(jī)回轉(zhuǎn)架的分析中,筆者采用 COSMOS 系列軟件,這是因?yàn)槿缦略颉?BR>
    1)作為裝機(jī)量最大的有限元分析軟件,COSMOS有限元技術(shù)易學(xué)易用,能夠在普通的 PC 機(jī)上運(yùn)行,不需要專(zhuān)業(yè)的有限元經(jīng)驗(yàn)。

    2)作為世界上最快的有限元分析軟件,COSMOS采用 FFE(Fast finite Element)技術(shù),使復(fù)雜耗時(shí)的工程分析時(shí)間大大縮短。傳統(tǒng)的方法在分析裝配體時(shí)是先把零件拆散,然后一個(gè)個(gè)分別處理,耗時(shí)耗力,又存在計(jì)算結(jié)果不精確的缺點(diǎn)。COSMOS 提供了多場(chǎng)/ 多組件的復(fù)雜裝配分析,使得分析能夠更好地模擬真實(shí)的對(duì)象,結(jié)果也就更精確。

    3)COSMOS 主要功能模塊如 CosmosWorks、CosmosMotion 作為標(biāo)準(zhǔn)插件無(wú)縫集成在 SolidWorks 中。CosmosWorks 提供靜力分析、熱分析、頻率分析、設(shè)計(jì)優(yōu)化等功能,能夠滿足一般的工程分析需要。CosmosMotion 是一個(gè)全功能運(yùn)動(dòng)仿真軟件,它可以對(duì)復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行完整的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真分析,自動(dòng)劃分系統(tǒng)中的零件運(yùn)動(dòng)類(lèi)型及運(yùn)動(dòng)副情況,得到系統(tǒng)中各零、部件的運(yùn)動(dòng)情況,包括位移、速度、加速度和作用力及反作用力等。最為重要的是,它還可將零、部件在復(fù)雜運(yùn)動(dòng)情況下的復(fù)雜載荷情況直接輸出到 CosmosWorks 等主流有限元分析軟件中,以作出正確的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)分析。

    1. 2 分析方案的確定

    翻包機(jī)工況是一個(gè)運(yùn)動(dòng)反復(fù)的過(guò)程,屬于結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)范疇,如果用靜力學(xué)分析將與真實(shí)工況產(chǎn)生較大的誤差。所以,在確定分析方案時(shí)要綜合考慮其運(yùn)動(dòng)分析、有限元分析以及疲勞分析等方面的因素。因此,確定其分析方案流程如圖1 所示。
    使用COSMOS對(duì)裝箱翻包機(jī)進(jìn)行仿真分析+有限元仿真分析相關(guān)圖片圖片1

    圖 1 表明,用 SolidWorks 建立回轉(zhuǎn)架的幾何模型,在 CosmosMotion 中建立運(yùn)動(dòng)關(guān)系并施加作用力進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真,得到其構(gòu)件的受力,這些力將作為 CosmosWorks 中進(jìn)行有限元分析和疲勞分析的載荷與約束條件,最終的分析結(jié)果作為改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論依據(jù)。
2 回轉(zhuǎn)架有限元模型的建立

    2. 1 回轉(zhuǎn)架幾何模型

    回轉(zhuǎn)架長(zhǎng) 3150mm,寬 2382mm,高 2105mm,整個(gè)結(jié)構(gòu)大部分采用角鋼和 120mm × 120mm × 5mm 的方鋼管。根據(jù)回轉(zhuǎn)架的結(jié)構(gòu)特征,進(jìn)行幾何實(shí)體建模前,需對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行一些合理的簡(jiǎn)化,一些小的細(xì)節(jié)可不必在模型中體現(xiàn),這并不影響分析所要求的精度。建模過(guò)程中,采用由下向上的方式,考慮到焊接接觸的特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)實(shí)際使用過(guò)程中破壞的位置,將結(jié)構(gòu)中的焊接件處理為一個(gè)完整的零件。此外,為了控制解題模型規(guī)模,簡(jiǎn)化建模,在保證分析精度的前提下,略去了對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度影響甚小的圓角與倒角,對(duì)焊接過(guò)渡部分也略去不計(jì)。采用 SolidWorks 建立的回轉(zhuǎn)架幾何模型如圖 2 所示。
    使用COSMOS對(duì)裝箱翻包機(jī)進(jìn)行仿真分析+有限元仿真分析相關(guān)圖片圖片2

完成實(shí)體建模進(jìn)入 CosmosMotion 后,系統(tǒng)能根據(jù)模型的 CAD 裝配條件自動(dòng)建立運(yùn)動(dòng)關(guān)系,根據(jù)實(shí)際情況,按照表 1 進(jìn)行調(diào)整。
使用COSMOS對(duì)裝箱翻包機(jī)進(jìn)行仿真分析+有限元仿真分析相關(guān)圖片圖片3

    運(yùn)動(dòng)仿真能得到回轉(zhuǎn)架在工作過(guò)程中的角速度、角加速度以及反作用力等。分析結(jié)果表明,在翻轉(zhuǎn)過(guò)程中,回轉(zhuǎn)架的受力情況是比較復(fù)雜的,既有貨物和結(jié)構(gòu)本身的重力,又有由于加速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力;同時(shí),這些力由于結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng),對(duì)結(jié)構(gòu)的作用結(jié)果還是不斷變化的。

    2. 2 回轉(zhuǎn)架有限元模型

    運(yùn)動(dòng)分析完成后,將得到約束邊界條件載入 CosmosWorks 中,根據(jù)表 2 建立有限元模型。
    使用COSMOS對(duì)裝箱翻包機(jī)進(jìn)行仿真分析+有限元仿真分析相關(guān)圖片圖片4

2. 2. 1 材料的屬性

    材料選取低碳結(jié)構(gòu)鋼 Q235,該材料的彈性模量 E= 2. 1 × 105GPa,泊松比 = 0. 3,屈服極限 σ =235MPa,密度 = 7. 85 × 103kg/ m3。

    2. 2. 2 網(wǎng)格的劃分

    網(wǎng)格越小精度越高,但隨著網(wǎng)格的不斷細(xì)化,應(yīng)力的增長(zhǎng)趨于緩慢,并向某定值靠近,由此可大致確定真實(shí)應(yīng)力的取值。因此,在回轉(zhuǎn)架網(wǎng)格劃分時(shí),最好結(jié)合局部細(xì)化功能并考慮應(yīng)力集中的影響。由于回轉(zhuǎn)架結(jié)構(gòu)中大量采用方鋼管和角鋼,其長(zhǎng)度、寬度尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于厚度的尺寸,所以在網(wǎng)格劃分時(shí)很多部位必須手動(dòng)控制單元尺寸,在應(yīng)力集中處、焊接結(jié)構(gòu)處以及重要的地方使用較密的網(wǎng)格,其他地方盡量使用較稀的網(wǎng)格。回轉(zhuǎn)架網(wǎng)格劃分結(jié)果,共 97778個(gè) 節(jié) 點(diǎn),51845個(gè)單元,293334個(gè) D. O. F。建立的有限元模型如圖3 所示。
    使用COSMOS對(duì)裝箱翻包機(jī)進(jìn)行仿真分析+有限元仿真分析相關(guān)圖片圖片5
    2. 2. 3 載荷與約束的處理

    載荷和約束施加與工程實(shí)際是否吻合直接影響到分析結(jié)果的正確性、合理性。在實(shí)際工作中,只需分析最不利工況即最大載荷、最大幅度的工況即可。在CosmosWorks 中,載荷與約束直接在幾何模型上加載,在求解時(shí)自動(dòng)轉(zhuǎn)換到有限元模型上。由于載荷由 CosmosMotion 中直接傳入,不需要額外的調(diào)整,而約束是采用"慣性卸載"。"慣性卸載"是將動(dòng)態(tài)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為靜態(tài)問(wèn)題求解的一種方法,其含義是:如果物體沒(méi)有被充分約束,微小的力將使其產(chǎn)生加速度 a,系統(tǒng)將對(duì)每一個(gè)單元自動(dòng)應(yīng)用慣性力 ma 以抵消外部不平衡的力,從而使物體處于平衡靜態(tài)位置。

    3 應(yīng)力分析結(jié)果

    應(yīng)力分析結(jié)果表明:結(jié)構(gòu)應(yīng)力并非對(duì)稱(chēng)分布,危險(xiǎn)面位于回轉(zhuǎn)架前面,整個(gè)結(jié)構(gòu)所受最大 Mises 等效應(yīng)力為 175MPa,處于回轉(zhuǎn)軸上和軸承連接處,應(yīng)力分布云圖如圖 4 所示。圖 5 所示是回轉(zhuǎn)架前邊線和后邊線的結(jié)果比較。

使用COSMOS對(duì)裝箱翻包機(jī)進(jìn)行仿真分析+有限元仿真分析相關(guān)圖片圖片6

使用COSMOS對(duì)裝箱翻包機(jī)進(jìn)行仿真分析+項(xiàng)目圖片圖片7

    通過(guò)應(yīng)力云圖,設(shè)計(jì)者能很方便地找到應(yīng)力危險(xiǎn)區(qū)以及結(jié)構(gòu)中剛度薄弱的部位,為進(jìn)一步改善回轉(zhuǎn)架結(jié)構(gòu)的受力情況、改進(jìn)結(jié)構(gòu),減小回轉(zhuǎn)架的重量及減小設(shè)計(jì)余量提供了理論依據(jù)。
4 疲勞分析結(jié)果

    如果交變載荷是隨機(jī)的,疲勞與壽命分析應(yīng)該在頻域上進(jìn)行,反之則是在時(shí)域上進(jìn)行的。翻包機(jī)回轉(zhuǎn)架并非受隨機(jī)載荷,屬于時(shí)域范疇。其疲勞分析應(yīng)從結(jié)構(gòu)響應(yīng)的時(shí)間歷程中得到應(yīng)力循環(huán),再采用合適的損傷理論---金屬材料的名義應(yīng)力法進(jìn)行損傷分析。使用名義應(yīng)力法估算結(jié)構(gòu)疲勞壽命的基本前提是已知與結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中系數(shù)相近的 S-N 曲線,并且在疲勞載荷作用下,結(jié)構(gòu)基本上處于彈性范圍。在 ANSYS 的高級(jí)疲勞包 FE-SAFE 中查得 Q235 的 S-N 曲線值如表 3所示。
    使用COSMOS對(duì)裝箱翻包機(jī)進(jìn)行仿真分析+項(xiàng)目圖片圖片8

    從回轉(zhuǎn)架的工況來(lái)看,其應(yīng)力循環(huán)比為 0。綜合考慮回轉(zhuǎn)架結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)部位的名義應(yīng)力譜和應(yīng)力集中系數(shù) KT、表面粗糙度、尺寸效應(yīng)和加載類(lèi)型等因數(shù),修正得到回轉(zhuǎn)架構(gòu)件的 S-N 曲線。在本例中,考慮以下因子的取值:加載類(lèi)型因子(CL =0. 85)表面粗糙度因子(KS = 0. 9);尺寸效應(yīng)因子(CS =0. 85)。在 COSMOS 中進(jìn)行疲勞分析,插值求得其破壞循環(huán)數(shù)?；剞D(zhuǎn)架每小時(shí)運(yùn)貨能力為 45 箱,如果每個(gè)工作日按 16h 計(jì)算,則回轉(zhuǎn)架壽命為 1256 個(gè)工作日與實(shí)際統(tǒng)計(jì)平均的情況比較吻合。

    5 結(jié)語(yǔ)

    本文借助 COSMOS 系列軟件,從翻包機(jī)回轉(zhuǎn)架運(yùn)動(dòng)仿真開(kāi)始,解決了單純借助有限元分析工具難以確定邊界條件的問(wèn)題,真實(shí)地模擬了回轉(zhuǎn)架工作這一動(dòng)態(tài)過(guò)程的受力情況。由于油缸作用力并非加在回轉(zhuǎn)軸的中心而是靠前(如圖 2 所示),所以在回轉(zhuǎn)架的動(dòng)態(tài)響應(yīng)中,前面的軸承及方鋼管受力大,是危險(xiǎn)的區(qū)域所在。最后,在應(yīng)力分析的基礎(chǔ)上,還預(yù)測(cè)了結(jié)構(gòu)的疲勞壽命,為回轉(zhuǎn)架結(jié)構(gòu)的改進(jìn)提供了理論依據(jù)。本文提供的研究方案可操作性強(qiáng),對(duì)工程應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。

作者: 陳猛謝軍華閔定勇來(lái)源: 萬(wàn)方數(shù)據(jù)
關(guān)鍵字: 翻包機(jī)回轉(zhuǎn)架數(shù)字模擬有限元分析疲勞

開(kāi)放分享：優(yōu)質(zhì)有限元技術(shù)文章,助你自學(xué)成才