CAE在采樣頭設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2013-06-07  by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM  來源:仿真在線

本文針對(duì)某種型號(hào)的懸臂式采樣頭在設(shè)計(jì)過程中涉及的抵抗變形的能力及其破冰能力,對(duì)其進(jìn)行不同工況下的有限元分析。在進(jìn)行應(yīng)力分析的基礎(chǔ)上,利用第三強(qiáng)度理論,對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度進(jìn)行校核,進(jìn)而指導(dǎo)了設(shè)計(jì)的改進(jìn)。
作者: 姜峰 賀成柱    來源: e-works
關(guān)鍵字: CAE ansys 懸臂式采樣頭 強(qiáng)度理論 變形 破冰 

1 引言
20世紀(jì)70年代以來,我國(guó)煤質(zhì)分析制樣和分析化驗(yàn)的儀器設(shè)備已經(jīng)發(fā)展到相當(dāng)規(guī)模,不僅種類齊全,而且正逐步實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,有的已經(jīng)達(dá)到國(guó)際水平。但在機(jī)械化采樣和機(jī)械化制樣聯(lián)合系統(tǒng)方面仍發(fā)展緩慢。懸臂式采制樣設(shè)備是為解決上述問題由我院自行研制的一套適用于電廠、煤礦的機(jī)械化采制樣系統(tǒng)。
2 結(jié)構(gòu)的有限元模型的建立
結(jié)構(gòu)的主體是采樣頭的懸臂,可以看作是梁結(jié)構(gòu),本文從計(jì)算結(jié)果的精確性和仿真的方便,對(duì)該部分采用ANSYS軟件自帶的BEAM3單元,該單元是具有拉伸、壓縮和彎曲功能的單軸單元,具有X和Y方向兩個(gè)平移自由度和繞Z軸的一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度,并具有計(jì)算應(yīng)力剛化,大變形和單元生死的功能。
在整體建模中,單元的合理連接與節(jié)點(diǎn)自由度的合理匹配與否,將直接影響模型的受力和傳力特征。在結(jié)構(gòu)中單元和單元之間的連接采用ANSYS提供的節(jié)點(diǎn)耦合方式,強(qiáng)制兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的平動(dòng)自由度一致,而釋放轉(zhuǎn)動(dòng)自由度,從而實(shí)現(xiàn)鉸接關(guān)系。

 
圖1 懸臂機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化圖

對(duì)于文中采用的BEAM3單元,需要輸入的實(shí)常數(shù)有截面的面積,截面的慣性矩和等效高度。由于BEAM3單元不具備截面定義的功能,對(duì)于本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)定義的特殊的截面形狀,通過材料力學(xué)的知識(shí)計(jì)算該截面的慣性矩進(jìn)行等效。
對(duì)于結(jié)構(gòu)的邊界條件的處理。液壓油缸與一節(jié)臂之間,一節(jié)臂與二節(jié)臂之間,二節(jié)臂與采樣頭之間采用接點(diǎn)耦合的方式強(qiáng)制兩個(gè)平動(dòng)自由度一致,而釋放銷軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度,實(shí)現(xiàn)鉸接關(guān)系。一節(jié)臂的下端與液壓油缸的下端采用鉸支約束。采樣頭的末端采用固支約束。為了計(jì)算采樣頭的破冰能力,將結(jié)構(gòu)上部的液壓油缸(圖1中虛線所示)拆除,將其作用力等效到結(jié)構(gòu)上,等效的作用力大小為(1)
其中(2)
本文的強(qiáng)度校核就采用上式的方式進(jìn)行檢驗(yàn)。本結(jié)構(gòu)采樣頭的懸臂采用16Mn鋼材料,其屈服極限為σ_s=345MPa。
4 結(jié)構(gòu)整體的分析結(jié)果
4.1 遠(yuǎn)點(diǎn)采樣時(shí)分析結(jié)果。

表1 結(jié)構(gòu)各單元的最大應(yīng)力(單位:MPa)

表2 結(jié)構(gòu)各單元的最小應(yīng)力(單位:MPa)

此時(shí)

4.2 近點(diǎn)采樣時(shí)分析結(jié)果

表3 結(jié)構(gòu)各單元的最大應(yīng)力(單位:MPa)

表4 結(jié)構(gòu)各單元的最小應(yīng)力(單位:MPa)

此時(shí)

圖2 截面B-B增強(qiáng)后的截面形狀
表5 改進(jìn)后近點(diǎn)采樣結(jié)構(gòu)各單元的最大應(yīng)力(單位:MPa)

表6 改進(jìn)后近點(diǎn)采樣結(jié)構(gòu)各單元的最小應(yīng)力(單位:MPa)

此時(shí)

對(duì)于采樣頭的破冰能力如表7所示,ANSYS計(jì)算的數(shù)據(jù)顯示遠(yuǎn)點(diǎn)采樣時(shí)折合為1121.9kg,近點(diǎn)采樣時(shí)折合為1512.3kg,二者的破冰能力均在1噸以上。
對(duì)于結(jié)構(gòu)在進(jìn)行遠(yuǎn)點(diǎn)采樣時(shí)的整體抵抗變形的能力也很強(qiáng),計(jì)算的結(jié)構(gòu)在極限受力狀態(tài)下的變形對(duì)于整個(gè)結(jié)構(gòu)來說完全可以忽略不計(jì)。
5 結(jié)論與建議
對(duì)截面B-B進(jìn)行截面的改進(jìn),使采樣頭均能滿足遠(yuǎn)點(diǎn)采樣和近點(diǎn)采樣時(shí)的強(qiáng)度要求;在分析中可以發(fā)現(xiàn),采樣頭的破冰能力和在進(jìn)行采樣時(shí)的整體抵抗變形的能力是比較強(qiáng)的。

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