搜索Cosmosworks的強(qiáng)度有限元分析
2013-06-08 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
為研究深松鏟的強(qiáng)度特性,減少深松作業(yè)時(shí)的故障,應(yīng)用Solidworks建立了深松鏟的三維幾何模型,用Cosmos對深松鏟進(jìn)行了三維有限元分析,得到深松鏟在工作載荷下的變形和應(yīng)力大小,找出了深松鏟的強(qiáng)度薄弱環(huán)節(jié)。結(jié)果表明,深松鏟的最大應(yīng)力為5.55x108N/m2,最大扭曲位移為12.84mm.對深松鏟進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì),加強(qiáng)了深松鏟與機(jī)架的連接。應(yīng)用Cosmos進(jìn)行分析,表明改進(jìn)后深松鏟的強(qiáng)度和剛度均得到提高。
作者: 牛彥*王瑞麗*毛昆 來源: 萬方數(shù)據(jù)
關(guān)鍵字: 深松鏟 有限元分析 強(qiáng)度
深松鏟是深松機(jī)的主要工作部件,在深松作業(yè)時(shí)承受復(fù)雜、隨機(jī)變化的沖擊載荷,是深松機(jī)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。傳統(tǒng)的類比設(shè)計(jì)方法是在經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的,對深松鏟的結(jié)構(gòu)和尺寸以及載荷的設(shè)計(jì)都不夠精確。有限元法是一種在工程分析中常用的解決復(fù)雜問題的近似數(shù)值分析方法,以其在機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度分析方面具有較高的計(jì)算精度而得到普遍應(yīng)用,特別是在材料應(yīng)力、應(yīng)變的線性范圍內(nèi)更是如此。
本文對研制的深松鏟進(jìn)行了有限元強(qiáng)度分析,研究的結(jié)果為深松鏟的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。
1 深松鏟有限元分析模型
定義以鏟尖方向?yàn)閄方向,豎直向上為Y方向,垂直于鏟柱面為Z方向,原點(diǎn)為深松鏟的鏟尖中線與鏟尖前下端線的交點(diǎn)。
1.1 模型的建立
用Solidworks軟件建立深松鏟的三維模型,如圖1所示,主要由鏟尖、左翼、右翼、鏟尖立板、鏟柱、螺栓、螺母構(gòu)成。為了研究深松鏟的強(qiáng)度特性,計(jì)算工作載荷下的應(yīng)力和變形,把模型進(jìn)行簡化和抽象,忽略一些圓角、螺絲孔、很小的實(shí)體。
1.2載荷的確定
深松鏟所受載荷的測定是在沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)土壤一機(jī)器系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的土槽試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行的。土槽試驗(yàn)臺(tái)長25 m、寬1.8 m、作業(yè)土層深度0.5 m,有兩道混凝土墻夾成,試驗(yàn)時(shí)帶有測試儀器設(shè)備的牽引車牽引著該收獲裝置在混凝土墻上行走,深松鏟作業(yè)時(shí)模擬田間收獲作業(yè)時(shí)的所受載荷。
土槽牽引車主要由驅(qū)動(dòng)部分、行走和制動(dòng)部分、液壓懸掛部分、電力控制部分、測試系統(tǒng)、動(dòng)力輸出部分等組成。
深松鏟為對稱式工作部件,為了測定深松鏟作業(yè)時(shí)的水平受力和垂直受力,研制了懸掛架式平面力系測定裝置,如圖2所示。連接機(jī)架與土槽臺(tái)車的懸掛架相連。測力裝置的兩個(gè)機(jī)架通過拉壓傳感器連接在一起。通過各阻力分量作用于傳感器的微量變形:測定平面力系的各個(gè)分量。
適用于對稱式耕作機(jī)具,如中耕機(jī)、深松鏟等平面力系的測定。試驗(yàn)時(shí),測力架要求調(diào)整到與地面保持水平的位置。測力框架傳感器的標(biāo)定采用靜態(tài)標(biāo)定法,在拉壓傳感器的主應(yīng)力方向加載荷,標(biāo)定三個(gè)拉壓傳感器的標(biāo)定系數(shù)分別為1610 N/mV(0.7T傳感器)、1127 N/mV(0.5T傳感器)和1 495N/mV(1T傳感器)。
土槽內(nèi)土壤的整理是試驗(yàn)的重要部分,為了使土壤參數(shù)符合試驗(yàn)要求,采用土壤整理設(shè)備對土壤進(jìn)行必要的整理,以保證土壤的兩個(gè)重要參數(shù):含水率和堅(jiān)實(shí)度符合試驗(yàn)的要求。土壤質(zhì)地為壤土,土質(zhì)均勻,土壤含水量為12%.
在土壤深松深度為25 cm,土槽臺(tái)車前進(jìn)速度為l m/s時(shí),對深松鏟進(jìn)行作業(yè)阻力的測定。試驗(yàn)測定深松鏟的受力變化曲線如圖3所示。對深松鏟進(jìn)行受力分析得到深松鏟作業(yè)時(shí)的平均水平受力為l 202 N,平均垂直受力為1 913 N.
2深松鏟的靜態(tài)分析
用Solidworks/Cosmos軟件對深松鏟做靜態(tài)分析,目的是分析深松鏟在作業(yè)載荷下的變形和應(yīng)力大小,校核深松鏟的強(qiáng)度,以進(jìn)一步優(yōu)化深松鏟的結(jié)構(gòu)。
設(shè)計(jì)深松鏟的材料屬性如表1所示。根據(jù)深松作業(yè)的實(shí)際情況,和土槽試驗(yàn)的結(jié)果,固定鏟柱的上端面,在鏟尖施加水平力1202N * l.5 = 1800 N和垂直力1 913N * l.5= 2870 N.
對深松鏟進(jìn)行實(shí)體網(wǎng)格的劃分,如圖1所示,節(jié)點(diǎn)數(shù)為9 1159個(gè)。用Solidworks/Cosmos軟件進(jìn)行靜態(tài)研究,結(jié)果表明深松鏟在此載荷作用下,產(chǎn)生的最小應(yīng)力為693.234 N/m2,發(fā)生在深松鏟尖立板的上端部。最大應(yīng)力為5.55x108 N/m2,發(fā)生在右翼的前端部。深松鏟靜態(tài)節(jié)應(yīng)力變化如圖4所示。分析結(jié)果表明最小應(yīng)變?yōu)?.6x10-9,發(fā)生在鏟柱的上面端部。最大應(yīng)變?yōu)?.5x10-3,發(fā)生在右翼的前端部。在鏟尖施加水平力1 800N和垂直力2 870N時(shí),產(chǎn)生的最大位移為3.44 mm,在深松鏟尖的頭部,變形比例為21.86,最小安全系數(shù)為0.87,在深松鏟尖的中部;最大為100,在深松鏟尖的后部。
3深松鏟的扭曲分析
細(xì)長模型在軸載荷下趨向于扭曲變形。對深松鏟進(jìn)行扭曲分析,根據(jù)深松作業(yè)的實(shí)際情況,和土槽試驗(yàn)的結(jié)果,固定鏟柱的上端面,在鏟尖施加水平力1202N * l.5 = l800 N和垂直力1913N * l.5 = 2870N.深松鏟的扭曲位移和變形情況如圖5所示。
深松鏟的最大扭曲位移為12.84,發(fā)生在第60l節(jié),在深松鏟尖的頭部。載荷因子為一2.7832,變形比例為4.75,為非預(yù)期的扭曲,當(dāng)在深松鏟上反向施加27832 * 1800 = 5010 N的水平力和2.7832 * 2870 = 7988 N的豎直力時(shí),深松鏟會(huì)發(fā)生圖5所示的扭曲。
4深松鏟的改進(jìn)設(shè)計(jì)
從對深松鏟的靜態(tài)分析和扭曲分析可以看出,在深松作業(yè)時(shí),由于作業(yè)阻力比較大,深松鏟會(huì)承受較大的應(yīng)力,發(fā)生變形。為了增加深松鏟的剛度,對深松鏟進(jìn)行了結(jié)構(gòu)上的改進(jìn),設(shè)計(jì)了深松鏟和機(jī)架相連接的部件,形成深松機(jī)單體上的深松鏟總成。如圖6所示。
對深松鏟總成進(jìn)行網(wǎng)格劃分,根據(jù)深松作業(yè)的實(shí)際情況,和土槽試驗(yàn)的結(jié)果,固定鏟柱連接板的上端面,在鏟尖施加水平力l202N * l.5 = 1800 N和垂直力1913N * l.5= 2870 N.對深松鏟總成進(jìn)行靜態(tài)分析、扭曲分析和模態(tài)分析,從分析結(jié)果來看,深松鏟總成產(chǎn)生的最大應(yīng)力為4.2 * 108 N/m2,在右翼的前端部。最大應(yīng)變?yōu)?.6x10-4,發(fā)生在右翼的前端部。最大位移為2.33 mm,在深松鏟的頭部。與改進(jìn)前相比都要不同程度的減小。說明深松鏟的強(qiáng)度和剛度得到提高。
4 結(jié)束語
利用三維建模和有限元分析軟件對深松鏟進(jìn)行了建模和靜態(tài)、扭曲、模態(tài)分析,確定了深松鏟在作業(yè)時(shí)的應(yīng)力和應(yīng)變的分布圖。對深松鏟的扭曲變化進(jìn)行了分析。同時(shí),對深松鏟結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn),改進(jìn)后的深松鏟在固定載荷下產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變和位移都有所降低,固有頻率有所提高。本文的分析結(jié)果為深松部件的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。
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