SolidWorks大型鍛壓機(jī)上橫梁建模與應(yīng)力分析

2013-08-01 by:廣州Solidworks培訓(xùn)中心來源:仿真在線

1 前言

上橫梁是大型鍛壓機(jī)的關(guān)鍵零部件之一,上橫梁?jiǎn)渭亓客_(dá)上百噸,甚至幾百噸。由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,如果不借助應(yīng)用于計(jì)算機(jī)技術(shù)的三維建模軟件和高效的有限元分析軟件很難定性、定量地分析出其外部殼體及內(nèi)部筋板的受力情況和變形情況,也無法驗(yàn)證出其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性、合理性。

SolidWorks作為一種主流的三維設(shè)計(jì)軟件,操作簡(jiǎn)便,功能強(qiáng)大,在參數(shù)化特征造型、曲面造型和機(jī)械裝配功能方面尤為突出。COSMOSXpress是SolidWorks中提供的用于零件應(yīng)力有限元分析的高效工具,具有計(jì)算速度快、占用磁盤空間少、使用方便、分析功能全面、與其他CAD/CAE軟件集成性好等優(yōu)點(diǎn)。

使用COSMOSXpress可以在三維設(shè)計(jì)環(huán)境中對(duì)零件應(yīng)力分布情況有直觀的了解,對(duì)設(shè)計(jì)的缺陷和薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行及時(shí)的修改,提高設(shè)計(jì)質(zhì)量及零件的可靠性。

2 上橫梁的結(jié)構(gòu)

上橫梁位于鍛壓機(jī)主機(jī)頂端,在梁的四個(gè)角上是壓機(jī)的四個(gè)立柱插入孔,上橫梁裝在立柱上通過螺母壓緊,梁中部是三個(gè)主工作缸安裝孔。整個(gè)梁的結(jié)構(gòu)俯視完全呈對(duì)稱結(jié)構(gòu),這種布置使梁在工作狀態(tài)下其內(nèi)部力的傳遞分布更合理。

3 上橫梁的精確建模

建立上橫梁三維模型時(shí),由于后面還要根據(jù)應(yīng)力分析結(jié)果對(duì)零件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),在優(yōu)化過程中對(duì)尺寸參數(shù)可能要作多次的修改,所以在造型的過程中必須對(duì)零件建模草圖的幾何約束和尺寸約束作完全定義,使得某個(gè)結(jié)構(gòu)特征的尺寸修改后,其它相關(guān)聯(lián)尺寸將隨著這個(gè)尺寸的改變而改變,系統(tǒng)將隨之生成具有所需足寸的相關(guān)特征,實(shí)現(xiàn)三維設(shè)計(jì)的尺寸驅(qū)動(dòng)。對(duì)于具有對(duì)稱性特征的零件在建模時(shí)只需要做零件的一部分,然后用實(shí)體鏡像完成。

在鍛壓機(jī)上橫梁建模過程中,對(duì)零件的草圖尺寸作完全定義,方便在后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí),只需修改尺寸,就可以很快得到新尺寸的零件。該件具有對(duì)稱特征,開始建模的時(shí)候只需要做出四分之一建模草圖,再通過拉伸、放樣、切除等做出梁的四分之一模型,最后通過鏡像操作完成。

4 上橫梁的應(yīng)力分析

4.1 上橫粱應(yīng)力分析假設(shè)條件

SolidWorks中的COSMOSXpress是根據(jù)有限元法,采用線性靜態(tài)分析,在線性假定、彈性假定和靜態(tài)假定條件下計(jì)算零件中的應(yīng)力。

傳統(tǒng)分析主桀及橫粱結(jié)構(gòu)多采用ANSYS中的Shell63定義單元格,但是其殼體模型只能用面體代替,并且部件中的過度圓角很難體現(xiàn)出來,不利于準(zhǔn)確分析橫梁的靜應(yīng)力。上橫粱的箱形結(jié)構(gòu)采用單一材料,受力變形屬于線彈性靜態(tài)工作狀態(tài),能很好地滿足COSMOSXpress的使用條件。在單元?jiǎng)澐謺r(shí),默認(rèn)使用原模型實(shí)體材料屬性,并且采用邊界和面結(jié)構(gòu)可以靈活改變的四面體單元,使得分析結(jié)果更加可靠。模型可以細(xì)分成小的網(wǎng)格塊。另外,COSMOSXpress與大多有限元軟件—樣采用等效應(yīng)力(綜合應(yīng)力)和綜合位移法,兼容彎曲強(qiáng)度和剛度的所有要求,并使結(jié)果更加明了準(zhǔn)確。

4.2 上橫粱工作狀態(tài)下的約束與載荷

大型鍛壓機(jī)的上、下粱和壓套通過各粱上對(duì)稱分布的四個(gè)通孔用拉桿和螺母等預(yù)應(yīng)力聯(lián)接,構(gòu)成閉合框架。鍛壓機(jī)工作時(shí),四根拉桿制約了上下粱間的相對(duì)變形,所以上橫粱的約束面選在與壓套插入部分及螺母墊圈的接觸面。鍛壓機(jī)鐓粗時(shí)上橫粱的載荷逐漸增加到最大,載荷通過三個(gè)主工作缸傳遞到上橫梁,因此載荷應(yīng)加載在主工作缸與上橫粱接觸的法蘭端面。

4.3 應(yīng)力的有限元分析過程

(1)選項(xiàng)設(shè)置。包括材料、載荷和結(jié)果的單位體系等的設(shè)置。材料設(shè)置,從材料庫或用戶自定義的材料庫中選出材料,本設(shè)計(jì)中選擇鑄造合金鋼,彈性模量210GPa,泊松比0.3,抗剪模量81GPa,熱擴(kuò)張系數(shù)5e-006,密度0.00785g/mm3,張力強(qiáng)度490MPa,屈服力295MPa;約束設(shè)置,選擇上橫粱與壓套插入部分及螺母墊圈的接觸面;載荷設(shè)置,指定產(chǎn)生零件應(yīng)力或?qū)е铝慵冃蔚耐獠枯d荷,如力或壓力,本倒加載的三個(gè)工作缸各自的最大工作壓力是23760kN。

(2)分析。開始運(yùn)行分析程序,可以設(shè)置零件網(wǎng)格的劃分程度,網(wǎng)格化分越小結(jié)果越精確,但相應(yīng)的對(duì)硬件資源的要求也越高,分析計(jì)算的時(shí)間也增加,本例網(wǎng)格化分單元太小為70mm,公差3.5mm,單元數(shù)370928個(gè),節(jié)點(diǎn)數(shù)612375個(gè),自由度數(shù)1837125個(gè)。

(3)結(jié)果。分析得出的等教應(yīng)力分布圖中顯示出了零件各個(gè)部位的等效應(yīng)力大小。該件局部最走等效應(yīng)力位置在粱與螺母接觸面的凸臺(tái)和粱上平面過渡圓角處,最大應(yīng)力值173.4MPa。上橫粱材料的屈服極限295MPa。在變形形狀分布圖中顯示出零件各個(gè)部位位移量,可以看到該件最大位移1.043mm,位于粱與中間缸安裝的法蘭面。通過分析計(jì)算,本例的最小安全系數(shù)(FOS)為1.70081,該粱符合使用要求。

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