結(jié)構(gòu)支座 的有限元分析

結(jié)構(gòu)支座作為多向活動(dòng)部件的連接裝置,主要受來自復(fù)雜部件的載荷的作用力,由于載荷力復(fù)雜多變,且局部應(yīng)力集中的現(xiàn)象存在,導(dǎo)致接觸面產(chǎn)生不規(guī)則的破壞。以前的設(shè)計(jì)方案基本是粗略的,對(duì)于結(jié)構(gòu)尺寸不能做到很精確的設(shè)計(jì),使用效果并不理想。本文利用Pro/E三維設(shè)計(jì)軟件對(duì)結(jié)構(gòu)支座進(jìn)行參數(shù)化建模,將 Pro/E建立的三維模型轉(zhuǎn)化為.igs格式文件,然后導(dǎo)入到ANSYS中,對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分,以得到結(jié)構(gòu)支座的有限元模型。有限元分析方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)值的分析方法,ANSYS程序中加入了許多新的技術(shù),非線性、子結(jié)構(gòu)以及更多的單元類型被加入程序,從而使程序具有更強(qiáng)的通用性。同時(shí),ANSYS還提供了強(qiáng)大和完整的聯(lián)機(jī)說明系統(tǒng)詳盡的聯(lián)機(jī)幫助系統(tǒng),使用戶能夠不斷深入學(xué)習(xí)并完成一些深入的課題。并因在機(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。本文將分析在載荷的作用下,支座的變形、應(yīng)力以及模態(tài)分析等,并顯示強(qiáng)大的ANSYS的求解結(jié)果。

1.1 結(jié)構(gòu)支座三維模型的建立

使用Pro/E Wildfire 4.0建模,建模后保存.igs格式副本文件存盤,這種格式幾乎是所有CAD軟件都可以識(shí)別的,再將建立模型導(dǎo)入到ANSYS中。用Pro/E建立的結(jié)構(gòu)支座模型,如圖一所示。

圖一 結(jié)構(gòu)支座模型

為了方便計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬分析,把模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化,忽略一些小圓角或者是小圓孔,不影響模型的主形體。

1.2 導(dǎo)入三維模型

本文分析目標(biāo)為結(jié)構(gòu)支座模型,模型采用Pro/E三維模型導(dǎo)入ANSYS中。導(dǎo)入后模型如圖二所示。

圖二 導(dǎo)入后的模型

1.3 建立有限元模型

定義單元類型為Solid 10node 92,材料為Q235,彈性模量E=200Gpa,泊松比為0.3,并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分,定義網(wǎng)格尺寸為15。得到如圖三所示的有限元模型。

圖三 有限元模型

1.4 載荷與邊界約束

結(jié)構(gòu)支座所受均布載荷在φ150圓孔下半圓柱面法線方向,均布載荷大小為q=20kN/m2,

位置約束為其底座孔,對(duì)其進(jìn)行固定約束。

(1) 約束四個(gè)安裝孔:

Main Menu:Solution→Define Load→Apply→Structural→Displacement→Symmetry B.C.→On Areas+ 拾取四個(gè)安裝孔的8個(gè)圓柱面→ OK

(2)在整個(gè)基座的底部施加位移約束(UY=0):

Main Menu: Solution→Define Load→Apply→Structural→Displacement →on Lines +

拾取基座底部的所有邊線,選擇 UY 作為約束自由度→OK。

(3)在φ150圓孔的的下半圓柱面施加法向均布載荷:

Main Menu: Solution→Define Load→Apply→Structural→Pressure→On Areas→拾取球形接觸面→Apply→輸入壓力值20000→OK。

2.1 求解結(jié)構(gòu)支座的變形

有限元模型建立后,進(jìn)行了材料參數(shù)的設(shè)定以及載荷的施加,則可以得出結(jié)構(gòu)支座的變形。如圖四所示。

圖四 結(jié)構(gòu)支座的變形圖

2.2 結(jié)構(gòu)支座的Von Mise等效應(yīng)力圖

Von Mise等效應(yīng)力圖:

Main Menu→General Postproc→Plot Results→Contour Plot→Nodal Solu

選擇Von Mise Stress,則可以得出Von Mise等效應(yīng)力圖。如圖五所示。

圖五 Von Mise應(yīng)力圖

2.3 結(jié)構(gòu)支座的最大應(yīng)力和最大位移

由以上求出的結(jié)構(gòu)支座變形圖和Von Mise應(yīng)力圖可知,最大應(yīng)力集中在肋與底座的接觸地方。所以在設(shè)計(jì)的時(shí)候,此次要注意合適的結(jié)構(gòu)類型。

3.1 模態(tài)分析的內(nèi)容、應(yīng)用及意義

模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性一種近代方法,是系統(tǒng)辨別方法在工程振動(dòng)領(lǐng)域中的應(yīng)用。模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性,每一個(gè)模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。這些模態(tài)參數(shù)可以由計(jì)算或試驗(yàn)分析取得,這樣一個(gè)計(jì)算或試驗(yàn)分析過程稱為模態(tài)分析。這個(gè)分析過程如果是由有限元計(jì)算的方法取得的,則稱為計(jì)算模態(tài)分析;如果通過試驗(yàn)將采集的系統(tǒng)輸入與輸出信號(hào)經(jīng)過參數(shù)識(shí)別獲得模態(tài)參數(shù),稱為試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析。通常,模態(tài)分析都是指試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析。振動(dòng)模態(tài)是彈性結(jié)構(gòu)固有的、整體的特性。通過模態(tài)分析方法搞清楚了結(jié)構(gòu)物在某一易受影響的頻率范圍內(nèi)的各階主要模態(tài)的特性,就可以預(yù)言結(jié)構(gòu)在此頻段內(nèi)在外部或內(nèi)部各種振源作用下產(chǎn)生的實(shí)際振動(dòng)響應(yīng)。因此,模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)及設(shè)備故障診斷的重要方法。

模態(tài)分析的最終目標(biāo)是識(shí)別出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù),為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動(dòng)特性分析、振動(dòng)故障診斷和預(yù)報(bào)以及結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

模態(tài)分析技術(shù)的應(yīng)用可歸結(jié)為以下幾個(gè)方面:

1) 評(píng)價(jià)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性;

2) 在新產(chǎn)品設(shè)計(jì)中進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的預(yù)估和優(yōu)化設(shè)計(jì);

3) 診斷及預(yù)報(bào)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的故障;

4) 控制結(jié)構(gòu)的輻射噪聲;

5) 識(shí)別結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的載荷。

模態(tài)分析是用于確定部件和組裝件的固定頻率,是動(dòng)力學(xué)分析的起點(diǎn),是系統(tǒng)辨別方法在工程振動(dòng)領(lǐng)域中的應(yīng)用。模態(tài)分析的最終目標(biāo)是識(shí)別出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù),為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動(dòng)特性分析、振動(dòng)故障診斷和預(yù)報(bào)以及結(jié)構(gòu)動(dòng)力特征的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。模態(tài)分析可以確定一個(gè)結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型。

3.2 前五階固有頻率

在進(jìn)行模態(tài)分析時(shí),使用Block Lanczons法,模態(tài)數(shù)量設(shè)置為5,擴(kuò)展模態(tài)也設(shè)定為5,再進(jìn)行求解,可以查看結(jié)果。列出固有頻率,如圖六所示。

3.3 前五階模態(tài)振型圖

顯示各階頻率振型圖:

Main Menu→General Postproc→Plot Results→Contour Plot→Nodal Solu,選擇Nodal Solution→DOF Solution→Displace vector sum,就可以顯示振型圖,如圖七所示為前五階模態(tài)的振型圖。

圖七 前五階模態(tài)的振型圖

本文通過Pro/E軟件建立結(jié)構(gòu)支座的三維模型,保存為.igs文件將三維模型導(dǎo)入到ANSYS中,在ANSYS中對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度和剛度的校核及模態(tài)分析。從圖中可看出,載荷主要集中在結(jié)構(gòu)支座的底座與肋連接處,所以要對(duì)該處進(jìn)行載荷保護(hù),可通過變換材料,熱處理等方法加強(qiáng)該處強(qiáng)度。ANSYS的分析,為以后的的結(jié)構(gòu)支座結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析節(jié)省了時(shí)間,驗(yàn)證方案的可行性,為結(jié)構(gòu)支座的進(jìn)一步優(yōu)化提供了依據(jù)。