關(guān)于套筒連接機(jī)構(gòu)的ANSYS靜力數(shù)值仿真分析

2016-08-04 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

有限元法最初被稱為矩陣近似方法,應(yīng)用于航空器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算,由于其方便性、實(shí)用性和有效性而成為一種應(yīng)用廣泛并且實(shí)用高效的數(shù)值分析方法。ANSYS軟件是有限元分析最常用的一種軟件,極強(qiáng)的分析功能覆蓋了幾乎所有的工程問題,在我國也得到了廣大用戶的承認(rèn)和推崇。本文通過ANSYS軟件對套筒連接機(jī)構(gòu)在載荷下的變形和應(yīng)力進(jìn)行了研究,并通過一種新的方法獲得了無法直接從云圖中得到的套筒自身的相對彎曲變形的最大值,新方法對ANSYS分析后處理中的變形云圖進(jìn)行一定處理后導(dǎo)入AutoCAD軟件中進(jìn)行關(guān)鍵尺寸的測量,從而可以得到套筒的變形對套筒內(nèi)部功率傳輸設(shè)備的影響。

1分析模型的建立與工作載荷條件

1.1套筒連接機(jī)構(gòu)分析模型的建立

之前通過UG建模軟件已經(jīng)對套筒連接機(jī)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的結(jié)構(gòu)建模,而在ANSYS有限元數(shù)值仿真分析中,需要對模型進(jìn)行適當(dāng)簡化,保留模型的主要承載機(jī)構(gòu)和零部件之間的連接特征,去除細(xì)小的無關(guān)緊要的零部件和特征,如小孔特征和螺釘零件等,這樣有利于有限元網(wǎng)格的劃分和計(jì)算機(jī)資源的合理利用,并且不會影響主承載部件的分析精度。經(jīng)過適當(dāng)簡化之后,獲得的套筒連接機(jī)構(gòu)簡化模型。套筒中間為通孔式結(jié)構(gòu),功率傳輸設(shè)備通過套筒內(nèi)的通孔,套筒對功率傳輸設(shè)備進(jìn)行防護(hù),套筒端面2連接固定于工作時(shí)存在平移位移載荷的部件,套筒端面1連接固定到支撐機(jī)架上,支撐機(jī)架通過底部固定位置可靠固定。套筒由五段組成,彼此通過螺栓螺母連接在一起構(gòu)成一整體套筒。套筒連接機(jī)構(gòu)主要由套筒和支撐機(jī)架組成,將簡化后的模型通過接口從UG 中導(dǎo)入ANSYS中,就可以進(jìn)行數(shù)值仿真分析。

1.2套筒連接機(jī)構(gòu)工作載荷條件

在工作時(shí),套筒連接機(jī)構(gòu)端面2由于受外界載荷的作用會產(chǎn)生一定量的形變,當(dāng)套筒連接機(jī)構(gòu)的變形使得套筒的相對彎曲變形過大時(shí),會使功率傳輸設(shè)備發(fā)生彎曲變形,從而影響到功率傳輸設(shè)備的正常工作。需要說明的是,在套筒根部和支撐機(jī)架連接處在載荷作用下發(fā)生角度偏轉(zhuǎn)時(shí),套筒內(nèi)部的功率傳輸設(shè)備會隨之旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度,就是說功率傳輸設(shè)備相對套筒兩端面有自定心作用,也就是說功率傳輸設(shè)備所在的直線始終會通過套筒兩端面的圓心。功率傳輸設(shè)備與套筒通孔的最小直徑差距為0.52mm,因此對功率傳輸設(shè)備影響最大的就是在載荷作用下套筒自身的彎曲變形程度,驗(yàn)證套筒的彎曲變形能否引起功率傳輸設(shè)備的彎曲變形,這也是最主要的分析考察目的。

套筒連接機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)承載要求是套筒端面2在承受最大橫向位移載荷(為1mm)的情況下,能保證功率傳輸設(shè)備不發(fā)生彎曲變形,套筒連接機(jī)構(gòu)的位移載荷形式可以看作是套筒端面受約束的橫向平移。

2套筒連接機(jī)構(gòu)的數(shù)值仿真分析

導(dǎo)入ANSYSWorkbench中的模型,通過材料定義、接觸定義、網(wǎng)格劃分、邊界條件和載荷施加、有限元求解等一系列過程就可以完成對套筒連接機(jī)構(gòu)的靜力學(xué)數(shù)值仿真分析,并通過對分析結(jié)果的討論和研究得出相關(guān)結(jié)論。

2.1材料與接觸定義

由于套筒與功率傳輸設(shè)備之間的間隙很小,因此套筒和機(jī)架材料的選擇就比較苛刻,要選擇剛度和硬度較好的材料,其中套筒使用材料為不銹鋼2Cr13,其余承載機(jī)架使用材料為鈦合金TA2,在ANSYSWorkbench分析中分別給各個(gè)零部件賦予正確材料。

由于分析模型是裝配體,因此定義各個(gè)零部件之間的接觸關(guān)系至關(guān)重要,套筒連接機(jī)構(gòu)簡化后的零部件之間的接觸基本為綁定接觸方式,ANSYSWorkbench軟件中全部接觸會自動設(shè)為綁定接觸方式,當(dāng)然也可以根據(jù)實(shí)際接觸情況的不同進(jìn)行修改和刪除操作,在這里將套筒連接機(jī)構(gòu)模型中的所有接觸均設(shè)為綁定接觸方式,這樣可以有效地等效產(chǎn)品實(shí)際裝配中采用的螺栓螺母等連接形式。

2.2網(wǎng)格劃分

統(tǒng)籌考慮計(jì)算機(jī)資源和分析精度要求,最后模型統(tǒng)一劃分為六面體網(wǎng)格,支撐機(jī)架和套筒的網(wǎng)格劃分。支撐機(jī)架和套筒的網(wǎng)格單元尺寸均為20mm,在零部件接觸處使用單元尺寸10mm,這樣大小的網(wǎng)格相對于模型大小和分析精度來說已經(jīng)足夠。

2.3邊界條件與載荷施加

邊界條件為在支撐機(jī)架底面四個(gè)圓面固定處施加固支約束。

在套筒端面與天線體連接端施加位移載荷。加載方向?yàn)檠靥淄捕嗣鏅M向,大小為1mm,并與水平面方向平行。

2.4求解分析結(jié)果

在套筒端面施加1mm的橫向位移載荷條件下得到的機(jī)構(gòu)整體和套筒變形可知,最大變形為1mm,最大變形位置在套筒端面和靠近套筒端面的位置。

在連接支撐套筒端部施加1mm

的橫向位移載荷條件下得到的機(jī)構(gòu)整體和套筒等效應(yīng)力可知,最大等效應(yīng)力為14.575MPa,遠(yuǎn)小于材料的屈服極限,可見整體結(jié)構(gòu)和套筒均處在彈性變形階段。

3套筒彎曲變形程度的測量

以上分別獲得了套筒連接機(jī)構(gòu)在橫向載荷作用下的變形和應(yīng)力云圖,而最關(guān)注的套筒自身的相對彎曲變形的最大值卻無法從云圖中直接獲得,由于套筒并非是均勻形狀,每一段套筒的形狀有所差別,因此套筒剛度不均勻,套筒的變形比較復(fù)雜,無法采用簡單均勻的懸臂梁進(jìn)行等效,也無法利用材料力學(xué)中的相關(guān)懸臂梁變形計(jì)算公式直接計(jì)算得到。因此本文采取一種新方法,對套筒連接機(jī)構(gòu)分析后處理中的變形云圖進(jìn)行變形程度放大處理后導(dǎo)入AutoCAD軟件中進(jìn)行關(guān)鍵尺寸的測量。

由于套筒自身的彎曲變形程度很小,因此在ANSYS后處理中將套筒的彎曲變形程度放大1100倍,并顯示套筒未承載變形前的位置狀態(tài),然后將變形云圖導(dǎo)入AutoCAD中。在AutoCAD中分別繪制出套筒變形前、后的中心線,已經(jīng)知道套筒端面中心變形為橫向平移1mm,通過CAD中尺寸測量可以得到套筒相對彎曲變形的最大值與端面橫向平移大小的比例關(guān)系,從而通過計(jì)算可以得到套筒彎曲變形后自身的相對彎曲變形的最大值為0.148mm,由于套筒的彎曲程度已經(jīng)被放大了1100倍,因此采用此種測量方法的測量誤差較小,可以采信。

通過零部件尺寸公差計(jì)算得知套筒內(nèi)孔內(nèi)徑和功率傳輸設(shè)備在直徑方向的最小間隙為0.52mm,由于功率傳輸設(shè)備和套筒兩端面之間的自定心作用,因此在半徑方向的最小間隙為0.26mm,由上得知套筒自身的相對彎曲變形的最大值為0.148mm,可知套筒的彎曲變形沒有使功率傳輸設(shè)備發(fā)生彎曲變形,不會影響功率傳輸設(shè)備的正常工作,因此滿足之前設(shè)定的套筒連接機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)承載要求。

4結(jié)論

本文以套筒連接機(jī)構(gòu)為研究對象,將三維建模軟件UG、有限元分析軟件ANSYS和繪圖軟件AutoCAD有機(jī)結(jié)合起來,對套筒連接機(jī)構(gòu)進(jìn)行了靜力有限元數(shù)值仿真分析,通過UG三維建模、ANSYS有限元數(shù)值仿真分析、AutoCAD測量關(guān)鍵結(jié)果,完成了對套筒連接機(jī)構(gòu)在位移載荷作用下相對彎曲變形對功率傳輸設(shè)備影響情況的評估,驗(yàn)證了套筒連接機(jī)構(gòu)的承載可靠性。

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