使用COSMOS對裝箱翻包機(jī)進(jìn)行仿真分析

2013-05-07 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

裝箱翻包機(jī)工況受力復(fù)雜,借助仿真分析軟件COSMOS,從運動仿真入手,得到有限元分析所需的準(zhǔn)確的邊界條件與約束;在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了回轉(zhuǎn)架有限元分析,結(jié)果表明,其危險區(qū)域并非對稱分布。最后,應(yīng)用材料的 S-N 曲線和名義應(yīng)力法理論,估算出的回轉(zhuǎn)架疲勞壽命與實際使用壽命接近。

裝箱翻包機(jī)是物流成套裝備中的重要設(shè)備之一,而回轉(zhuǎn)架是其主要的工作部件,其工作過程是:貨物傳輸?shù)交剞D(zhuǎn)架底部后,油缸的作用力使回轉(zhuǎn)架繞軸承軸線旋轉(zhuǎn) 90°,實現(xiàn)貨物的裝箱翻包,貨物移走,油缸回行,帶動回轉(zhuǎn)架回轉(zhuǎn),回到初始位置,進(jìn)行下一個貨物傳送。我公司某型號的裝箱翻包機(jī)生產(chǎn)能力為 45 箱/小時,每箱 300kg。在實際運行工作中,由于回轉(zhuǎn)架受到交變的循環(huán)應(yīng)力,容易產(chǎn)生疲勞斷裂,因此,有必要借助先進(jìn)的數(shù)字模擬分析技術(shù)對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,并為設(shè)計提供理論依據(jù)?；剞D(zhuǎn)架數(shù)字模擬的難點在于有限元分析所需的邊界條件及約束難以合理的確定。

    1 分析方案

    1. 1 分析工具的選擇

    翻包機(jī)回轉(zhuǎn)架的數(shù)字模擬主要指運動仿真及有限元分析。目前,大型通用有限元分析軟件在汽車、航空、機(jī)械、材料等許多行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用,其中最為著名的有:ANSYS、NASTRAN、ABAQUS 以及 HYPERWORKS 等。這些軟件雖然功能強(qiáng)大,但都價格不菲,并存在對工程師要求高的缺點。在翻包機(jī)回轉(zhuǎn)架的分析中,筆者采用 COSMOS 系列軟件,這是因為如下原因。

    1)作為裝機(jī)量最大的有限元分析軟件,COSMOS有限元技術(shù)易學(xué)易用,能夠在普通的 PC 機(jī)上運行,不需要專業(yè)的有限元經(jīng)驗。

    2)作為世界上最快的有限元分析軟件,COSMOS采用 FFE(Fast finite Element)技術(shù),使復(fù)雜耗時的工程分析時間大大縮短。傳統(tǒng)的方法在分析裝配體時是先把零件拆散,然后一個個分別處理,耗時耗力,又存在計算結(jié)果不精確的缺點。COSMOS 提供了多場/ 多組件的復(fù)雜裝配分析,使得分析能夠更好地模擬真實的對象,結(jié)果也就更精確。

    3)COSMOS 主要功能模塊如 CosmosWorks、CosmosMotion 作為標(biāo)準(zhǔn)插件無縫集成在 SolidWorks 中。CosmosWorks 提供靜力分析、熱分析、頻率分析、設(shè)計優(yōu)化等功能,能夠滿足一般的工程分析需要。CosmosMotion 是一個全功能運動仿真軟件,它可以對復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行完整的運動學(xué)和動力學(xué)仿真分析,自動劃分系統(tǒng)中的零件運動類型及運動副情況,得到系統(tǒng)中各零、部件的運動情況,包括位移、速度、加速度和作用力及反作用力等。最為重要的是,它還可將零、部件在復(fù)雜運動情況下的復(fù)雜載荷情況直接輸出到 CosmosWorks 等主流有限元分析軟件中,以作出正確的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)分析。

    1. 2 分析方案的確定

    翻包機(jī)工況是一個運動反復(fù)的過程,屬于結(jié)構(gòu)動力學(xué)范疇,如果用靜力學(xué)分析將與真實工況產(chǎn)生較大的誤差。所以,在確定分析方案時要綜合考慮其運動分析、有限元分析以及疲勞分析等方面的因素。因此,確定其分析方案流程如圖1 所示。
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    圖 1 表明,用 SolidWorks 建立回轉(zhuǎn)架的幾何模型,在 CosmosMotion 中建立運動關(guān)系并施加作用力進(jìn)行運動仿真,得到其構(gòu)件的受力,這些力將作為 CosmosWorks 中進(jìn)行有限元分析和疲勞分析的載荷與約束條件,最終的分析結(jié)果作為改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計的理論依據(jù)。
2 回轉(zhuǎn)架有限元模型的建立

    2. 1 回轉(zhuǎn)架幾何模型

    回轉(zhuǎn)架長 3150mm,寬 2382mm,高 2105mm,整個結(jié)構(gòu)大部分采用角鋼和 120mm × 120mm × 5mm 的方鋼管。根據(jù)回轉(zhuǎn)架的結(jié)構(gòu)特征,進(jìn)行幾何實體建模前,需對計算模型進(jìn)行一些合理的簡化,一些小的細(xì)節(jié)可不必在模型中體現(xiàn),這并不影響分析所要求的精度。建模過程中,采用由下向上的方式,考慮到焊接接觸的特點和結(jié)構(gòu)實際使用過程中破壞的位置,將結(jié)構(gòu)中的焊接件處理為一個完整的零件。此外,為了控制解題模型規(guī)模,簡化建模,在保證分析精度的前提下,略去了對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度影響甚小的圓角與倒角,對焊接過渡部分也略去不計。采用 SolidWorks 建立的回轉(zhuǎn)架幾何模型如圖 2 所示。
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完成實體建模進(jìn)入 CosmosMotion 后,系統(tǒng)能根據(jù)模型的 CAD 裝配條件自動建立運動關(guān)系,根據(jù)實際情況,按照表 1 進(jìn)行調(diào)整。
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    運動仿真能得到回轉(zhuǎn)架在工作過程中的角速度、角加速度以及反作用力等。分析結(jié)果表明,在翻轉(zhuǎn)過程中,回轉(zhuǎn)架的受力情況是比較復(fù)雜的,既有貨物和結(jié)構(gòu)本身的重力,又有由于加速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力;同時,這些力由于結(jié)構(gòu)的運動,對結(jié)構(gòu)的作用結(jié)果還是不斷變化的。

    2. 2 回轉(zhuǎn)架有限元模型

    運動分析完成后,將得到約束邊界條件載入 CosmosWorks 中,根據(jù)表 2 建立有限元模型。
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2. 2. 1 材料的屬性

    材料選取低碳結(jié)構(gòu)鋼 Q235,該材料的彈性模量 E= 2. 1 × 105GPa,泊松比 = 0. 3,屈服極限 σ =235MPa,密度 = 7. 85 × 103kg/ m3。

    2. 2. 2 網(wǎng)格的劃分

    網(wǎng)格越小精度越高,但隨著網(wǎng)格的不斷細(xì)化,應(yīng)力的增長趨于緩慢,并向某定值靠近,由此可大致確定真實應(yīng)力的取值。因此,在回轉(zhuǎn)架網(wǎng)格劃分時,最好結(jié)合局部細(xì)化功能并考慮應(yīng)力集中的影響。由于回轉(zhuǎn)架結(jié)構(gòu)中大量采用方鋼管和角鋼,其長度、寬度尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于厚度的尺寸,所以在網(wǎng)格劃分時很多部位必須手動控制單元尺寸,在應(yīng)力集中處、焊接結(jié)構(gòu)處以及重要的地方使用較密的網(wǎng)格,其他地方盡量使用較稀的網(wǎng)格?；剞D(zhuǎn)架網(wǎng)格劃分結(jié)果,共 97778個節(jié) 點,51845個單元,293334個 D. O. F。建立的有限元模型如圖3 所示。
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    2. 2. 3 載荷與約束的處理

    載荷和約束施加與工程實際是否吻合直接影響到分析結(jié)果的正確性、合理性。在實際工作中,只需分析最不利工況即最大載荷、最大幅度的工況即可。在CosmosWorks 中,載荷與約束直接在幾何模型上加載,在求解時自動轉(zhuǎn)換到有限元模型上。由于載荷由 CosmosMotion 中直接傳入,不需要額外的調(diào)整,而約束是采用"慣性卸載"。"慣性卸載"是將動態(tài)問題轉(zhuǎn)化為靜態(tài)問題求解的一種方法,其含義是:如果物體沒有被充分約束,微小的力將使其產(chǎn)生加速度 a,系統(tǒng)將對每一個單元自動應(yīng)用慣性力 ma 以抵消外部不平衡的力,從而使物體處于平衡靜態(tài)位置。

    3 應(yīng)力分析結(jié)果

    應(yīng)力分析結(jié)果表明:結(jié)構(gòu)應(yīng)力并非對稱分布,危險面位于回轉(zhuǎn)架前面,整個結(jié)構(gòu)所受最大 Mises 等效應(yīng)力為 175MPa,處于回轉(zhuǎn)軸上和軸承連接處,應(yīng)力分布云圖如圖 4 所示。圖 5 所示是回轉(zhuǎn)架前邊線和后邊線的結(jié)果比較。

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    通過應(yīng)力云圖,設(shè)計者能很方便地找到應(yīng)力危險區(qū)以及結(jié)構(gòu)中剛度薄弱的部位,為進(jìn)一步改善回轉(zhuǎn)架結(jié)構(gòu)的受力情況、改進(jìn)結(jié)構(gòu),減小回轉(zhuǎn)架的重量及減小設(shè)計余量提供了理論依據(jù)。
4 疲勞分析結(jié)果

    如果交變載荷是隨機(jī)的,疲勞與壽命分析應(yīng)該在頻域上進(jìn)行,反之則是在時域上進(jìn)行的。翻包機(jī)回轉(zhuǎn)架并非受隨機(jī)載荷,屬于時域范疇。其疲勞分析應(yīng)從結(jié)構(gòu)響應(yīng)的時間歷程中得到應(yīng)力循環(huán),再采用合適的損傷理論---金屬材料的名義應(yīng)力法進(jìn)行損傷分析。使用名義應(yīng)力法估算結(jié)構(gòu)疲勞壽命的基本前提是已知與結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中系數(shù)相近的 S-N 曲線,并且在疲勞載荷作用下,結(jié)構(gòu)基本上處于彈性范圍。在 ANSYS 的高級疲勞包 FE-SAFE 中查得 Q235 的 S-N 曲線值如表 3所示。
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    從回轉(zhuǎn)架的工況來看,其應(yīng)力循環(huán)比為 0。綜合考慮回轉(zhuǎn)架結(jié)構(gòu)危險部位的名義應(yīng)力譜和應(yīng)力集中系數(shù) KT、表面粗糙度、尺寸效應(yīng)和加載類型等因數(shù),修正得到回轉(zhuǎn)架構(gòu)件的 S-N 曲線。在本例中,考慮以下因子的取值:加載類型因子(CL =0. 85)表面粗糙度因子(KS = 0. 9);尺寸效應(yīng)因子(CS =0. 85)。在 COSMOS 中進(jìn)行疲勞分析,插值求得其破壞循環(huán)數(shù)?；剞D(zhuǎn)架每小時運貨能力為 45 箱,如果每個工作日按 16h 計算,則回轉(zhuǎn)架壽命為 1256 個工作日與實際統(tǒng)計平均的情況比較吻合。

    5 結(jié)語

    本文借助 COSMOS 系列軟件,從翻包機(jī)回轉(zhuǎn)架運動仿真開始,解決了單純借助有限元分析工具難以確定邊界條件的問題,真實地模擬了回轉(zhuǎn)架工作這一動態(tài)過程的受力情況。由于油缸作用力并非加在回轉(zhuǎn)軸的中心而是靠前(如圖 2 所示),所以在回轉(zhuǎn)架的動態(tài)響應(yīng)中,前面的軸承及方鋼管受力大,是危險的區(qū)域所在。最后,在應(yīng)力分析的基礎(chǔ)上,還預(yù)測了結(jié)構(gòu)的疲勞壽命,為回轉(zhuǎn)架結(jié)構(gòu)的改進(jìn)提供了理論依據(jù)。本文提供的研究方案可操作性強(qiáng),對工程應(yīng)用具有一定的參考價值。

作者: 陳猛謝軍華閔定勇來源: 萬方數(shù)據(jù)
關(guān)鍵字: 翻包機(jī)回轉(zhuǎn)架數(shù)字模擬有限元分析疲勞

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