SolidWorks大型鍛壓機上橫梁建模與應力分析

2013-08-01 by:廣州Solidworks培訓中心來源:仿真在線

1 前言

上橫梁是大型鍛壓機的關(guān)鍵零部件之一,上橫梁單件重量往往達上百噸,甚至幾百噸。由于其結(jié)構(gòu)復雜,如果不借助應用于計算機技術(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,也無法驗證出其結(jié)構(gòu)設計的正確性、合理性。

SolidWorks作為一種主流的三維設計軟件,操作簡便,功能強大,在參數(shù)化特征造型、曲面造型和機械裝配功能方面尤為突出。COSMOSXpress是SolidWorks中提供的用于零件應力有限元分析的高效工具,具有計算速度快、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。

使用COSMOSXpress可以在三維設計環(huán)境中對零件應力分布情況有直觀的了解,對設計的缺陷和薄弱環(huán)節(jié)進行及時的修改,提高設計質(zhì)量及零件的可靠性。

2 上橫梁的結(jié)構(gòu)

上橫梁位于鍛壓機主機頂端,在梁的四個角上是壓機的四個立柱插入孔,上橫梁裝在立柱上通過螺母壓緊,梁中部是三個主工作缸安裝孔。整個梁的結(jié)構(gòu)俯視完全呈對稱結(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,由于后面還要根據(jù)應力分析結(jié)果對零件結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計,在優(yōu)化過程中對尺寸參數(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,實現(xiàn)三維設計的尺寸驅(qū)動。對于具有對稱性特征的零件在建模時只需要做零件的一部分,然后用實體鏡像完成。

在鍛壓機上橫梁建模過程中,對零件的草圖尺寸作完全定義,方便在后續(xù)優(yōu)化設計時,只需修改尺寸,就可以很快得到新尺寸的零件。該件具有對稱特征,開始建模的時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 上橫梁的應力分析

4.1 上橫粱應力分析假設條件

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)假定條件下計算零件中的應力。

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,不利于準確分析橫梁的靜應力。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。在單元劃分時,默認使用原模型實體材料屬性,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—樣采用等效應力(綜合應力)和綜合位移法,兼容彎曲強度和剛度的所有要求,并使結(jié)果更加明了準確。

4.2 上橫粱工作狀態(tài)下的約束與載荷

大型鍛壓機的上、下粱和壓套通過各粱上對稱分布的四個通孔用拉桿和螺母等預應力聯(lián)接,構(gòu)成閉合框架。鍛壓機工作時,四根拉桿制約了上下粱間的相對變形,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。鍛壓機鐓粗時上橫粱的載荷逐漸增加到最大,載荷通過三個主工作缸傳遞到上橫梁,因此載荷應加載在主工作缸與上橫粱接觸的法蘭端面。

4.3 應力的有限元分析過程

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

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

(3)結(jié)果。分析得出的等教應力分布圖中顯示出了零件各個部位的等效應力大小。該件局部最走等效應力位置在粱與螺母接觸面的凸臺和粱上平面過渡圓角處,最大應力值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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