关于套筒连接机构的静力数值仿真分析

2016-08-26 by:CAE仿真在线来源:互联网

有限元法最初被称为矩阵近似方法,应用于航空器的结构强度计算,由于其方便性、实用性和有效性而成为一种应用广泛并且实用高效的数值分析方法。ANSYS软件是有限元分析最常用的一种软件,极强的分析功能覆盖了几乎所有的工程问题,在我国也得到了广大用户的承认和推崇。本文通过ANSYS软件对套筒连接机构在载荷下的变形和应力进行了研究,并通过一种新的方法获得了无法直接从云图中得到的套筒自身的相对弯曲变形的最大值,新方法对ANSYS分析后处理中的变形云图进行一定处理后导入AutoCAD软件中进行关键尺寸的测量,从而可以得到套筒的变形对套筒内部功率传输设备的影响。

1分析模型的建立与工作载荷条件

1.1套筒连接机构分析模型的建立

之前通过UG建模软件已经对套筒连接机构进行了详细的结构建模,而在ANSYS有限元数值仿真分析中,需要对模型进行适当简化,保留模型的主要承载机构和零部件之间的连接特征,去除细小的无关紧要的零部件和特征,如小孔特征和螺钉零件等,这样有利于有限元网格的划分和计算机资源的合理利用,并且不会影响主承载部件的分析精度。经过适当简化之后,获得的套筒连接机构简化模型。套筒中间为通孔式结构,功率传输设备通过套筒内的通孔,套筒对功率传输设备进行防护,套筒端面2连接固定于工作时存在平移位移载荷的部件,套筒端面1连接固定到支撑机架上,支撑机架通过底部固定位置可靠固定。套筒由五段组成,彼此通过螺栓螺母连接在一起构成一整体套筒。套筒连接机构主要由套筒和支撑机架组成,将简化后的模型通过接口从UG 中导入ANSYS中,就可以进行数值仿真分析。

1.2套筒连接机构工作载荷条件

在工作时,套筒连接机构端面2由于受外界载荷的作用会产生一定量的形变,当套筒连接机构的变形使得套筒的相对弯曲变形过大时,会使功率传输设备发生弯曲变形,从而影响到功率传输设备的正常工作。需要说明的是,在套筒根部和支撑机架连接处在载荷作用下发生角度偏转时,套筒内部的功率传输设备会随之旋转相应的角度,就是说功率传输设备相对套筒两端面有自定心作用,也就是说功率传输设备所在的直线始终会通过套筒两端面的圆心。功率传输设备与套筒通孔的最小直径差距为0.52mm,因此对功率传输设备影响最大的就是在载荷作用下套筒自身的弯曲变形程度,验证套筒的弯曲变形能否引起功率传输设备的弯曲变形,这也是最主要的分析考察目的。

套筒连接机构的设计承载要求是套筒端面2在承受最大横向位移载荷(为1mm)的情况下,能保证功率传输设备不发生弯曲变形,套筒连接机构的位移载荷形式可以看作是套筒端面受约束的横向平移。

2套筒连接机构的数值仿真分析

导入ANSYSWorkbench中的模型,通过材料定义、接触定义、网格划分、边界条件和载荷施加、有限元求解等一系列过程就可以完成对套筒连接机构的静力学数值仿真分析,并通过对分析结果的讨论和研究得出相关结论。

2.1材料与接触定义

由于套筒与功率传输设备之间的间隙很小,因此套筒和机架材料的选择就比较苛刻,要选择刚度和硬度较好的材料,其中套筒使用材料为不锈钢2Cr13,其余承载机架使用材料为钛合金TA2,在ANSYSWorkbench分析中分别给各个零部件赋予正确材料。

由于分析模型是装配体,因此定义各个零部件之间的接触关系至关重要,套筒连接机构简化后的零部件之间的接触基本为绑定接触方式,ANSYSWorkbench软件中全部接触会自动设为绑定接触方式,当然也可以根据实际接触情况的不同进行修改和删除操作,在这里将套筒连接机构模型中的所有接触均设为绑定接触方式,这样可以有效地等效产品实际装配中采用的螺栓螺母等连接形式。

2.2网格划分

统筹考虑计算机资源和分析精度要求,最后模型统一划分为六面体网格,支撑机架和套筒的网格划分。支撑机架和套筒的网格单元尺寸均为20mm,在零部件接触处使用单元尺寸10mm,这样大小的网格相对于模型大小和分析精度来说已经足够。

2.3边界条件与载荷施加

边界条件为在支撑机架底面四个圆面固定处施加固支约束。

在套筒端面与天线体连接端施加位移载荷。加载方向为沿套筒端面横向,大小为1mm,并与水平面方向平行。

2.4求解分析结果

在套筒端面施加1mm的横向位移载荷条件下得到的机构整体和套筒变形可知,最大变形为1mm,最大变形位置在套筒端面和靠近套筒端面的位置。

在连接支撑套筒端部施加1mm

的横向位移载荷条件下得到的机构整体和套筒等效应力可知,最大等效应力为14.575MPa,远小于材料的屈服极限,可见整体结构和套筒均处在弹性变形阶段。

3套筒弯曲变形程度的测量

以上分别获得了套筒连接机构在横向载荷作用下的变形和应力云图,而最关注的套筒自身的相对弯曲变形的最大值却无法从云图中直接获得,由于套筒并非是均匀形状,每一段套筒的形状有所差别,因此套筒刚度不均匀,套筒的变形比较复杂,无法采用简单均匀的悬臂梁进行等效,也无法利用材料力学中的相关悬臂梁变形计算公式直接计算得到。因此本文采取一种新方法,对套筒连接机构分析后处理中的变形云图进行变形程度放大处理后导入AutoCAD软件中进行关键尺寸的测量。

由于套筒自身的弯曲变形程度很小,因此在ANSYS后处理中将套筒的弯曲变形程度放大1100倍,并显示套筒未承载变形前的位置状态,然后将变形云图导入AutoCAD中。在AutoCAD中分别绘制出套筒变形前、后的中心线,已经知道套筒端面中心变形为横向平移1mm,通过CAD中尺寸测量可以得到套筒相对弯曲变形的最大值与端面横向平移大小的比例关系,从而通过计算可以得到套筒弯曲变形后自身的相对弯曲变形的最大值为0.148mm,由于套筒的弯曲程度已经被放大了1100倍,因此采用此种测量方法的测量误差较小,可以采信。

通过零部件尺寸公差计算得知套筒内孔内径和功率传输设备在直径方向的最小间隙为0.52mm,由于功率传输设备和套筒两端面之间的自定心作用,因此在半径方向的最小间隙为0.26mm,由上得知套筒自身的相对弯曲变形的最大值为0.148mm,可知套筒的弯曲变形没有使功率传输设备发生弯曲变形,不会影响功率传输设备的正常工作,因此满足之前设定的套筒连接机构的设计承载要求。

4结论

本文以套筒连接机构为研究对象,将三维建模软件UG、有限元分析软件ANSYS和绘图软件AutoCAD有机结合起来,对套筒连接机构进行了静力有限元数值仿真分析,通过UG三维建模、ANSYS有限元数值仿真分析、AutoCAD测量关键结果,完成了对套筒连接机构在位移载荷作用下相对弯曲变形对功率传输设备影响情况的评估,验证了套筒连接机构的承载可靠性。

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