空调支架的有限元分析

由于空调支架为一个完全对称结构,空调的重量均匀分部在两侧对称支架上,因此只要对空调支架的一侧进行分析即可达到对整体空调支架的分析,同时也达到了简化空调支架分析的目的。本次作业可以分三部分来完成:一,空调支架一侧的建模;二,利用商业化有限元分析软件对建好的空调支架模型进行有限元分析;三,根据空调支架模型有限元分析的结果对支架进行强度校核以及结构优化。

空调支架的具体尺寸图如下图所示:

考虑到空调支架模型结构简单,故在此没有利用三维软件建模而是直接在有限元分析软件中进行建模,本次作业采用的有限元分析软件为美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析(FEA)软件ANSYS10.0。建立模型包括设定分析作业名和标题,定义单元类型、定义材料属性、建立三维模型、划分有限元网格。

打开ANSYS软件进入ANSYS操作界面,首先从主菜单中选择【Preferences】命令,勾选Structural。然后从实用菜单中选择【Change Jobname】命令,将文件名修改为Ktiao2,从实用菜单中选择【Change Title】命令,将标题修改为Ktiao2。如下图所示:

在进行有限元分析时,首先应根据分析问题的几何结构、分析类型和所分析的问题精度要求等,选定适合具体分析的单元类型。本文中选用8节点六面体单元Solid185。如下图所示:

由于空调支架所用材料为45#钢,故可查得45#钢的弹性模量为210Gpa,泊松比为0.3。从主菜单中选择Preprocessor>Material Props>Material Models命令,打开定义材料模型属性窗口,对材料弹性模量和泊松比进行设置。

从主菜单中选择Preprocessor>Modeling>Create>Keypoints>In Active CS命令,创建四个关键点,坐标分别为(0.54,0),(0.54,0.16),(0,0.16),(0,0.11)。接着从主菜单中选择Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Arbitrary>Through KPs命令,分别拾取上一步创建的四个关键点生成平面。然后从主菜单中选择Preprocessor>Modeling>Operate>Extrude> Areas>Along Normal命令,拾取上一步生成的面将其拉伸成一个实体。由于340mm长度区域才为空调重量的加载区间,因此对空调支架的加载面分三部分来创建。根据上述同样的方法创建关键点,生成面然后拉伸成实体。最后从主菜单中选择Preprocessor>Modeling>Operate >Booleans>Add>Volumes命令,将四个实体进行布尔加运算,至此空调支架的三维实体模型创建完毕。如下图所示:

在这里输入你的内容,注意不要用退格键把所有文字删除,请保留一个或者用鼠标选取后直接输入,防止格式错乱。从主菜单中选择Preprocessor>Meshing>Mesh Tool命令,打开“Mesh Tool”(网格工具),勾选“Smart Size”滑标值默认设置为6,“Mesh”的对象选择“Volumes”,“Shape”选择“Tet”“Free”,然后单击【Mesh】,打开实体选择对话框,单击【Pick All】按钮对空调支架模型进行网格划分。如下图所示:

空调支架模型网格划分完之后,接下来将对其进行有限元分析,其内容包括定义载荷及边界条件、求解、查看结果等。

由于在这只对空调支架的一侧进行分析,即一侧支架承受空调重量一半的载荷,因此就可以算出加载到长为340mm宽为50mm长方形面上的面载荷。即:

根据空调支架的特点,在这对支架的边界条件进行简化,将支架靠近墙壁一侧端面的自由度全部约束。下面为定义载荷及边界条件的具体操作:

从主菜单中选择Preprocessor>Loads>Define Loads>Apply>Structural>Pressure>On Areas弹出拾取对话框,拾取所需加载面,输入上文计算出的压力值。接着对支架靠近墙壁一侧的端面进行约束,从主菜单中选择Preprocessor>Loads>Define Loads>Apply>Structural> Displacement>On Areas弹出拾取对话框,拾取支架靠近墙壁一侧的端面对自由度全部约束。

然后对其进行求解,从主菜单中选择Solution>Solve>Current LS命令,打开一个确认对话框和状态表,查看列表中的信息确认无误后,单击【OK】按钮,开始求解。求解完成后打开求解结束对话框,单击【Close】按钮,关闭提示求解结束对话框。如下图所示:

1.查看总变形

由于空调支架所用材料为45#钢,根据《机械设计课程设计手册》可查得其抗拉强度σb为600MPa。从上面的有限元分析结果可以看到支架在Y方向上的最大应力σymax为1.58MPa,第一主应力最大值为σmax为3.95MPa,两者均远小于其许可应力。因此空调支架满足支撑强度要求,无需对其进行结构优化。