搜索基于COSMOS 的横梁结构设计与分析
2013-06-09 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线
目的:龙门式石材加工中心所使用的横梁是其主要功能部件之一,其横梁的长度设计为5 .425m ,为保证加工中心的加工精度,设计满足强度和刚度要求的横粱。方法:本文作者使用了SolidWorks 建模及其自带的COSMOS/Works 有限元分析模决对不同方案和不同结构尺寸的横梁进行了有限元分析。结采:通过静态分析和数据比较,笔者优选了一组最佳设计方案。结论:使用SolidWorks 建模及其自带的COSMOS/Works 有限元分析模块进行有限元分析的方法进行大型复杂结构的有限元分析,可以有效节省建模时间,提高工作效率。
作者: 吴王厚*赵德宏*陆峰*韩麟 来源: 万方数据
关键字: 石材加工中心 横梁设计 COSMOS/Works 有限元分析
龙门式石材加工中心所使用的横梁是其主要功能部件之一。其横梁的长度设计为5.425m ,为保证加工中心的加工精度,对横梁的静强度和刚度提出了很高的要求。在工程设计中,对构件的强度与刚度计算是一件非常繁琐的工作,而且在计算过程中很容易出现错误。虽然最著名的ANSYS 、NASTRAN 等软件在功能和求解问题的规模上都有了较大的提高。然而,由于有限元分析本身具有专业性强和建模复杂繁琐的特点,所以即使是使用目前最先进的有限元分析程序进行大型复杂结构的有限元分析,仍需要投入大量的人力和物力。COSMOS/Works 是与SolidWorks 无缝集成的快速有限元分析软件。它为机械设计工程师SolidWorks 的环境下,提供比较完整的分析手段。笔者使用了在SolidWorks 中建模,再调用COSMOS/Works有限元分析模块对传统结构横梁和T 型棋梁进行了有限元分析、比较,从而获得了能够满足设计要求的、结构比较合理的横梁构件。
1 COSMOS 软件的特点
COSMOS/Works 为机械设计工程师在SolidWorks的环境下,提供比较完整的分析手段。凭借先进的快速有限元技术( FFE) ,工程师能非常迅速地实现对大规模的复杂设计的分析和验证,并且获得修正和优化设计所需的必要信息。分析的模型和结果与SolidWorks共享一个数据库,计算结果也可以直观地显示在SolidWorks 精确的设计模型上。直观地管理分析任务、载荷、边界条件、有限元网格和计算结果等数据,直观地列入图形化的树形分析管理器中。与SolidWorks 特征管理器相同,分析管理中的分析特征可以编辑,支持拖动放置的操作方式。分析的过程既可以用SolidWorks 的下拉菜单实现,也可以直接在分析管理器中进行。
COSMOS/Works 能在划分复杂形状零件的有限元阿格时无需删除某些特征划分的有限元网格是双精度的问。FFE 技术帮助了有限单元的快速生成,使几何模型可反复修改,修改后网格单元能很快重新生成。载荷和边界条件能直接指定在SolidWorks 实体的几何特征上,并且和几何特征有相关性。载荷和边界条件的指定能智能地识别常实体模型的几何形状和自动指定合适的约束条件,如分布压力可指定在圆柱面和球面上。对荷和边界条件,可进行拖动放置操作。
2 传统结构建模与分析
传统石材加工用桥式机床一般横梁跨度都在3-5m 之间,其所使用的结构形式如图1 所示。横梁由前后两块侧板和上顶板及左右两侧的侧板构成,中间有连接的加强筋。其中在横梁的下方,两侧板之间还应当留有安装一根丝杠和一根转动轴的位置。
(1)按照其结构特点,在SolidWorks 建立横梁模型,其外部尺寸为5450mm*470mm*400mm 。
(2) 打开COSMOS/works 模块,建立一个研究项目o 定义材料属性,横梁为铸钢件,选用铸造碳钢,其材料特性如表1 。
(3) 添加载荷与约束。再横梁上表面两导轨处施加合计20000N 的压力。在垂直面上施加9.8 的重力加速度。在两侧立板底端分别施加固定约束和不可移动约束。如图2 所示。
(4) 划分网格、分析计算。按默认的设置进行网格划分,网格类型为实体网格,要素大小为74.788mm. 网格品质为高。获得15454 个节点和9021 个有限元单元,棋梁总质量为: 2735.29 悔。运行分析计算,设定应力、应变、位移三项输出,图3 、图4 、图5 分别为对应的应力、应变和Y 向位移分析结果图例。
(5) 分析从图解中可以看出,横梁应力、应变的最大初均出现在横梁两侧侧板的中间部位,横梁中心最大Y 向最大位移为0.25mm. 通过探测横梁中间的加强筋还发现,横梁中间的加强筋几乎不承受应力。
3 横梁结构改进及尺寸优选
(1)传统结构的改进
通过以上分析,可以看出:传统结构中所使用的加强筋并没有起到加强横梁刚度的作用。因此本文作者去掉了中间了加强筋同时将横梁两侧的侧板合并到中间位置,在其两侧加上必要的倒角。其刨面结构如图6 所示。
使用与传统结构相同的方法,在Solidwork 中建立模塑。添加与之前相同的约束和载荷及网格并进行分析计算。其Y 向位移如图7 所示。
从图解中可以看出:与传统结构相比,改进后的结构不但横梁的总体质量为: 2593.69kg,比传统结构轻,而其关键的横梁中心位置的Y 向位移为0.17mm ,比传统结构要小得多。
(2) 结构尺寸优选
从国7 中还可以看出:其宽度L 与倒角半径R 是影响横梁受力特性的主要因素。跟据横梁结构设计的需要,其中L≤180mm, R ≤(400-L)/2 mm。 分别通过在-维空间内分别使用横梁相应的L 及R 尺寸,得出横梁中心位置的Y 向最大输出及横梁质量关系如表2所示。
图8 反映了横梁Y 向位移与横梁质量之间的关系,从图表中可以看出,当横梁Y 向位移小于0.160mm 时,横梁总重随线性增长当横梁Y 向位移大于O.163mm 时,横梁总重增长最快;当横梁Y 向位移介0.163-0.160 之间时,横梁总重出现了非线性关系。这主要是因为当横梁底宽在L 120mm 左右时,横梁倒角承担的应力与横梁底部承担的应力相当。根据横梁结构特点,笔者优选横梁Y 向位移为O.16mm,总重为2959kg 时对应的横梁尺寸。查表2可以得出,此时横梁可以有两组尺寸组合,一组为:L=1OOmm,R=BOmm; 另一组为:L=130mm,R=100mm。根据横梁结构特点,横梁底部宽度L 越小,则横梁下方安装丝杠和转铀的空间越大。所以优选第一组数据,即: L= l00mm, R=130mm。
4 结论
本文作者通过使用Solidworks 建模及其自带的COSMOSIWorks 有限元分析模块对横梁进行静态分析,极大地将少了使用传统的ANSYS、NASTRAN 等有限元分析软件所要花费的建模时间,可以快速地对多组方案进行分析比较。通过分析,笔者发现:传统石材加工机械所使用的横梁结构并不能很好地加强横梁的强度。通过对改进后的结构的数据分析,笔者获得了一组横梁尺寸的最佳设计方法,即其横梁底部宽L=100mm,倒角R=130,其横梁总重为2959kg,横梁Y向最大位移为0.16mm。
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