搜索悬臂托架COSMOSWorks优化设计
2013-06-13 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线
运用与SolidWorks无缝集成的有限元分析软件COSMOSWorks对生产线中的悬臂托架进行改型优化设计,使设计更加方便、快捷、准确,对改型设计具有指导意义。
某型号产品生产线中大量采用了悬臂托架机械结构,由于产品改型,对悬臂托架提出了如下要求:①需要在不影响其强度和刚度要求的条件下对其开孔改造,以便其它部件的安装;②外观尺寸不能变化,但对开孔形状有要求,且孔尽可能大,在方便操作的同时节省材料;③托架基础频率应控制在330Hz ~420Hz范围内,以避免与安装机械引起共振;④悬臂托架的最大允许形变为0.2mm。对于新的设计要求,利用传统的设计方法就显得过于繁杂,本文通过运用COSMOSWork。有限元分析软件对要求改型的悬臂托架进行自动校核分析,并对其进行开孔尺寸优化设计,使之能满足上述要求,最大限度地提高设计速度和精度。
1 COSMOSWorks简介
COSMOSWorks是众多CAE软件中的一种,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在SolidWorks环境下提供了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运用它实现对大规模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。同时将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,直观地列人图形化的树形分析管理器中。COSMOSWorks提供了诸如静态分析、频率分析、扭曲分析、热力分析、掉落测试、疲劳分析、优化分析和非线性分析等模块,分析非常方便,结果准确可靠。
2建模及优化分析
原悬臂托架结构见图1,其选用的材料为A2碳钢,其主要性能参数见表1。
在使用时悬臂托架通过两个M8螺钉侧面固定,上方盖板通过两个M6螺钉固定,承重板上方设备产生向下1 960N均布载荷压力,这个载荷由两个托架共同承受,每个受力为980N。根据原结构尺寸,在SolidWorks中建立三维模型,这里不再详述。
2. 1原有结构分析
在SolidWorks中进人COSMOSWorks模块,建立一静态研究,设置研究解算器为FFEo在实体材料窗门定义材料为普通碳钢,将表1中的数据输人,对悬臂托架的材料及性能进行赋予。然后根据现实受力对其进行载荷约束:因托架侧面依靠两M8螺钉固定,上方受到均布980N压力,因此两M8螺纹孔约束应为固定约束;托架上方受到的单位压力为572 854. 86N/m。按默认设置生成网格后运行COSMOS/FFEStatic Solver/ COSMOS自动对其进行分析得出悬臂托架的应力分布,见图2。从图2中可以看到,原设计结构的受力远小于材料的屈服应力,设计过于保守。对其进行频率分析,得出其固有基础频率为417Hz。综合上述分析,说明在托架的中部开孔可行。
2.2结构改造
根据要求,对悬臂托架按最小要求尺寸进行开孔,并按上述方法由COSMOSWorks得出悬臂托架的应力分布,见图3。由图3可以看出,此时悬臂托架的应力仍远小于其屈服应力。对其频率分析,发现开孔后悬臂托架的固有一阶频率为409. 85Hz,在要求频率带内。整体设计安全系数仍过大。
2.3尺寸优化
重新建立一优化研究,定义优化品质为高,添加优化研究目标为最小体积,设计变量选中开孔的关键尺寸,定义变量的变化区间,使孔尺寸可以向大值方向发展。在约束条件下添加应力为静态节应力,界限为ON/m2~2 X lO8/m2;添加最大合力位移,界限为Omm ~ 0.2mm;添加基础频率的变化范围为330Hz~420Hz。运行尺寸优化分析后,COSMOSWorks将会进行一系列的优化分析,经过若干循环之后,给出了最终的优化结果,见图4。通过对优化后的模型进行分析,可以看出,本次优化设计的最终迭代数为15,改进后托架的硬度、强度、形变仍然能充分满足要求,见图5。开孔尺寸比要求更大,能在安装更为方便的同时减轻托架重量,最终设计的最小安全系数控制在2. 3左右,见图6。将优化设计的数值进行数值规整、重新校核后即可完成本次改型设计。
3总结
通过优化设计,悬臂托架的体积由117289.96mm3变为70965.85mm3,重量减轻了0.365 2kg,即减轻了40%。固有频率从改造前的417Hz变为优化设计后的332. 97Hz,远离了共振点。稳定受力中最大形变点的形变为0. 06mm,很好地满足了改造要求。
可以看出,COSMOSWorks的快速有限元算法<FFE)是工程设计分析人员结构分析的利器。该算法中的图形化操作界面可使您直观地划分网格单元、定义边界载荷条件及快速地求解计算结果,其分析结果与实际试验结果十分相近。利用该算法可以大大地提高工程设计人员的工作效率,达到事半功倍的效果。
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