基于ANSYS Workbench的支架的有限元分析

2016-10-22 by:CAE仿真在線來源:互聯網

為進一步改進支架的結構設計, 實現支架的CAE標準化生產, 本文采用大型有限元分析軟件ANSYS 對發動機支架的應力分布進行了計算和仿真分析,得出了該構件的應力和應變分布云圖, 從而為支架的強度分析研究提供了比較實用的有限元分析方法。

1問題描述與分析

支架是現代化機械工程中進行高效生產和安全生產最為關鍵的構件之一。由于支架重量過大會給運輸、安裝、搬家帶來很多困難, 且材料消耗費用也是支架成本的主要構成部分, 所以選擇其重量以及強度分析具有很實際的意義。

已知某支架,在兩孔內做約束,在頂面上施加1000KN/m2的壓強,然后,對支架進行強度校核,并分析支架的最大變形以及支架的等效應力。該支架的邊界條件是兩個螺栓孔做全固定約束,載荷為均布載荷,分析的目的是判斷該結構是否失效和變形是否符合設計要求。利用Pro/E軟件建立的支架的三維幾何模型如圖一所示。

圖1 支架的三維幾何模型

2 建立有限元模型

本模型采用整體智能網格劃分, 有限元模型的網格劃分后如圖2所示;以使有限元計算結果更符合實際情況。用ANSYS 軟件對支架模型進行網格劃分,支架靜態分析選定彈性模量為2.0×1011 N/m2, 泊松比為0.3,依據結構及力學特點, 采用了Solid187 單元進行分析、計算。因為結構及載荷的對稱性成分較大, 所以既可采用整體計算,也可以采用對稱分析計算。

圖2 有限元網格劃分模型

3 添加載荷和約束并求解

由于支架是由二組螺栓固定到物體上的,以圖1模型中間的螺栓孔中心為坐標原點, 縱向為X軸、橫向為Y軸、鉛垂向下為Z軸正向,在加載過程中,在螺栓固定處施加約束, 使其在各個方向的位移均為0。對圓孔表面約束各個方向的自由度。對支架的頂面施加1000KN/m2均布載荷,方向為垂直向下,施加載荷和約束后的模型如圖3所示。

圖3 施加載荷和約束后的模型

根據上面建立的有限元分析模型,通過ANSYS Workbench的Simulation分析模塊進行了計算。首先定義分析類型為靜力分析,然后由Current LS命令來求解單載荷步的問題。支架結構在承受外力的作用下,應變、應力云圖如圖4、圖5所示。

圖4 支架結構的變形應力云圖

圖5 支架結構的應力云圖

4 支架有限元模型結果分析

通過對支架的結構強度按要求加載計算的結果, 分析支架的強度水平。從圖4中發現最大變形區為紅色區域,即頂板受力的邊緣處,并對稱分布,最大變形量為1.057mm,這個變形量比較小,在一般的工程設計中幾乎可以不計,可見,這個零件的剛度相當的好。

由圖5可以看出:最大的應力為3.21MPa,只要該應力小于材料的許用應力,材料就不會失效;從圖中可以發現,在兩個小孔中應力圖為紅色,就是說這里的應力最大!這就是我們常見的應力集中現象。應力集中是工程中零件破壞的主要原因,在工程中應盡量避免應力集中現象的發生,我們可以通過倒角、熱處理等措施來改善應力集中的現象。

5 結束語

通過對支架的有限元分析, 得到了支架在加載過程中的最大應力、應變,可以用于支架的受力分析以及指導該零件的設計。本文對支架的有限元分析方法, 對于其他有限元分析也具有重要的借鑒意義。經過比較計算結果,發現總體誤差不大,仍在允許范圍之內。這就證明ANSYS 軟件做出的有限元計算結果基本符合實際情況,完全適合于支架的結構設計。而且在產品開發設計過程中,有助于新產品、新結構的檢驗, 并能幫助設計人員及時發現產品設計中的缺陷,對產品做進一步的改進,提高產品的可靠性、經濟性、合理性,從而增強企業對市場的應變能力和競爭能力。

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