搜索CAE在機械設(shè)計中的應(yīng)用
2013-06-05 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
機械設(shè)計中首要考慮的是在零部件上應(yīng)力集中的問題,應(yīng)力集中將是產(chǎn)生重大的經(jīng)濟損失。對設(shè)備的正常運行也至關(guān)重要。計算機輔助工程(CAE),是指在計算機上利用相應(yīng)的計算機分析軟件(如有限元分析軟件、運動仿真軟件、疲勞分析軟件等)進行的分析計算。如靜應(yīng)力、動應(yīng)力和溫度應(yīng)力計算、各種載荷作用下的動力學(xué)、運動學(xué)和變形計算、振動頻率和振動模態(tài)計算、溫度、流體及高速沖擊產(chǎn)生的應(yīng)力波計算等。舉例介紹了運用有限元法(FEA)對機械中幾個關(guān)鍵件進行分析的結(jié)果,說明如何在機械設(shè)計中運用CAE完成過去無法完成的工作。
張惠玲 李東 李莎莎 王金山 來源:萬方數(shù)據(jù)
關(guān)鍵字:CAE 計算機輔助工程 機械 設(shè)計
由于大型機械產(chǎn)品在工作過程中的受力情況和變形條件很復(fù)雜,所以在設(shè)計時很難較準確地計算出有關(guān)零部件的應(yīng)力應(yīng)變分布及動力學(xué)特性。以往是給出一些假設(shè)條件,采用工程力學(xué)的方法進行近似計算,但這樣設(shè)計出的部件在幾何尺寸和結(jié)構(gòu)型式上都難以達到優(yōu)化設(shè)計的要求。隨著計算機的應(yīng)用,現(xiàn)在可以通過計算輔助工程(CAE)的方法有效地解決這個問題。
計算機輔助工程(CAE),是指在計算機上利用相應(yīng)的計算機分析軟件(如有限元分析軟件、運動仿真軟件、疲勞分析軟件等)進行的分析計算。如靜應(yīng)力、動應(yīng)力和溫度應(yīng)力計算、各種載荷作用下的動力學(xué)、運動學(xué)和變形計算、振動頻率和振動模態(tài)計算、溫度、流體及高速沖擊產(chǎn)生的應(yīng)力波計算等。本文舉例介紹了運用有限元法(FEA)對機械中幾個關(guān)鍵件進行分析的結(jié)果,說明如何在機械設(shè)計中運用CAE完成過去無法完成的工作。
1 受力機架概率(變量化)分析
1.1 受力機架
機架是每個大型設(shè)備機工作主機的重要部件,許多受力部件安裝在機架上。每臺設(shè)備至少有1-2個機架,每個機架重量達幾十噸至幾百噸,設(shè)計要求機架有較高的安全系數(shù),其工作時的變形必須在設(shè)計的許可范圍內(nèi),設(shè)計出工作變形、應(yīng)力小而且重量又輕的機架成為設(shè)計上的一個難題。
下面以5000mm軋機機架為例,用概率的方法通過有限元軟件計算圓弧過渡處尺寸對應(yīng)力集中的影響,以便找出各尺寸對應(yīng)力集中的影響程度,確定影響最大應(yīng)力最敏感的尺寸。根據(jù)機架的有限元計算,發(fā)現(xiàn)對于采用電動壓下的機架,在機架上橫梁內(nèi)安裝壓下螺母的圓弧過渡的地方是應(yīng)力集中(應(yīng)力最大)的部位,影響該處應(yīng)力的尺寸主要集中在圓弧過渡處,見圖1所示。
圖1 機架螺絲圓弧過渡處的尺寸
在傳統(tǒng)的有限元分析中,HEIGTH1=2mm,ANO=150°,RADIUS=44mm,DELT=10mm。為了計算尺寸變化對應(yīng)力集中影響的程度,給每個尺寸一個變化范圍,故在采用傳統(tǒng)的有限元分析后進行了概率分析,可以看到哪個參數(shù)的變化對最大應(yīng)力的變化影響最大。
傳統(tǒng)有限元計算得到的最大第1主應(yīng)Max-StressSl=12.66/mm2,圖2所示為機架頭部壓下螺絲圓弧過渡處的第1主應(yīng)力分布情況。
圖2 機架壓下螺絲圓弧過渡處的第l主應(yīng)分布
1.2 機架應(yīng)力集中影響因素概率分析
在概率設(shè)計中,選取圖1中所示尺寸為輸入?yún)?shù),輸出參數(shù)為機架最大第一主應(yīng)力(Max-StressSl)。每個輸入?yún)?shù)共取50個樣本點,每個樣本點互不相同,四個輸入?yún)?shù)每次隨機取得一組樣本點,進行傳統(tǒng)的有限元分析,從而得到一組相應(yīng)的輸出參數(shù)。圖3為ANG0對Max-StressSl的影響,斜線為根據(jù)二者的樣本點擬合的多項式曲線,影響系數(shù)為0.5171。圖4所示為RADIUS對Max-StressSl的影響情況,斜線為根據(jù)二者的樣本點擬合的多項式曲線,影響系數(shù)為-0.0706。圖5所示為HEIGTHl對Max-StressSl的影響情況,斜線為根據(jù)二者的樣本點擬合的多項式曲線,影響系數(shù)為-0.0409。圖6所示為Max-StressSl對輸人參數(shù)的敏感情況,從圖中的方框圖和餅圖可以看到,淺色區(qū)域代表Max-StressSl對作用力FORCE的敏感性,深色區(qū)域代表Max-StressSl對ANG0的敏感性,Max-StressSl對作用力FORCE的變化最敏感,第二為ANG0,其后依次為HEIGTHl和RADIUS,也就是說,FORCE的變化對Max-StressSl影響最大,其次依次為ANGO、HEIGTHl和RADIUS。
通過對機架分析,得到了機架整體的應(yīng)力分布和機架沿長度、寬度方向的變形情況。尤其是得到了應(yīng)力集中區(qū)情況,為降低最大應(yīng)力提高機架整體性能提供了方向。通過對應(yīng)力集中區(qū)進行概率分析,得到了影響最大應(yīng)力最敏感的尺寸,為設(shè)計人員手工調(diào)整尺寸以降低最大應(yīng)力提供了依據(jù)。可以用這種方法以機架工作時沿長度方向的變形為輸出參數(shù)、機架的部分關(guān)鍵尺寸為輸人參數(shù),來研究影響變形的最敏感尺寸。
圖3 ANCO對MaxStressSl的影響
圖4 RADIUS對MaxStressSl的影響
圖5 HEIGTHl對MaxStressSl的影響
圖6 MaxStressSl對輸入?yún)?shù)的敏感性
2 螺絲螺母有限元分析
螺絲螺母作為機械部件中必不可少的部件的主要部件,承受一定的作用力。螺絲螺母鋸齒形牙形應(yīng)力集中較大,計算該處應(yīng)力、使用前掌握螺絲螺母強度狀況是非常必要的。下面采用有限元分析軟件對螺絲螺母裝配體進行二維軸對稱接觸分析。
圖7是螺絲螺母裝配體平面圖,Y軸為壓下螺絲螺母裝配體對稱中心,作用力沿Y軸向下作用在螺絲上,忽略幾扣不起作用的螺絲的牙;螺絲螺母接觸處設(shè)置接觸單元、螺母同本體接觸處設(shè)置接觸單元進行整體分析。圖8是裝配體的第一主應(yīng)力σ1分布;圖9是螺母的第一主應(yīng)力σ1分布,最大為127N/mm2;圖10是壓下的第一主應(yīng)力σ1分布,最大為196N/mm2。
圖7 螺絲螺母裝配體平面圖 圖8 裝配體的σ1分布
圖9 裝配體的σ1分布 圖l0 螺母σ1分布
3 結(jié)論
以機架幾個主要部件有限元分析的例子,說明了CAE在軋鋼機械設(shè)計中的應(yīng)用,但遠遠不僅限于此。CAE不僅應(yīng)用于常規(guī)強度設(shè)計、機架部件優(yōu)化、機架使用過程仿真,還應(yīng)用于設(shè)備工藝的分析,建立傳導(dǎo)教學(xué)模型、設(shè)備工作過程中溫度場數(shù)學(xué)模型等。
隨著分析軟件以及相應(yīng)的前、后處理軟件功能的不斷增強,CAE在現(xiàn)代化生產(chǎn)中的作用是不能低估的,它能縮短研制周期、降低成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量、提升產(chǎn)品的市場占有率,滿足多種用戶的需求。
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