CAE在采樣頭設(shè)計中的應用

2013-06-07  by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM  來源:仿真在線

本文針對某種型號的懸臂式采樣頭在設(shè)計過程中涉及的抵抗變形的能力及其破冰能力,對其進行不同工況下的有限元分析。在進行應力分析的基礎(chǔ)上,利用第三強度理論,對結(jié)構(gòu)的強度進行校核,進而指導了設(shè)計的改進。
作者: 姜峰 賀成柱    來源: e-works
關(guān)鍵字: CAE ansys 懸臂式采樣頭 強度理論 變形 破冰 

1 引言
20世紀70年代以來,我國煤質(zhì)分析制樣和分析化驗的儀器設(shè)備已經(jīng)發(fā)展到相當規(guī)模,不僅種類齊全,而且正逐步實現(xiàn)自動化,有的已經(jīng)達到國際水平。但在機械化采樣和機械化制樣聯(lián)合系統(tǒng)方面仍發(fā)展緩慢。懸臂式采制樣設(shè)備是為解決上述問題由我院自行研制的一套適用于電廠、煤礦的機械化采制樣系統(tǒng)。
2 結(jié)構(gòu)的有限元模型的建立
結(jié)構(gòu)的主體是采樣頭的懸臂,可以看作是梁結(jié)構(gòu),本文從計算結(jié)果的精確性和仿真的方便,對該部分采用ANSYS軟件自帶的BEAM3單元,該單元是具有拉伸、壓縮和彎曲功能的單軸單元,具有X和Y方向兩個平移自由度和繞Z軸的一個轉(zhuǎn)動自由度,并具有計算應力剛化,大變形和單元生死的功能。
在整體建模中,單元的合理連接與節(jié)點自由度的合理匹配與否,將直接影響模型的受力和傳力特征。在結(jié)構(gòu)中單元和單元之間的連接采用ANSYS提供的節(jié)點耦合方式,強制兩個節(jié)點的平動自由度一致,而釋放轉(zhuǎn)動自由度,從而實現(xiàn)鉸接關(guān)系。

 
圖1 懸臂機構(gòu)簡化圖

對于文中采用的BEAM3單元,需要輸入的實常數(shù)有截面的面積,截面的慣性矩和等效高度。由于BEAM3單元不具備截面定義的功能,對于本結(jié)構(gòu)設(shè)計時定義的特殊的截面形狀,通過材料力學的知識計算該截面的慣性矩進行等效。
對于結(jié)構(gòu)的邊界條件的處理。液壓油缸與一節(jié)臂之間,一節(jié)臂與二節(jié)臂之間,二節(jié)臂與采樣頭之間采用接點耦合的方式強制兩個平動自由度一致,而釋放銷軸的轉(zhuǎn)動自由度,實現(xiàn)鉸接關(guān)系。一節(jié)臂的下端與液壓油缸的下端采用鉸支約束。采樣頭的末端采用固支約束。為了計算采樣頭的破冰能力,將結(jié)構(gòu)上部的液壓油缸(圖1中虛線所示)拆除,將其作用力等效到結(jié)構(gòu)上,等效的作用力大小為(1)
其中(2)
本文的強度校核就采用上式的方式進行檢驗。本結(jié)構(gòu)采樣頭的懸臂采用16Mn鋼材料,其屈服極限為σ_s=345MPa。
4 結(jié)構(gòu)整體的分析結(jié)果
4.1 遠點采樣時分析結(jié)果。

表1 結(jié)構(gòu)各單元的最大應力(單位:MPa)

表2 結(jié)構(gòu)各單元的最小應力(單位:MPa)

此時

4.2 近點采樣時分析結(jié)果

表3 結(jié)構(gòu)各單元的最大應力(單位:MPa)

表4 結(jié)構(gòu)各單元的最小應力(單位:MPa)

此時

圖2 截面B-B增強后的截面形狀
表5 改進后近點采樣結(jié)構(gòu)各單元的最大應力(單位:MPa)

表6 改進后近點采樣結(jié)構(gòu)各單元的最小應力(單位:MPa)

此時

對于采樣頭的破冰能力如表7所示,ANSYS計算的數(shù)據(jù)顯示遠點采樣時折合為1121.9kg,近點采樣時折合為1512.3kg,二者的破冰能力均在1噸以上。
對于結(jié)構(gòu)在進行遠點采樣時的整體抵抗變形的能力也很強,計算的結(jié)構(gòu)在極限受力狀態(tài)下的變形對于整個結(jié)構(gòu)來說完全可以忽略不計。
5 結(jié)論與建議
對截面B-B進行截面的改進,使采樣頭均能滿足遠點采樣和近點采樣時的強度要求;在分析中可以發(fā)現(xiàn),采樣頭的破冰能力和在進行采樣時的整體抵抗變形的能力是比較強的。

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