基于COSMOS 的橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

2013-06-09 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來(lái)源:仿真在線

目的:龍門式石材加工中心所使用的橫梁是其主要功能部件之一,其橫梁的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為5 .425m ,為保證加工中心的加工精度,設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度和剛度要求的橫粱。方法:本文作者使用了SolidWorks 建模及其自帶的COSMOS/Works 有限元分析模決對(duì)不同方案和不同結(jié)構(gòu)尺寸的橫梁進(jìn)行了有限元分析。結(jié)采:通過(guò)靜態(tài)分析和數(shù)據(jù)比較,筆者優(yōu)選了一組最佳設(shè)計(jì)方案。結(jié)論:使用SolidWorks 建模及其自帶的COSMOS/Works 有限元分析模塊進(jìn)行有限元分析的方法進(jìn)行大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的有限元分析,可以有效節(jié)省建模時(shí)間,提高工作效率。

作者: 吳王厚*趙德宏*陸峰*韓麟來(lái)源: 萬(wàn)方數(shù)據(jù)
關(guān)鍵字: 石材加工中心橫梁設(shè)計(jì) COSMOS/Works 有限元分析

龍門式石材加工中心所使用的橫梁是其主要功能部件之一。其橫梁的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為5.425m ,為保證加工中心的加工精度,對(duì)橫梁的靜強(qiáng)度和剛度提出了很高的要求。在工程設(shè)計(jì)中,對(duì)構(gòu)件的強(qiáng)度與剛度計(jì)算是一件非常繁瑣的工作,而且在計(jì)算過(guò)程中很容易出現(xiàn)錯(cuò)誤。雖然最著名的ANSYS 、NASTRAN 等軟件在功能和求解問(wèn)題的規(guī)模上都有了較大的提高。然而,由于有限元分析本身具有專業(yè)性強(qiáng)和建模復(fù)雜繁瑣的特點(diǎn),所以即使是使用目前最先進(jìn)的有限元分析程序進(jìn)行大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的有限元分析,仍需要投入大量的人力和物力。COSMOS/Works 是與SolidWorks 無(wú)縫集成的快速有限元分析軟件。它為機(jī)械設(shè)計(jì)工程師SolidWorks 的環(huán)境下,提供比較完整的分析手段。筆者使用了在SolidWorks 中建模,再調(diào)用COSMOS/Works有限元分析模塊對(duì)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)橫梁和T 型棋梁進(jìn)行了有限元分析、比較,從而獲得了能夠滿足設(shè)計(jì)要求的、結(jié)構(gòu)比較合理的橫梁構(gòu)件。

   1 COSMOS 軟件的特點(diǎn)

COSMOS/Works 為機(jī)械設(shè)計(jì)工程師在SolidWorks的環(huán)境下,提供比較完整的分析手段。憑借先進(jìn)的快速有限元技術(shù)( FFE) ,工程師能非常迅速地實(shí)現(xiàn)對(duì)大規(guī)模的復(fù)雜設(shè)計(jì)的分析和驗(yàn)證,并且獲得修正和優(yōu)化設(shè)計(jì)所需的必要信息。分析的模型和結(jié)果與SolidWorks共享一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù),計(jì)算結(jié)果也可以直觀地顯示在SolidWorks 精確的設(shè)計(jì)模型上。直觀地管理分析任務(wù)、載荷、邊界條件、有限元網(wǎng)格和計(jì)算結(jié)果等數(shù)據(jù),直觀地列入圖形化的樹形分析管理器中。與SolidWorks 特征管理器相同,分析管理中的分析特征可以編輯,支持拖動(dòng)放置的操作方式。分析的過(guò)程既可以用SolidWorks 的下拉菜單實(shí)現(xiàn),也可以直接在分析管理器中進(jìn)行。

COSMOS/Works 能在劃分復(fù)雜形狀零件的有限元阿格時(shí)無(wú)需刪除某些特征劃分的有限元網(wǎng)格是雙精度的問(wèn)。FFE 技術(shù)幫助了有限單元的快速生成,使幾何模型可反復(fù)修改,修改后網(wǎng)格單元能很快重新生成。載荷和邊界條件能直接指定在SolidWorks 實(shí)體的幾何特征上,并且和幾何特征有相關(guān)性。載荷和邊界條件的指定能智能地識(shí)別常實(shí)體模型的幾何形狀和自動(dòng)指定合適的約束條件,如分布?jí)毫芍付ㄔ趫A柱面和球面上。對(duì)荷和邊界條件,可進(jìn)行拖動(dòng)放置操作。

   2 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)建模與分析

傳統(tǒng)石材加工用橋式機(jī)床一般橫梁跨度都在3-5m 之間,其所使用的結(jié)構(gòu)形式如圖1 所示。橫梁由前后兩塊側(cè)板和上頂板及左右兩側(cè)的側(cè)板構(gòu)成,中間有連接的加強(qiáng)筋。其中在橫梁的下方,兩側(cè)板之間還應(yīng)當(dāng)留有安裝一根絲杠和一根轉(zhuǎn)動(dòng)軸的位置。

基于COSMOS 的橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析+項(xiàng)目圖片圖片1

(1)按照其結(jié)構(gòu)特點(diǎn),在SolidWorks 建立橫梁模型,其外部尺寸為5450mm*470mm*400mm 。
(2) 打開COSMOS/works 模塊,建立一個(gè)研究項(xiàng)目o 定義材料屬性,橫梁為鑄鋼件,選用鑄造碳鋼,其材料特性如表1 。

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(3) 添加載荷與約束。再橫梁上表面兩導(dǎo)軌處施加合計(jì)20000N 的壓力。在垂直面上施加9.8 的重力加速度。在兩側(cè)立板底端分別施加固定約束和不可移動(dòng)約束。如圖2 所示。

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(4) 劃分網(wǎng)格、分析計(jì)算。按默認(rèn)的設(shè)置進(jìn)行網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格類型為實(shí)體網(wǎng)格,要素大小為74.788mm. 網(wǎng)格品質(zhì)為高。獲得15454 個(gè)節(jié)點(diǎn)和9021 個(gè)有限元單元,棋梁總質(zhì)量為: 2735.29 悔。運(yùn)行分析計(jì)算,設(shè)定應(yīng)力、應(yīng)變、位移三項(xiàng)輸出,圖3 、圖4 、圖5 分別為對(duì)應(yīng)的應(yīng)力、應(yīng)變和Y 向位移分析結(jié)果圖例。

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(5) 分析從圖解中可以看出,橫梁應(yīng)力、應(yīng)變的最大初均出現(xiàn)在橫梁兩側(cè)側(cè)板的中間部位,橫梁中心最大Y 向最大位移為0.25mm. 通過(guò)探測(cè)橫梁中間的加強(qiáng)筋還發(fā)現(xiàn),橫梁中間的加強(qiáng)筋幾乎不承受應(yīng)力。

3 橫梁結(jié)構(gòu)改進(jìn)及尺寸優(yōu)選

   (1)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

通過(guò)以上分析,可以看出:傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中所使用的加強(qiáng)筋并沒有起到加強(qiáng)橫梁剛度的作用。因此本文作者去掉了中間了加強(qiáng)筋同時(shí)將橫梁兩側(cè)的側(cè)板合并到中間位置,在其兩側(cè)加上必要的倒角。其刨面結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

使用與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同的方法,在Solidwork 中建立模塑。添加與之前相同的約束和載荷及網(wǎng)格并進(jìn)行分析計(jì)算。其Y 向位移如圖7 所示。

從圖解中可以看出:與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比,改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)不但橫梁的總體質(zhì)量為: 2593.69kg,比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)輕,而其關(guān)鍵的橫梁中心位置的Y 向位移為0.17mm ,比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)要小得多。

基于COSMOS 的橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析+有限元項(xiàng)目服務(wù)資料圖圖片7

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   (2) 結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)選

從國(guó)7 中還可以看出:其寬度L 與倒角半徑R 是影響橫梁受力特性的主要因素。跟據(jù)橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需要,其中L≤180mm, R ≤(400-L)/2 mm。分別通過(guò)在-維空間內(nèi)分別使用橫梁相應(yīng)的L 及R 尺寸,得出橫梁中心位置的Y 向最大輸出及橫梁質(zhì)量關(guān)系如表2所示。

圖8 反映了橫梁Y 向位移與橫梁質(zhì)量之間的關(guān)系,從圖表中可以看出,當(dāng)橫梁Y 向位移小于0.160mm 時(shí),橫梁總重隨線性增長(zhǎng)當(dāng)橫梁Y 向位移大于O.163mm 時(shí),橫梁總重增長(zhǎng)最快;當(dāng)橫梁Y 向位移介0.163-0.160 之間時(shí),橫梁總重出現(xiàn)了非線性關(guān)系。這主要是因?yàn)楫?dāng)橫梁底寬在L 120mm 左右時(shí),橫梁倒角承擔(dān)的應(yīng)力與橫梁底部承擔(dān)的應(yīng)力相當(dāng)。根據(jù)橫梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn),筆者優(yōu)選橫梁Y 向位移為O.16mm,總重為2959kg 時(shí)對(duì)應(yīng)的橫梁尺寸。查表2可以得出,此時(shí)橫梁可以有兩組尺寸組合,一組為:L=1OOmm,R=BOmm; 另一組為:L=130mm,R=100mm。根據(jù)橫梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn),橫梁底部寬度L 越小,則橫梁下方安裝絲杠和轉(zhuǎn)鈾的空間越大。所以優(yōu)選第一組數(shù)據(jù),即: L= l00mm, R=130mm。

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4 結(jié)論

本文作者通過(guò)使用Solidworks 建模及其自帶的COSMOSIWorks 有限元分析模塊對(duì)橫梁進(jìn)行靜態(tài)分析,極大地將少了使用傳統(tǒng)的ANSYS、NASTRAN 等有限元分析軟件所要花費(fèi)的建模時(shí)間,可以快速地對(duì)多組方案進(jìn)行分析比較。通過(guò)分析,筆者發(fā)現(xiàn):傳統(tǒng)石材加工機(jī)械所使用的橫梁結(jié)構(gòu)并不能很好地加強(qiáng)橫梁的強(qiáng)度。通過(guò)對(duì)改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)分析,筆者獲得了一組橫梁尺寸的最佳設(shè)計(jì)方法,即其橫梁底部寬L=100mm,倒角R=130,其橫梁總重為2959kg,橫梁Y向最大位移為0.16mm。

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