搜索使用COSMOS對裝箱翻包機進行仿真分析
2013-05-07 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
裝箱翻包機工況受力復雜,借助仿真分析軟件COSMOS,從運動仿真入手,得到有限元分析所需的準確的邊界條件與約束;在此基礎上進行了回轉架有限元分析,結果表明,其危險區域并非對稱分布。最后,應用材料的 S-N 曲線和名義應力法理論,估算出的回轉架疲勞壽命與實際使用壽命接近。
裝箱翻包機是物流成套裝備中的重要設備之一,而回轉架是其主要的工作部件,其工作過程是:貨物傳輸到回轉架底部后,油缸的作用力使回轉架繞軸承軸線旋轉 90°,實現貨物的裝箱翻包,貨物移走,油缸回行,帶動回轉架回轉,回到初始位置,進行下一個貨物傳送。我公司某型號的裝箱翻包機生產能力為 45 箱/小時,每箱 300kg。在實際運行工作中,由于回轉架受到交變的循環應力,容易產生疲勞斷裂,因此,有必要借助先進的數字模擬分析技術對其結構進行分析,并為設計提供理論依據?；剞D架數字模擬的難點在于有限元分析所需的邊界條件及約束難以合理的確定。
1 分析方案
1. 1 分析工具的選擇
翻包機回轉架的數字模擬主要指運動仿真及有限元分析。目前,大型通用有限元分析軟件在汽車、航空、機械、材料等許多行業得到了廣泛應用,其中最為著名的有:ANSYS、NASTRAN、ABAQUS 以及 HYPERWORKS 等。這些軟件雖然功能強大,但都價格不菲,并存在對工程師要求高的缺點。在翻包機回轉架的分析中,筆者采用 COSMOS 系列軟件,這是因為如下原因。
1)作為裝機量最大的有限元分析軟件,COSMOS有限元技術易學易用,能夠在普通的 PC 機上運行,不需要專業的有限元經驗。
2)作為世界上最快的有限元分析軟件,COSMOS采用 FFE(Fast finite Element)技術,使復雜耗時的工程分析時間大大縮短。傳統的方法在分析裝配體時是先把零件拆散,然后一個個分別處理,耗時耗力,又存在計算結果不精確的缺點。COSMOS 提供了多場/ 多組件的復雜裝配分析,使得分析能夠更好地模擬真實的對象,結果也就更精確。
3)COSMOS 主要功能模塊如 CosmosWorks、CosmosMotion 作為標準插件無縫集成在 SolidWorks 中。CosmosWorks 提供靜力分析、熱分析、頻率分析、設計優化等功能,能夠滿足一般的工程分析需要。CosmosMotion 是一個全功能運動仿真軟件,它可以對復雜機械系統進行完整的運動學和動力學仿真分析,自動劃分系統中的零件運動類型及運動副情況,得到系統中各零、部件的運動情況,包括位移、速度、加速度和作用力及反作用力等。最為重要的是,它還可將零、部件在復雜運動情況下的復雜載荷情況直接輸出到 CosmosWorks 等主流有限元分析軟件中,以作出正確的強度和結構分析。
1. 2 分析方案的確定
翻包機工況是一個運動反復的過程,屬于結構動力學范疇,如果用靜力學分析將與真實工況產生較大的誤差。所以,在確定分析方案時要綜合考慮其運動分析、有限元分析以及疲勞分析等方面的因素。因此,確定其分析方案流程如圖1 所示。
圖 1 表明,用 SolidWorks 建立回轉架的幾何模型,在 CosmosMotion 中建立運動關系并施加作用力進行運動仿真,得到其構件的受力,這些力將作為 CosmosWorks 中進行有限元分析和疲勞分析的載荷與約束條件,最終的分析結果作為改進結構設計的理論依據。
2 回轉架有限元模型的建立
2. 1 回轉架幾何模型
回轉架長 3150mm,寬 2382mm,高 2105mm,整個結構大部分采用角鋼和 120mm × 120mm × 5mm 的方鋼管。根據回轉架的結構特征,進行幾何實體建模前,需對計算模型進行一些合理的簡化,一些小的細節可不必在模型中體現,這并不影響分析所要求的精度。建模過程中,采用由下向上的方式,考慮到焊接接觸的特點和結構實際使用過程中破壞的位置,將結構中的焊接件處理為一個完整的零件。此外,為了控制解題模型規模,簡化建模,在保證分析精度的前提下,略去了對結構強度和剛度影響甚小的圓角與倒角,對焊接過渡部分也略去不計。采用 SolidWorks 建立的回轉架幾何模型如圖 2 所示。
完成實體建模進入 CosmosMotion 后,系統能根據模型的 CAD 裝配條件自動建立運動關系,根據實際情況,按照表 1 進行調整。
運動仿真能得到回轉架在工作過程中的角速度、角加速度以及反作用力等。分析結果表明,在翻轉過程中,回轉架的受力情況是比較復雜的,既有貨物和結構本身的重力,又有由于加速旋轉產生的離心力;同時,這些力由于結構的運動,對結構的作用結果還是不斷變化的。
2. 2 回轉架有限元模型
運動分析完成后,將得到約束邊界條件載入 CosmosWorks 中,根據表 2 建立有限元模型。
2. 2. 1 材料的屬性
材料選取低碳結構鋼 Q235,該材料的彈性模量 E= 2. 1 × 105GPa,泊 松 比 = 0. 3,屈 服 極 限 σ =235MPa,密度 = 7. 85 × 103kg/ m3。
2. 2. 2 網格的劃分
網格越小精度越高,但隨著網格的不斷細化,應力的增長趨于緩慢,并向某定值靠近,由此可大致確定真實應力的取值。因此,在回轉架網格劃分時,最好結合局部細化功能并考慮應力集中的影響。由于回轉架結構中大量采用方鋼管和角鋼,其長度、寬度尺寸遠遠大于厚度的尺寸,所以在網格劃分時很多部位必須手動控制單元尺寸,在應力集中處、焊接結構處以及重要的地方使用較密的網格,其 他 地方盡量使用較稀的網格。回轉架網格劃分結果,共 97778個 節 點,51845個單元,293334個 D. O. F。建立的有限元模型如圖3 所示。
2. 2. 3 載荷與約束的處理
載荷和約束施加與工程實際是否吻合直接影響到分析結果的正確性、合理性。在實際工作中,只需分析最不利工況即最大載荷、最大幅度的工況即可。在CosmosWorks 中,載荷與約束直接在幾何模型上加載,在求解時自動轉換到有限元模型上。由于載荷由 CosmosMotion 中直接傳入,不需要額外的調整,而約束是采用"慣性卸載"。"慣性卸載"是將動態問題轉化為靜態問題求解的一種方法,其含義是:如果物體沒有被充分約束,微小的力將使其產生加速度 a,系統將對每一個單元自動應用慣性力 ma 以抵消外部不平衡的力,從而使物體處于平衡靜態位置。
3 應力分析結果
應力分析結果表明:結構應力并非對稱分布,危險面位于回轉架前面,整個結構所受最大 Mises 等效應力為 175MPa,處于回轉軸上和軸承連接處,應力分布云圖如圖 4 所示。圖 5 所示是回轉架前邊線和后邊線的結果比較。
通過應力云圖,設計者能很方便地找到應力危險區以及結構中剛度薄弱的部位,為進一步改善回轉架結構的受力情況、改進結構,減小回轉架的重量及減小設計余量提供了理論依據。
4 疲勞分析結果
如果交變載荷是隨機的,疲勞與壽命分析應該在頻域上進行,反之則是在時域上進行的。翻包機回轉架并非受隨機載荷,屬于時域范疇。其疲勞分析應從結構響應的時間歷程中得到應力循環,再采用合適的損傷理論---金屬材料的名義應力法進行損傷分析。使用名義應力法估算結構疲勞壽命的基本前提是已知與結構應力集中系數相近的 S-N 曲線,并且在疲勞載荷作用下,結構基本上處于彈性范圍。在 ANSYS 的高級疲勞包 FE-SAFE 中查得 Q235 的 S-N 曲線值如表 3所示。
從回轉架的工況來看,其應力循環比為 0。綜合考慮回轉架結構危險部位的名義應力譜和應力集中系數 KT、表面粗糙度、尺寸效應和加載類型等因數,修正得到回轉架構件的 S-N 曲線。在本例中,考慮以下因子的取值:加載類型因子(CL =0. 85)表面粗糙度因子(KS = 0. 9);尺寸效應因子(CS =0. 85)。在 COSMOS 中進行疲勞分析,插值求得其破壞循環數?；剞D架每小時運貨能力為 45 箱,如果每個工作日按 16h 計算,則回轉架壽命為 1256 個工作日與實際統計平均的情況比較吻合。
5 結語
本文借助 COSMOS 系列軟件,從翻包機回轉架運動仿真開始,解決了單純借助有限元分析工具難以確定邊界條件的問題,真實地模擬了回轉架工作這一動態過程的受力情況。由于油缸作用力并非加在回轉軸的中心而是靠前(如圖 2 所示),所以在回轉架的動態響應中,前面的軸承及方鋼管受力大,是危險的區域所在。最后,在應力分析的基礎上,還預測了結構的疲勞壽命,為回轉架結構的改進提供了理論依據。本文提供的研究方案可操作性強,對工程應用具有一定的參考價值。
作者: 陳猛 謝軍華 閔定勇 來源: 萬方數據
關鍵字: 翻包機回轉架 數字模擬 有限元分析 疲勞
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