支架的靜力分析及改進(jìn)

1、支架靜力分析和改進(jìn)李慶輝(機(jī)械工程學(xué)院機(jī)研114班s20110851)摘要：本文通過支架問題的提岀運(yùn)用abaqus軟件對支架的受力情況進(jìn)行了有限元仿真分析。通過分 析支架內(nèi)部所受最大的von-mises應(yīng)力，來得到改進(jìn)支架設(shè)計(jì)的建議。關(guān)鍵詞：有限元仿真；靜力分析；abaqus； mises應(yīng)力如圖1所示的支架，一端牢固地焊接在一個(gè)大型結(jié)構(gòu)上，支架的圓孔屮穿過一個(gè)相對較軟的桿件, 圓孔和桿件用螺紋連接。材料的彈性模e = 21()000mpa ,泊松比卩=().3。支架有以下兩種工況：1) 桿件的一端受到沿y軸負(fù)方向上的集中力f=2kn，其大小隨時(shí)間變化。2) 除了上述載荷之外，支架的白由端還在

2、局部區(qū)域上受到均布的剪力ps =36mpao要求確定這兩種工況下支架撓度隨時(shí)間變化的情況，以及內(nèi)圓角處的最大主應(yīng)力。根據(jù)分析結(jié)果來 改進(jìn)設(shè)計(jì)，以減小應(yīng)力集中。飯中力何kn圖2力的加載圖1幾何模型1有限元模型的建立1.1建立零件和裝配根據(jù)問題描述，考慮其對稱性可以只取模型的二分z進(jìn)行計(jì)算。圖3為所建的零件。隨后建立一 裝配體，將該零件添加到裝配體屮。圖3零件圖圖4網(wǎng)格劃分1.2材料模型及網(wǎng)格劃分將支架設(shè)置為彈性體，e = 2l0000mpa ,泊松比卩=0.3,單元類型為二次20節(jié)點(diǎn)縮減積分實(shí)體單 元（c3d20r）。考慮到支架的應(yīng)力集中，將支架內(nèi)圓角處細(xì)化。如圖4所示。1.3邊界條件及載荷考慮

3、到支架的受力條件和對稱性，對其進(jìn)行如圖5的約束添加：1）載荷：圓孔通過螺紋和桿件連接，受到桿件向下的集中力2kn,隨時(shí)間增量步如圖2所示，在 模型中建立參考點(diǎn)rp-1,將其和圓孔表血添加耦合約束，模擬桿件対螺紋孔的受力情況，在支架的自 由端上受到局部的剪應(yīng)力36mpa；2）邊界條件：支架的端部固定，設(shè)定六個(gè)自由度全部為零，在對稱面上設(shè)定對稱邊界條件z方 向的位移和x, y方向的旋轉(zhuǎn)。圖5邊界條件和載荷的添加2結(jié)果分析2.1支架應(yīng)力分析s, mises (avg: 75%)+6.706©+02 +6148e+02 +5.589©+02 +5.030e+02 +4.472+02

4、 +3.913e+02 +3.354e+02 +2.795e+02 +2.236e+02 + 1.678e+02 + 1.119e+02 +5.601e+01 + 1.326e-01圖6變形后的的網(wǎng)格模型圖7 mises應(yīng)力云圖圖6所示為支架變形后的網(wǎng)格模型，從中可以看到隨曹載荷的添加，支架底部的網(wǎng)格發(fā)牛了變化, 輪廓產(chǎn)生了彎曲。圖7所示為支架在受到載荷后的mises應(yīng)力云圖，從屮可以看出應(yīng)力集中處為支架的 內(nèi)圓角部分，且最人值達(dá)到了 670.6mpa,可見其應(yīng)力集屮是相當(dāng)人的；還有在螺紋孔部分的應(yīng)力值明 顯大于其固定端和自由端的值，這是由于支架在螺紋處受到了向下的力導(dǎo)致的。圖8沿內(nèi)圓建立的路

5、徑為了進(jìn)一步分析支架內(nèi)圓角處應(yīng)力的分布，建立了一個(gè)路徑，如圖8所示。最后得到支架mises 應(yīng)力沿內(nèi)圓分布，如圖9所示。從曲線中可以看出靠近固定端的圓弧段的應(yīng)力較小只有l(wèi)oompa左右； 隨著離口由端（局部受剪切力）越來越近，應(yīng)力也隨z增大，當(dāng)?shù)竭_(dá)圓弧的最低點(diǎn)的時(shí)候達(dá)到最大值 670mpa；過了最低點(diǎn)后，應(yīng)力又開始減小。2.03.04.0true distanee along paths, mises (avg: 75%): true dist. along 'path-1*600.500.200.1.05.05.01000.0s塔400300.圖9支架mises應(yīng)力沿內(nèi)圓分布2.2支

6、架撓度分析圖10所示為支架的位移云圖，從圖中可以看出由于支架螺紋孔受到桿件向卞的集中力和自由端血 局部的剪應(yīng)力，導(dǎo)致支架口由端產(chǎn)生向下的變形，且在口由端面有最大值().3()()7mm。圖11所示為顯示 位移的矢量圖，可看出支架各節(jié)點(diǎn)在載荷的作用下的位移人小和方向。u, magnitudei+3.007e-01 +2.756e-01 +2.505e-01 +2.255e-01 +2.004e-01 + 1.754e-01 +1.503e-01 + 1.253e-01 + 1.002e-01 +7.516e-02 +5.011e-02 +2.505e-02 +0.000e+00圖ii顯示位移的矢量圖圖10位移云圖3結(jié)論如上所述支架內(nèi)圓角處的應(yīng)力較大，為了減小支架內(nèi)部的應(yīng)力集中和支架自由端部的撓度，盂要改 進(jìn)設(shè)計(jì)?？梢允褂靡韵路椒▉砀纳苾?nèi)圓角處的應(yīng)力狀態(tài)和疲勞強(qiáng)度：1) 增大內(nèi)