基于apdl語(yǔ)言的折彎?rùn)C(jī)機(jī)架體參數(shù)化建模

基于apdl語(yǔ)言的折彎?rùn)C(jī)機(jī)架體參數(shù)化建模

在這項(xiàng)工作中，我們以一家通用域名格式的折扣機(jī)框架為研究對(duì)象，并使用大型有限差分軟件ansss作為分析工具。利用APDL語(yǔ)言對(duì)其進(jìn)行參數(shù)化建模,并進(jìn)行了線性靜態(tài)分析,得出了該部件的剛度及其強(qiáng)度值,為后續(xù)的優(yōu)化提供依據(jù)。1元模型的構(gòu)建1.1基于apdl語(yǔ)言的優(yōu)化分析有限元模型的建立一般由以下兩種方式:一種是直接建立法生成有限元模型據(jù);另一種是自動(dòng)網(wǎng)格建立法。直接建立法適用于簡(jiǎn)單幾何外形的機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)且節(jié)點(diǎn)、元素?cái)?shù)目較少。自動(dòng)網(wǎng)格建立法,對(duì)于復(fù)雜的系統(tǒng)較有效果,尤其是對(duì)于三維空間復(fù)雜的系統(tǒng)最為有用。由于折彎?rùn)C(jī)機(jī)架體形狀復(fù)雜,因而用自動(dòng)網(wǎng)格建立法,在此采用APDL語(yǔ)言自底而上地進(jìn)行實(shí)體模型的建立。使用APDL語(yǔ)言參數(shù)化建模,在不改變模型原有的拓?fù)潢P(guān)系前提下,可以通過(guò)簡(jiǎn)單的參數(shù)變量值的修改,來(lái)建立和分析一個(gè)新的模型。ANSYS的優(yōu)化分析要求模型進(jìn)行參數(shù)化建模。從而根據(jù)要求分別定義設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)以及狀態(tài)變量。不同型號(hào)的折彎?rùn)C(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)形狀基本類(lèi)似,只是工作載荷的不同,在板厚、尺寸上以及結(jié)構(gòu)件的相互位置關(guān)系上稍許有些差別。進(jìn)行參數(shù)化建模后,只要修改模型中的相關(guān)參數(shù)值,就可以得到不同型號(hào)的有限元分析模型,從而使模型的建立工作時(shí)間大大減少。1.2載荷和內(nèi)載荷折彎?rùn)C(jī)受載根據(jù)實(shí)際工作條件分為三種情況:一是在工作臺(tái)全長(zhǎng)上受均布載荷,二是在工作臺(tái)中部等于工作臺(tái)長(zhǎng)度60%上受均布對(duì)稱(chēng)載荷,三是工作臺(tái)一側(cè)在機(jī)器長(zhǎng)度60%上受均布載荷。由于進(jìn)行的是靜態(tài)線性分析,對(duì)于載荷的處理近似為靜載荷,然而實(shí)際過(guò)程中加載是隨著時(shí)間變化的,它是從零值逐漸遞增,至峰值后保壓,然后進(jìn)行卸載。由于機(jī)架是固定在底面的,雖然機(jī)架是通過(guò)地腳螺栓進(jìn)行固定的,但是地腳螺栓僅僅是進(jìn)行底面平動(dòng)方向的限制,對(duì)結(jié)構(gòu)分析的精度沒(méi)有很大的影響,所以對(duì)機(jī)架的底面限制其全約束?；钊闹行暮凸ぷ髋_(tái)的中心在一個(gè)平面內(nèi),根據(jù)作用力與反作用力定理,對(duì)活塞柱進(jìn)行均布?jí)毫虞d,大小為py,方向?yàn)榇怪毕蛏稀?.3solid62單元網(wǎng)格劃分從圖1可以看出,機(jī)架主要是由板、殼組成,在受力上基本是承受拉壓和彎曲兩種狀態(tài)。由于在液壓缸的底座部分是不符合殼單元選擇的規(guī)則,采用殼單元來(lái)進(jìn)行機(jī)架的有限元分析,必將帶來(lái)一定的計(jì)算誤差,特別是對(duì)于一些重要的局部區(qū)域,其應(yīng)力分析誤差較大。綜合考慮,對(duì)其采用四面體單元。為了提高計(jì)算精度,盡可能的逼近形體,選用SOLID92單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分,該單元為四面體10節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體線性單元,每個(gè)單元節(jié)點(diǎn)有三個(gè)移動(dòng)自由度。網(wǎng)格的數(shù)量直接影響到計(jì)算結(jié)果的精度以及計(jì)算的時(shí)間量,在此應(yīng)將計(jì)算結(jié)果的精度放在首位。一般來(lái)講網(wǎng)格數(shù)量的增加,計(jì)算精度會(huì)有所提高,同時(shí)計(jì)算的時(shí)間也再增加,所以對(duì)于這一問(wèn)題,分析者應(yīng)該綜合考慮,分清主次,抓住主要目標(biāo),兼顧次要目標(biāo)。在劃分網(wǎng)格前,先指定單元的相對(duì)大小為0.05,然后在相應(yīng)的部位進(jìn)行細(xì)化,使得網(wǎng)格的劃分能符合計(jì)算精度的要求。圖2為機(jī)架的網(wǎng)格劃分示意圖,節(jié)點(diǎn)總數(shù)為34348個(gè),單元數(shù)為17584個(gè)。2上地殼變形分析機(jī)架材料為Q235,由手冊(cè)查得:彈性模量E=200GPa,泊松比μ=0.3。根據(jù)這些材料特性參數(shù)選用ANSYS6.1,選用STRUCTURAL下的STATIC分析,位移的結(jié)果單位為mm,應(yīng)力的單位為MPa,以后除非特別聲明,所有的單位類(lèi)似。分析的結(jié)果如表1,機(jī)架整體位移見(jiàn)圖3,其Vonmises應(yīng)力見(jiàn)圖4,危險(xiǎn)部分的應(yīng)力分布見(jiàn)圖5。剛性分析:從上表的結(jié)果可以看出當(dāng)折彎?rùn)C(jī)工作時(shí),機(jī)架變形的最大位移為0.775mm,位置在液壓缸的頂部;底板的最大位移為0.701mm,河口的變形從上至下大致是從0.378mm變化到0.08mm。根據(jù)結(jié)果,可以看出,機(jī)架的上半部分變形比較大,尤其是前半部分的變形量較大,往下隨后逐漸降低。變形的趨勢(shì)符合工作的實(shí)際情況,結(jié)果也比較合理。應(yīng)力分析:最大的應(yīng)力值為348MPa,位置在液壓缸固定板與側(cè)板連接的底部,在實(shí)際工作中,出現(xiàn)破壞的部位恰恰在此處,而且其周邊區(qū)域的應(yīng)力值也相當(dāng)?shù)拇?見(jiàn)圖5),仍然超出許用應(yīng)力[σ]=160MPa,因此我們應(yīng)該采取措施對(duì)這一區(qū)域進(jìn)行強(qiáng)化,盡量降低其應(yīng)力值,保證強(qiáng)度符合要求。在其它部位,應(yīng)力值很小,從圖4就可以看到,絕大部分區(qū)域的應(yīng)力值很小。需解決的問(wèn)題:在折彎?rùn)C(jī)工作過(guò)程中,要求機(jī)架上半部分的變形盡量的小,從而保證工作精度,經(jīng)分析發(fā)現(xiàn),機(jī)架的變形量過(guò)大,在優(yōu)化的階段要進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)和尋優(yōu),保證機(jī)架的剛度要求。在液壓缸固定板和側(cè)板的連接部位,應(yīng)力過(guò)大,需要采取措施對(duì)這一部分區(qū)域進(jìn)行強(qiáng)化。3子模型法的應(yīng)用為了得到模型局部區(qū)域的更加精確的有限元解,通常采用子模型技術(shù)進(jìn)行分析。折彎?rùn)C(jī)機(jī)架的有限元模型中,盡管對(duì)應(yīng)力集中區(qū)域已經(jīng)網(wǎng)格細(xì)化,但是隨著網(wǎng)格的逐漸細(xì)化,此處的應(yīng)力值也始終在不斷的變化,可見(jiàn)在局部應(yīng)力區(qū)域的網(wǎng)格細(xì)密程度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,因此需要用子模型法來(lái)進(jìn)行分析,以獲得比較準(zhǔn)確的結(jié)果。對(duì)于局部應(yīng)力區(qū)域,建立的子模型見(jiàn)圖6,分析的結(jié)果見(jiàn)圖7。根據(jù)結(jié)果分析,局部應(yīng)力的最大值為369MPa,和前面的分析相比較,可以看出在切割邊界附近子模型與粗糙模型相應(yīng)位置的結(jié)果是一致的,證明切割邊界的選取是有效的、合適的。分析得出子模型的結(jié)果僅僅比前面的主模型分析的結(jié)果精度稍許提高,大約在5%,由此可以看出主模型的網(wǎng)格劃分是合理的,結(jié)果是可以接受的。4分析結(jié)果分析本文運(yùn)用APDL語(yǔ)言對(duì)折彎?rùn)C(jī)機(jī)