基于COSMOSWorks的作业架横梁有限元分析_图文

1、l墨置皇e窑耋冒目墨园巨窨重蜜E四型堕些堡劢基子COSMOSWorks韵作业架横梁有限元分析马世榜,姜萌(南阳理工学院机电工程系,河南南阳473004摘要:阐述了根据某作业架的工作情况和结构,对其关键部件横梁进行了理论计算分析.采用有限元分析方法。建立了三维计算模型,运用COSMOSWorks软件对作业架横梁进行有限元分析,分析结果与理论计算分析一致,为优化横梁尺寸结构提供理论依据。对数据进行了分析,提出改进横粱结构尺寸的措施,分析改进后的横粱。结果表明,改进后的横梁既节省材料又安全可靠。关键词:作业架;横梁;有限单元法;COSMOSWorks中图分类号:TP391.77文献标识码:A文章编号

2、:1009-9492(20lo03-0069-031引言设计某型号作业架如图1所示。作业时作业架的横梁可以根据作业情况做升降运动.横梁上的挂接装置挂接载图1作业架示意图荷根据作业要求可以在横梁上做左右移动。作业时横梁最高可以升高到1.5m的高度,横梁的跨度是4m,要求工作图2横梁横截面图收稿日期:200911-09安全系数S=I.5。横梁的最大变形量不超出20ram。作业架中关键的承载件横梁长期以来一直采用经验设计方法进行的设计。由于横梁较长.为节省成本,采用市场上供应的20a号工字钢.即200ram100minx7.OmmGB70688.其横截面尺寸如图2所示.高度h=200lnlTi。腿宽

3、度6=100mm.腰厚度d=Tram.材料为Q235一A。许用弯曲应力为仃=157MPa,横梁允许最大变形量A=20mm。为使其结构尺寸更加合理,避免发生材料浪费、能耗大等现象,以降低生产成本。本文采用有限元分析方法。对作业架关键承载件横梁进行有限元分析,根据分析结果提出结构设计改进方案。2横梁理论受力分析横梁两端是通过焊接固定在升降装置上,只可沿着作业架两侧的立柱傲上下移动.其受力模型可以简化为一简支梁。横梁受力有自身的重力,挂接装置的重力和挂接装置上承载的最大重量。根据受力情况可知当挂接装置挂接承载物移动到横梁的中间时。横梁变形量最大,工况最危险。因此主要分析此工况情形。横梁单位长度的质量

4、为27.93kg/m,取g=9.8N/kg,则横梁均布重力载荷密度为口=27.93x9.8=273.71N/m,挂接装置及外载荷总质量为耽=180kg,则横粱受最大外载为P=mzg=180x9.8=1764(N,横梁受力简化情况如图3所示。l rPIlm丌rTl丌兀1丌mTm丌m丌丌1丌m凡I|I|l I|I1lI Jl|I|J I|II I|Il。c彩图3横梁受力简图由横梁受力简图根据横梁的平衡方程,求出支反力为几=RB=1429.42N,由受力图可知段AC和段CB是对称的,列出AG段弯矩方程为肘(菇=屁一可1 g聋2(o并2m,(歪i釜些堡皇些E墨I詈口盈墨I墨墨墨善a匿譬茎盈则最大弯矩出

5、现在x=2m的截面处,弯矩图如图4所示,最大弯矩为肘。=2311.42Nm。由横梁的截面形状可得横梁的抗弯截面系数为Wr=31.5cm3。所以最大弯曲应力为盯=争=7338MPa盯,即作业架横梁理论上是安全的。图4横梁弯矩图3COSMOSWorks有限元法分析COSMOSWorks是一种基于有限元法分析的设计分析软件。完全整合在三维设计软件SolidWorks中。能够提供压力、约束、频率以及优化等设计分析,为机械设计工程师在SolidWorks环境下提供了比较完整的分析手段。凭借先进的快速有限元技术(FFE,工程师能非常迅速地运用它实现对大规模复杂设计的分析和验证,并且获得修正和优化设计所需的

6、必要信息。同时将分析的模型和结果与SolidWorks共享一个数据库.计算结果也可以直观地显示在SolidWorks精确的设计模型上,直观地管理分析任务、载荷、边界条件、有限元网格和计算结果等数据。真正的做到了设计分析一体化。方便、快捷。3.1横梁三维模型的建立根据图2横梁截面尺寸.在solidWorks三维实体造模环境中绘制出相应草图.利用特征建模基体拉伸命令即可建立横梁的三维实体模型。在建模过程中.要注意模型细节的消除处理.即在对横梁结构和使用工况进行分析的基础上。取舍一些非关键性的特征部分如“倒角”等,以便三维实体模型导入COSMOSWorks环境中后.能自动转化成为有效的有限元模型。能

7、成功进行有限元网格划分和计算。所建横梁三维有限元模型如图5所示。图5横梁有限元三维模型3.2创建算例、定义材质、施加约束条件在COSMOSWorks中创建一个静态算例.命名为横梁分析。首先要赋予横梁材料,定义横梁材料各项指标定义如表1所示。表1材料的各项指标材料弹性模量泊松比抗剪模量质量密度屈服强度极限强度Q235-A20棚ll0.2879枷lO7800235e枷840。枷8 11蔓!垡!臣生!笪g!立施加约束和载荷。横梁的两端直接焊接在升降装置上,焊接长度为140mm,相对整个横梁长度来说较短。可以认为是约束横梁的两个端面.所以约束面取横梁的两个端面。横梁受载荷由两部分组成.一部分是自身的重

8、量,另一部分是挂接装置的重量和挂接外载荷的和P。横梁自重部分,施加载荷时直接施加“引力”,根据最不利工况情况总外载荷P施加在横梁中间部。单元格的划分。COSMOSWorks可根据零件情况自动划分网格的形状及大小.也可由使用者根据需要自行调节网格大小。单元格越小,划分得就越精细,网格数也越多,相应的计算量就越大。一般情况下采用默认的网格划分,其结果和精度即可满足要求。这里采用四面体单元格,单元大小为24.257mm,公差为1.2128mm,将横梁共划分为17192个单元格,节点数为35315。施加约束、载荷和划分单元格后的横梁如图6所示。图6横梁施加约束载荷和单元格划分图3.3有限元计算结果分析

9、参数设定完成后。点击算例“运行”由COS. MOSW0rks自动进行分析计算。分析后应力和变形位移云图分别如图7、8.由图可知。最大应力出现在横梁的中间处,最大变形应力为71.93MPa,远小于许用应力;最大变形出现在横梁的中间处,最大变形位移量为4.48mm,由“设计检查”可知最危险处安全系数为3.3。综合有限元分析结果可知.其与理论计算分析基本一致。分析结果可信,可为结构尺寸设计提供理论依据,同时知作业架横梁的设计比较保守,有减少尺寸重量节省材料的空间。4结论运用COSMOSWorks对作业架横梁分析计算的结果理论计算分析的结果相比,出现最大应力、最大位移的位置是一致的,其变化规律基本相同

10、,说明其分析结果基本是可信的,对实际的设计改造具有指导作用。且COS. MOSWorks有限元分析方便快捷,缩短设计时间。提高设l墨,目宙臣墨I蓥墨l罨a臣墨茎盈型重些堡砂图7应力云图计的准确性和可靠性.达到优化设计的目的。根据COSMOSWorks计算分析结果,为优化设计作业架,提出作业架横梁采用材质为Q235一A的10号工字钢,即100mmx 68mmx4.5ram(GB70688,高度h=lOOmm,腿宽度b= 68mm。腰厚度d=4.5ram。按照上述有限元分析过程方法,用solidWorks/COSMOSWorks对改进后的横梁建模和有限元分析,计算出最大应力为144.5MPa,小于

11、许用应力,横梁的最大变形量为13mm,小于横梁最大允许变形量。中间薄弱区的最小安全系数为1.63。也满足使用要求。改进后的横梁重量减轻了51.80kg(横梁原重111.72kg。减少了原重量的46.4%,节约了材料,降低了成本。同时重量减轻后移动方便,横梁上下移动动力能耗减小,间接效益将更为可观。图8变形位移云图参考文献:1刘固良,刘洛麒.SolidWorks2006完全学习手册图解COSMOSWorksM.北京:电子工业出版社,2006.2张卫东,陈科.基于cosmos/works的压力机机架设计分析J.机械设计与制造,2005(1:53-54.3谢黎明,李大明,沈浩。等.基于CosmosW

12、orks的现场铣床横桀结构优化J.中国制造业信息化,2008(8:46-48.4刘鸿文.材料力学M.北京:高等教育出版社,1991.5江洪,陈燎,王智,等.SolidWords有限元分析实例解斩M.北京:机械工业出版社,2007.第一作者简介:马世榜,男,1978年生,河南南阳人,硕士,讲师。研究领域:机械设计。已发表论文8篇。(编辑:向飞零零零祭零零零零零琴攀零零祭攀攀零攀攀祭琴攀零攀零琴攀琴琴攀零祭(上接第23页现场控制单元与上位控制系统间采用RS485通信。所有现场信息可在上位机上实时显示,并完成历史曲线、报表生成和储、打印等功能。4试验结果与结语通过对该系统进行了全面试验,对电源输出数据采集系统的检测和分析显示:通过上位机系统和现场控制单元的协调控制,输出电压电流满足了系统稳定性和实时性的要求,成功点燃等离子炬,提供了稳定可靠的高温氢等离子体热源。根据上位机的指令,输出负载所需电压、电流现场试验波形如图8所示。本方案中使用的主电路及控制系统.还可以适合在类似要求的直流供电用途中,例如:等离子体加热电源,垃圾处理用弧流电源,航天设备等离子环境的风洞实验等。它们的共同特征是负载特性变化快.对于控制响应的实时性要求非常高。电源输出电压等级较高,需要良好的主电路和控制电路隔离,本系统中采用的光纤隔离方案能很好的满足系统要求。参考文献:1王兆安,