CAE在机械设计中的应用

2013-06-05  by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM  来源:仿真在线

机械设计中首要考虑的是在零部件上应力集中的问题,应力集中将是产生重大的经济损失。对设备的正常运行也至关重要。计算机辅助工程(CAE),是指在计算机上利用相应的计算机分析软件(如有限元分析软件、运动仿真软件、疲劳分析软件等)进行的分析计算。如静应力、动应力和温度应力计算、各种载荷作用下的动力学、运动学和变形计算、振动频率和振动模态计算、温度、流体及高速冲击产生的应力波计算等。举例介绍了运用有限元法(FEA)对机械中几个关键件进行分析的结果,说明如何在机械设计中运用CAE完成过去无法完成的工作。

张惠玲 李东 李莎莎 王金山 来源:万方数据
关键字:CAE 计算机辅助工程 机械 设计

由于大型机械产品在工作过程中的受力情况和变形条件很复杂,所以在设计时很难较准确地计算出有关零部件的应力应变分布及动力学特性。以往是给出一些假设条件,采用工程力学的方法进行近似计算,但这样设计出的部件在几何尺寸和结构型式上都难以达到优化设计的要求。随着计算机的应用,现在可以通过计算辅助工程(CAE)的方法有效地解决这个问题。
计算机辅助工程(CAE),是指在计算机上利用相应的计算机分析软件(如有限元分析软件、运动仿真软件、疲劳分析软件等)进行的分析计算。如静应力、动应力和温度应力计算、各种载荷作用下的动力学、运动学和变形计算、振动频率和振动模态计算、温度、流体及高速冲击产生的应力波计算等。本文举例介绍了运用有限元法(FEA)对机械中几个关键件进行分析的结果,说明如何在机械设计中运用CAE完成过去无法完成的工作。
1 受力机架概率(变量化)分析
1.1 受力机架

机架是每个大型设备机工作主机的重要部件,许多受力部件安装在机架上。每台设备至少有1-2个机架,每个机架重量达几十吨至几百吨,设计要求机架有较高的安全系数,其工作时的变形必须在设计的许可范围内,设计出工作变形、应力小而且重量又轻的机架成为设计上的一个难题。
下面以5000mm轧机机架为例,用概率的方法通过有限元软件计算圆弧过渡处尺寸对应力集中的影响,以便找出各尺寸对应力集中的影响程度,确定影响最大应力最敏感的尺寸。根据机架的有限元计算,发现对于采用电动压下的机架,在机架上横梁内安装压下螺母的圆弧过渡的地方是应力集中(应力最大)的部位,影响该处应力的尺寸主要集中在圆弧过渡处,见图1所示。

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图1 机架螺丝圆弧过渡处的尺寸


在传统的有限元分析中,HEIGTH1=2mm,ANO=150°,RADIUS=44mm,DELT=10mm。为了计算尺寸变化对应力集中影响的程度,给每个尺寸一个变化范围,故在采用传统的有限元分析后进行了概率分析,可以看到哪个参数的变化对最大应力的变化影响最大。
传统有限元计算得到的最大第1主应Max-StressSl=12.66/mm2,图2所示为机架头部压下螺丝圆弧过渡处的第1主应力分布情况。

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图2 机架压下螺丝圆弧过渡处的第l主应分布


1.2 机架应力集中影响因素概率分析

在概率设计中,选取图1中所示尺寸为输入参数,输出参数为机架最大第一主应力(Max-StressSl)。每个输入参数共取50个样本点,每个样本点互不相同,四个输入参数每次随机取得一组样本点,进行传统的有限元分析,从而得到一组相应的输出参数。图3为ANG0对Max-StressSl的影响,斜线为根据二者的样本点拟合的多项式曲线,影响系数为0.5171。图4所示为RADIUS对Max-StressSl的影响情况,斜线为根据二者的样本点拟合的多项式曲线,影响系数为-0.0706。图5所示为HEIGTHl对Max-StressSl的影响情况,斜线为根据二者的样本点拟合的多项式曲线,影响系数为-0.0409。图6所示为Max-StressSl对输人参数的敏感情况,从图中的方框图和饼图可以看到,浅色区域代表Max-StressSl对作用力FORCE的敏感性,深色区域代表Max-StressSl对ANG0的敏感性,Max-StressSl对作用力FORCE的变化最敏感,第二为ANG0,其后依次为HEIGTHl和RADIUS,也就是说,FORCE的变化对Max-StressSl影响最大,其次依次为ANGO、HEIGTHl和RADIUS。
通过对机架分析,得到了机架整体的应力分布和机架沿长度、宽度方向的变形情况。尤其是得到了应力集中区情况,为降低最大应力提高机架整体性能提供了方向。通过对应力集中区进行概率分析,得到了影响最大应力最敏感的尺寸,为设计人员手工调整尺寸以降低最大应力提供了依据。可以用这种方法以机架工作时沿长度方向的变形为输出参数、机架的部分关键尺寸为输人参数,来研究影响变形的最敏感尺寸。

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图3 ANCO对MaxStressSl的影响

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图4 RADIUS对MaxStressSl的影响

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图5 HEIGTHl对MaxStressSl的影响

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图6  MaxStressSl对输入参数的敏感性

2 螺丝螺母有限元分析
螺丝螺母作为机械部件中必不可少的部件的主要部件,承受一定的作用力。螺丝螺母锯齿形牙形应力集中较大,计算该处应力、使用前掌握螺丝螺母强度状况是非常必要的。下面采用有限元分析软件对螺丝螺母装配体进行二维轴对称接触分析。
图7是螺丝螺母装配体平面图,Y轴为压下螺丝螺母装配体对称中心,作用力沿Y轴向下作用在螺丝上,忽略几扣不起作用的螺丝的牙;螺丝螺母接触处设置接触单元、螺母同本体接触处设置接触单元进行整体分析。图8是装配体的第一主应力σ1分布;图9是螺母的第一主应力σ1分布,最大为127N/mm2;图10是压下的第一主应力σ1分布,最大为196N/mm2

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图7 螺丝螺母装配体平面图      图8 装配体的σ1分布

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图9 装配体的σ1分布      图l0 螺母σ1分布


3 结论
以机架几个主要部件有限元分析的例子,说明了CAE在轧钢机械设计中的应用,但远远不仅限于此。CAE不仅应用于常规强度设计、机架部件优化、机架使用过程仿真,还应用于设备工艺的分析,建立传导教学模型、设备工作过程中温度场数学模型等。
随着分析软件以及相应的前、后处理软件功能的不断增强,CAE在现代化生产中的作用是不能低估的,它能缩短研制周期、降低成本、提高产品质量、提升产品的市场占有率,满足多种用户的需求。


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