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2010产品创新数字化峰会征文:液压硫化机底座的参数化建模与分析

2010/11/20    来源:e-works    作者:冯水安      
关键字:液压硫化机  底座  ANSYS  APDL  参数化设计  
参数化设计与分析是降低成本、提高研发效率的有效手段之一,通过ANSYS参数化语言APDL对新型液压硫化机的底座进行建模,并对其进行应力和应变分析。ANSYS参数化语言易修改,为新型设备的研发设计提供新思维、新手段。

1 前言

    CAE(Computer Aided Engineering)是用计算机辅助求解复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法,是一种工程实际中常用的可靠性数学分析方法。它将整个零件或装配体划分为若干个简单的单元,并建立控制各个单元之间的联系的行为方程式。这些行为方程式将研究对象的材料、属性与外载荷以及约束联系在一起,建立成一个统一的整体。CAE系统的核心思想是结构的离散化,就是将实际结构离散为有限数目的规则单元组合体,实际结构的物理性能可以通过对离散体进行分析,得出满足工程精度的近似结果来替代对实际结构的分析。

    随着现代工业的迅速发展,新型设备以其高精度、高质量、高效率等优良加工性能在现代工业生产中使用越来越广泛。我国交通运输事业的迅速发展,高速公路不断铺设,这就对对轮胎的均匀性提出了越来越高的要求,因此对硫化机的工作精度要求也随之提高。由于机械式硫化机存在的不可克服的弱点,轮胎的均匀性机械式硫化机很难予以保证,已不能满足由于高速公路的发展,对轮胎质量要求的日益提高。因而世界上许多公司已逐步采用液压式硫化机代替传统的机械式硫化机,其采用新式结构,提高硫化机的各技术指标,重要零部件通过有限元分析,从而满足高等级子午线轮胎制造要求。

    APDL即ANSYS参数化设计语言,可用来完成有限元常规分析操作,或通过参数化变量方式建立分析模型的脚本语言,为用户提供了一种自动完成有限元分析工程的工具,它是完成优化设计和自适应网格最主要的基础。APDL可完成尺寸、材料、载荷、约束和网格密度等操作,可减少大量的重复工作量。本文主要通过ANSYS对硫化机底座进行建模和有限元分析,保证底座的应力和应变要求,对液压硫化机底座进行优化设计。

2 建立有限元模型

    2.1 建立实体模型

    用APDL语言建立液压硫化机底座实体模型,利用其参数化语言的建模和修改功能可以方便地对模型进行修改,在进行有限元分析的时候,一定要对模型做必要的简化,以减少计算量和时间,提高精度。底座由上座板、端板、隔板、腹板、下法兰板及下座板焊接而成。考虑到产品开发便捷性,这里直接采有ANSYS对底座进行有限元分析。由于底座结构和载荷的对称性,选用底座模型的1/4结构进行建模和有限元分析。故只需对这1/4对象进行建模,具体程序如下: 


 


   
    实体模型如图1所示。

图1 底座1/4实体模型

图1 底座1/4实体模型

    2.2 定义单元类型、材料参数

    模型中前后隔板、两侧连接板和下面两块法兰采用SOLID45单元,该单元通过8个节点来定义,每个节点有3个沿着xyz方向平移的自由度,可进行映射划分;其他部分均采用SOLID92单元,该单元通过10个节点来定义,每个节点有3个沿着xyz方向平移的自由度,有二次方位移和能够很好划分不规则的网格。材料类型和单元特性定义的参数化语言如下:

表1 底座材料属性

 

数据名称

材料

弹性模量(Pa)

泊松比

屈服强度(MPa)

抗拉强度(MPa)

数值

Q235-A

2.06E+11

0.3

235

380

    2.3 网格划分

    在对几何模型进行网格划分时,主要采用两种单元类型,即solid45和solid92。网格划分的过程中,为了提高计算精度,将所有的板尽可能地划分为规则单元,以得到四边形面单元,通过对其赋予不同的属性来真实反映其情况。网格划分是有限元分析时关键的一步,根据不同零件控制网格尺寸后再执行网格划分,从而划分出质量较好的网格单元。
 
    网格划分后的有限元模型如图2所示。

图2 底座的的有限元模型

图2 底座的的有限元模型

3施加载荷和求解

    对有限元模型进行边界条件的处理。对两侧板和下法兰进行x,y,z三个方向的自由度及三个方向的转动自由度的约束,将压力施加在两个接触面上,在两个对称面上施加对称约束。
压力P计算如下:
    
    加载后的有限元模型如图3所示。

图3 加载后的底座有限元模型

图3 加载后的底座有限元模型

4 对底座进行应力分析

    4.1 应力结果分析

    底座应力分析如图4所示。

图4 横梁应力分布图

图4 横梁应力分布图

    从图4底座节点等效应力Von Mises分布云图可知,底座大部分区域的等效应力Von Mises值在0~215MPa之间,最大值为215MPa,位置在底座的端板和下座板的联接部位,根据材料Q235-A的材料属性可知,屈服强度为235MPa,故此处的应力值低于材料的屈服极限,其应力集中不会影响床身的刚度。不过此处最容易变形,这正是进行底座结构设计时考虑的要点,因此在联接部分一定要加强。此处强度满足要求。

    4.2 应变结果分析

    应变结果分析如图5所示。

图5 框架应变图

图5 框架应变图

    根据应变分析图可以看出,整个底座在弯矩的作用下,在上座板产生的变形最大,最大变形量为3.06mm,此结果满足液压硫化机底座的刚度要求。

5 结语

    利用ANSYS参数化设计语言实现参数化建模,这样的分析过程对于不定的有限元模型具有特殊的意义,有助于研发。基于这样的有限元分析过程,可以对结构进行进一步迭代优化设计,从而得到最佳形态的结构,在符合设计要求的同时,既节省了材料,又提高了强度。优化结果表明,通过合理地选择主要板件的厚度可以有效地减轻底座的重量及提高其强度刚度,对底座及其整台设备的设计具有实际意义。

责任编辑:许小倩
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