何欣興

周瑞麗

（臺州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，臺州318000）

0 引言

目前，市場上花盆架種類繁多，結(jié)構(gòu)形式五花八門。對花盆架的設(shè)計側(cè)重于外觀及結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，對架體本身結(jié)構(gòu)強度分析研究較少，這就導(dǎo)致所設(shè)計的花盆結(jié)構(gòu)強度無法保證，疲勞失效較快，甚至出現(xiàn)花盆脫落砸傷等危險。為解決目前花盆架設(shè)計中存在的問題，選擇市場上主流的圓環(huán)型多層花盆架為研究對象，對其進行主要結(jié)構(gòu)強度的數(shù)值模擬研究，為優(yōu)化設(shè)計提供指導(dǎo)和依據(jù)。

有限元分析技術(shù)摒棄了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的被動校核方法，且能夠在最短的時間內(nèi)尋求最佳設(shè)計方案,在很大程度上減少了設(shè)計成本和設(shè)計周期，目前已經(jīng)應(yīng)用到各機械行業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中[1]。本研究以Hypermesh作為前處理軟件，對花盆架盆托等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進行幾何模型處理和網(wǎng)格劃分。在處理幾何模型和網(wǎng)格的效率和質(zhì)量方面，Hypermesh具有很好的速度，適應(yīng)性和可定制性，并且模型規(guī)模沒有軟件限制[2]。經(jīng)前處理后的模型，導(dǎo)入Abaqus，以Abaqus作為計算平臺，進行數(shù)值模擬分析。Abaqus是一套功能強大的工程模擬有限元軟件，其解決問題的范圍從相對簡單的線性問題到復(fù)雜的非線性問題[3]。

1 模型處理

兩種結(jié)構(gòu)的圓環(huán)型多層花盆架原始幾何模型如圖1、圖2所示，兩種結(jié)構(gòu)花盆均采用多層形式布置，區(qū)別在于每層各盆托與承載肋連接形式不同。結(jié)構(gòu)一中承載肋圓周均布，承載肋一端采用焊接形式，與中心柱剛性連接，另一端連接在兩盆托外側(cè)承載圈中間位置。結(jié)構(gòu)二中承載肋一端與套在中心柱上的盆托內(nèi)側(cè)承載圈剛性連接，另一端直接與每個盆托接觸。兩種結(jié)構(gòu)強度差別主要在各層托架處，結(jié)構(gòu)一將載荷直接作用在中心柱上，而結(jié)構(gòu)二直接作用在內(nèi)側(cè)承載圈上。因此，本次分析的重點關(guān)注部位為托架，托架各層受力形式相當(dāng)，每種結(jié)構(gòu)任取一層托架進行數(shù)值模擬分析，對其他分析非重點關(guān)注位置予以簡化。

2 邊界條件

將兩種結(jié)構(gòu)分析用幾何模型運用Hypermesh進行網(wǎng)格劃分和相關(guān)邊界條件設(shè)置，得到兩種結(jié)構(gòu)的有限元模型，如圖3、圖4所示。托架中心位置施加位移限制約束，模擬結(jié)構(gòu)一托架中心柱及結(jié)構(gòu)二托架內(nèi)側(cè)承載圈對花盆支架的支撐及位移限制約束；以每個花盆重2.5kg給花盆托圈施加集中載荷，并采用耦合邊界條件將這些集中載荷均布于每個花盆托圈邊緣，以模擬各個花盆對花盆架的重力作用；兩種結(jié)構(gòu)的劃分支架材料均采用45#鋼，該材料各性能參數(shù)主要包括密度7.85E-9 ton/mm3；彈性模量2.05E5MPa；泊松比0.29；屈服強度355MPa；抗拉強度極限600MPa；失效應(yīng)變0.016mm/mm。

圖3 結(jié)構(gòu)一有限元模型

圖4 結(jié)構(gòu)二有限元模型

3 分析結(jié)果

結(jié)構(gòu)一、結(jié)構(gòu)二施加前述相同邊界條件，經(jīng)計算，得到等效應(yīng)力、最大主應(yīng)力分布云圖如圖5-8所示，沿中心柱軸線方向變形云圖如圖9、圖10所示。

圖5 結(jié)構(gòu)一等效應(yīng)力分布云圖

圖6 結(jié)構(gòu)二等效應(yīng)力分布云圖

圖7 結(jié)構(gòu)一最大主應(yīng)力分布云圖

圖8 結(jié)構(gòu)二最大主應(yīng)力分布云圖

圖9 結(jié)構(gòu)一Z方向變形云圖

圖10 結(jié)構(gòu)二Z方向變形云圖

由以上分析結(jié)果可知，結(jié)構(gòu)一應(yīng)力較大的區(qū)域主要集中在均布承載肋與托架中心柱，以及均布承載肋與托架外側(cè)承載圈連接位置（如圖5，圖7所示），這些位置應(yīng)力以拉應(yīng)力為主（如圖7所示）；結(jié)構(gòu)2的應(yīng)力主要集中于均布承載肋與內(nèi)側(cè)承載圈，以及均布承載肋與各盆托連接位置，（如圖6，圖8所示），這些區(qū)域應(yīng)力也以拉應(yīng)力為主（如圖8所示）。

圖6-8顯示兩種結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力均為180MPa，結(jié)構(gòu)一達180MPa應(yīng)力區(qū)域呈點狀分布，其余高應(yīng)力基本集中在100-120MPa之間；結(jié)構(gòu)二高應(yīng)力區(qū)域較結(jié)構(gòu)一范圍更大，高應(yīng)力區(qū)域應(yīng)力集中在150-180MPa。兩種結(jié)構(gòu)應(yīng)力均小于材料強度極限。

圖9、圖10為兩種結(jié)構(gòu)在給定邊界條件下的變形分布云圖。由變形分布云圖可知，兩種結(jié)構(gòu)的變形均集中在各盆托外側(cè)邊緣。其中，結(jié)構(gòu)一盆托外側(cè)邊緣最大變形量為0.26mm，結(jié)構(gòu)二盆托外側(cè)邊緣最大變形量為0.89mm。從變形角度衡量，結(jié)構(gòu)一和結(jié)構(gòu)二的變形都沿中心孔呈圓周對稱分布，穩(wěn)定性都比較好，但從變形量分析，結(jié)構(gòu)一的穩(wěn)定性高于結(jié)構(gòu)二。

4 結(jié)論

本文用有限元方法對兩種結(jié)構(gòu)花盆架關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進行了結(jié)構(gòu)強度分析。根據(jù)Abaqus的分析結(jié)果，可以得到如下結(jié)論：結(jié)構(gòu)一托架高應(yīng)力分布區(qū)域較結(jié)構(gòu)二范圍更小，其他位置等效應(yīng)力和最大主應(yīng)力均較低；結(jié)構(gòu)一最大變形量較結(jié)構(gòu)二更小。從應(yīng)力、應(yīng)變兩方面對分析結(jié)果綜合分析，結(jié)構(gòu)一比結(jié)構(gòu)二強度更高。經(jīng)實驗測得，采用結(jié)構(gòu)一形式的花盆架較結(jié)構(gòu)二強度更高，實驗數(shù)據(jù)與分析結(jié)果基本吻合。綜上所述，通過設(shè)置合適的邊界條件，有限元分析方法能夠獲得與實際較為一致的應(yīng)力、變形分布結(jié)果，可以為設(shè)計提供參考。

[1]陳藝，張子軍，潘明.結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計＆有限元分析在機械設(shè)計中的應(yīng)用——ABAQUS分析桁架結(jié)構(gòu)[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備，2007，（5）：40-46.

[2]李楚琳.HyperWorks分析應(yīng)用實例[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[3]石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析實例詳解[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.

[4]劉鴻文.材料力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1992：285-289.