劉金標

(宜昌測試技術(shù)研究所，湖北 宜昌 443003)

?

基于有限元分析的鎖緊支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

劉金標

(宜昌測試技術(shù)研究所，湖北 宜昌 443003)

首先使用Pro/E軟件建立了鎖緊支架的三維模型，然后應(yīng)用集成于Pro/E內(nèi)的ANSYS Workbench軟件對鎖緊支架進行有限元分析，并根據(jù)分析結(jié)果對結(jié)構(gòu)進行改進和優(yōu)化，對材料進行重新選定，以達到設(shè)計要求。最后用實例證明，鎖緊支架的強度、剛度和質(zhì)量滿足要求，既縮短了研發(fā)周期，又降低了制造成本。

鎖緊支架；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；有限元分析；強度

鎖緊支架是某水下設(shè)備中極為重要的零件，安裝在支撐殼體內(nèi)，通過安裝在其上的液壓缸活塞桿的伸出，鎖緊固定蓋板，實現(xiàn)蓋板與支撐殼體之間的水密。由于鎖緊支架位于水下設(shè)備的上方，其質(zhì)量大小對設(shè)備的姿態(tài)穩(wěn)定性影響很大，故其在滿足足夠的強度和剛度[1]要求的同時，質(zhì)量應(yīng)盡可能小。由于鎖緊支架受力復雜，結(jié)構(gòu)形狀不規(guī)則，故理論計算存在很大的難度，為節(jié)約成本和縮短研發(fā)周期，本文采用Pro/E進行三維建模，利用集成其內(nèi)的ANSYS Workbench[2]對鎖緊支架進行有限元分析，并不斷優(yōu)化，直至設(shè)計出合格的產(chǎn)品。

1 鎖緊支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計

鎖緊支架結(jié)構(gòu)形狀不規(guī)則，質(zhì)量要求苛刻，主要存在如下特征：與支撐殼體相連的安裝面，液壓缸的安裝面以及液壓缸活塞桿導向槽。設(shè)計導向槽的目的是為了防止活塞桿在伸出過程中發(fā)生轉(zhuǎn)動。鎖緊支架在支撐殼體上的裝配示意圖如圖1所示，鎖緊支架結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

2 有限元分析模型

2.1 有限元模型的建立

為了建立合理、精準的有限元力學模型，采用Pro/E軟件建立的三維模型在導入ANSYS Workbench前需要先進行模型簡化處理：對主要的承載部位及其結(jié)構(gòu)，盡量保證原結(jié)構(gòu)的形狀和位置，保證計算模型的幾何特征、力學特征和真實情況相近；非主要承載部位及其結(jié)構(gòu)不予考慮或予以簡化，比如去掉各種螺釘孔，以提高網(wǎng)格質(zhì)量，加快計算速度。

圖1 鎖緊支架裝配示意圖

圖2 鎖緊支架結(jié)構(gòu)示意圖

暫定鎖緊支架所用材料為1Cr18Ni9Ti，該材料相關(guān)參數(shù)如下：拉伸強度σb為520.0MPa、屈服強度σs為205.0MPa、彈性模量為206.00GPa，切變模量為79.23GPa，泊松比為0.3，密度為7 930kg/m3。當安全系數(shù)n=2時，許用屈服應(yīng)力為[σs]= σs/n=102.5MPa。

鎖緊支架采用solid186實體單元、六面體網(wǎng)格進行網(wǎng)格劃分，單元大小控制為5mm，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示，其中單元數(shù)目為7 463，節(jié)點數(shù)目為33 832。

圖3 鎖緊支架網(wǎng)格模型

2.2 殼體約束和載荷

鎖緊支架安裝在支撐殼體上，故對安裝面施加固定約束，如約束A； 液壓缸活塞桿伸出，鎖住蓋板，對鎖緊支架產(chǎn)生一遠程力B，耦合面為其上安裝活塞頭的圓弧面，鎖緊支架位于密閉殼體內(nèi)部，不受流體阻力和水的壓力影響，其受力和約束如圖4所示。

圖4 鎖緊支架受力與約束圖

3 計算和結(jié)果分析

3.1 強度和剛度分析

運用有限元分析軟件ANSYS Workbench進行仿真計算，得到鎖緊支架等效應(yīng)力云圖(圖5)和縱向變形位移云圖(圖6)。由圖5、圖6可知：鎖緊支架的最大等效應(yīng)力為1 161.90MPa，最大位移為8.97mm。最大等效應(yīng)力遠大于給定材料的屈服極限205.0MPa，強度和剛度均滿足不了要求。

將鎖緊支架的單加強筋增加至2個，與中心截面對稱布置，重新進行計算，得到鎖緊支架等效應(yīng)力云圖(圖7)和縱向變形位移云圖(圖8)。由圖7、圖8可知：鎖緊支架的最大等效應(yīng)力為699.22MPa，最大位移為5.62mm。最大等效應(yīng)力仍然遠大于給定材料的屈服極限205.0MPa。

圖5 鎖緊支架單筋等效應(yīng)力云圖

圖6 鎖緊支架單筋縱向變形位移云圖

圖7 鎖緊支架雙筋等效應(yīng)力云圖

圖8 鎖緊支架雙筋縱向變形位移云圖

從受力狀況可知：液壓缸活塞桿伸出與蓋板接觸處主要承受液壓缸產(chǎn)生的力B，B為遠程力，由于鎖緊支架的懸臂較長，鎖緊力較大，產(chǎn)生的力矩亦很大，因而僅靠增加加強筋，對結(jié)構(gòu)強度的加強作用并不明顯。在力不變情況下，縮短力臂長度，產(chǎn)生的力矩必然減小[3]，使該處的應(yīng)力減小，故改變鎖緊支架在支撐殼體上的安裝形式，是提高鎖緊支架強度和剛度最有效的方式之一。結(jié)構(gòu)修改主要體現(xiàn)在以下2個方面：

1)改變鎖緊支架在支撐殼體上的安裝形式，使其力臂減?。?/p>

2)減小安裝活塞桿鎖緊頭支撐長度，并加大筋的厚度。

修改后結(jié)構(gòu)圖如圖9所示，其在支撐殼體內(nèi)的安裝示意圖如圖10所示。各種結(jié)構(gòu)形式下鎖緊支架最大等效應(yīng)力見表1。

圖9 鎖緊支架修改后結(jié)構(gòu)圖

圖10 鎖緊支架修改后裝配示意圖

表1 鎖緊支架最大等效應(yīng)力表

從表1可知，當支撐筋厚度為20mm，高度為60mm，安裝鎖緊頭支撐為60mm并去掉減重孔時，最大等效應(yīng)力降為119.53MPa，安全系數(shù)為205/119.53=1.72，仍不能滿足2倍安全系數(shù)的設(shè)計要求。該情況下鎖緊支架的等效應(yīng)力云圖和變形位移云圖分別如圖11、圖12所示。

圖12 鎖緊支架結(jié)構(gòu)調(diào)整后縱向變形位移云圖

3.2 鎖緊支架材料修改

為達到2倍安全系數(shù)，同時最大限度減輕鎖緊支架質(zhì)量，使設(shè)備浮心在上，重心在下，重心和浮心距離增大，增強設(shè)備水中姿態(tài)穩(wěn)定性,將鎖緊支架的材料由1Cr18Ni9Ti更換成同密度材料3Cr13。該材料屈服極限高達540MPa，對鎖緊支架進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和強度校核分析，結(jié)果見表2。

表2 材料更改后鎖緊支架最大等效應(yīng)力表

從表2可以看出，更換材料后，筋的厚度由20mm降為10mm，筋的高度由60mm降為40mm，安裝鎖緊頭支撐長度由60mm降為40mm，鎖緊支架的最大等效應(yīng)力為265.50MPa，滿足2倍安全系數(shù)的設(shè)計要求,減輕了質(zhì)量。此時鎖緊支架的等效應(yīng)力云圖和縱向變形位移云圖分別如圖13、圖14所示。從圖14可以看出，鎖緊支架的最大縱向變形位移為0.27mm。

圖13 鎖緊支架更換材料后等效應(yīng)力云圖

圖14 鎖緊支架更換材料后縱向變形位移云圖

4 結(jié)束語

將利用ANSYS Workbench軟件分析、校核的鎖緊支架加工制造出來，進行實載荷工程應(yīng)用，結(jié)果表明該鎖緊支架滿足了強度、剛度及穩(wěn)定性要求。故該結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析方法既縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，降低了生產(chǎn)成本，又有比較高的模擬精度，可為同類產(chǎn)品的設(shè)計提供一定的理論依據(jù)。

[1] 蘇冀林．材料力學[M]．北京：高等教育出版社，2001．

[2] 李兵，何正嘉，陳雪峰．ANSYS Workbench設(shè)計、仿真與優(yōu)化[M]．北京：清華大學出版社，2008．

[3] 蒲良貴，季名剛．機械設(shè)計[M]．北京：高等教育出版社，2001．

The optimal design of the locking support structure based on finite element analysis

LIU Jinbiao

(Yichang Testing Technique Research Institute, Hubei Yichang, 443003, China)

It establishes the locking support 3D model based on Pro/E software, and analyzes the simulation result with ANSYS Workbench software. Based on the simulation result, it proposes the optimization structure and reduces the material. The engineering applications show that the strength, stiffness and weight of the support shell meets the demands, shortens the development cycle, and reduces the manufacturing costs．

locking support; structure optimization; finite element analysis; strength

10.3969/j.issn.2095-509X.2015.09.007

2015-08-12

劉金標(1982—)，男，湖北宜昌人，宜昌測試技術(shù)研究所工程師，碩士，主要從事機械產(chǎn)品開發(fā)與設(shè)計工作。

TH472

A

2095-509X(2015)09-0023-04