(華北理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,河北 唐山 063000)
摘 要:通過(guò)使用Abaqus有限元軟件分析智能車庫(kù)搬運(yùn)器起重夾持機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。分析結(jié)果中指出了在最大承載情況下加持機(jī)構(gòu)的受力情況,從而能夠發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的不足之處,并適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化,使其滿足設(shè)計(jì)的要求。結(jié)果表明,分析結(jié)果與實(shí)際情況基本相符。
關(guān)鍵詞:有限元;夾持機(jī)構(gòu);強(qiáng)度
1 引言
智能車庫(kù)車輛搬運(yùn)器起重夾持機(jī)構(gòu)是拾取車輛的直接承載部件,起重夾持機(jī)構(gòu)的安全性能直接決定了整個(gè)智能車庫(kù)的安全運(yùn)營(yíng)。通過(guò)傳統(tǒng)方法對(duì)起重夾持機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)跟校核雖然有效,但在實(shí)際校核中會(huì)隨著工況不同導(dǎo)致機(jī)構(gòu)的脆弱部分發(fā)生變化,因此,所謂合理的假設(shè)會(huì)造成結(jié)果失真的現(xiàn)象。通過(guò)采用Abaqus軟件進(jìn)行分析跟校核,不但能夠真實(shí)體現(xiàn)受力情況,而且根據(jù)具體情況更能容易調(diào)整約束條件。較傳統(tǒng)條件更加直白的顯示動(dòng)態(tài)效果,具有很好的高效性和可信度。
2 有限元分析
通過(guò)Abaqus軟件進(jìn)行分析要通過(guò)模型的建立、約束邊界條件并施加載荷、網(wǎng)格的化分、結(jié)果分析等步驟。前兩步是分析的重點(diǎn),最后一步主要是對(duì)結(jié)果的查看與分析處理。
2.1 模型的建立
(1)創(chuàng)建模型及屬性:通過(guò)SolidWorks三維軟件進(jìn)行簡(jiǎn)化建模并導(dǎo)出格式為.sat格式文件,然后導(dǎo)入到Abaqus軟件中(如圖1)。此圖已經(jīng)做了一些簡(jiǎn)單化結(jié)構(gòu)處理,以便于在網(wǎng)格化分得到簡(jiǎn)化,如圖1左邊楔形結(jié)構(gòu)部分。
右側(cè)楔形結(jié)構(gòu)上面裝有圓柱形滾輪,主要功能是夾持起重汽車輪胎進(jìn)行拾取使其脫離地面,然后通過(guò)小車的行走進(jìn)行搬運(yùn)車輛,在不影響分析結(jié)果的前提下簡(jiǎn)化成如圖左側(cè)的結(jié)構(gòu)。左側(cè)是起重夾持伸縮機(jī)構(gòu),主要功能是完成夾持塊的伸縮與支撐。搬運(yùn)器起重夾持機(jī)構(gòu)的工況條件是:低速、高負(fù)載、要求形變小的環(huán)境條件。由于強(qiáng)度較高,塑性和韌性較好,屬于綜合力學(xué)性能比較好的鋼,因此,根據(jù)承載能力、安全可靠性選用材料為45號(hào)鋼(優(yōu)質(zhì)碳素鋼)作為原材料。其中,經(jīng)過(guò)熱處理后能夠達(dá)到=600MPa、=355MPa、楊氏模量(E)=210GPa、泊松比()=0.236、密度()=7890Kg/m3。
(2)定義材料屬性:車輛搬運(yùn)器起重夾持機(jī)構(gòu)選用材料為45號(hào)鋼,該材料的力學(xué)彈性屬性是:彈性模量為210GPa,泊松比為0.269,彈性類型為各向同性。然后創(chuàng)建截面屬性并對(duì)起重夾持機(jī)構(gòu)賦予截面屬性。
2.2 約束邊界條件并施加載荷
(1)約束邊界條件:通過(guò)設(shè)定邊界條件約束,確定待分析部件因受到外部因素而引起變形以及內(nèi)外部位的受力情況。根據(jù)搬運(yùn)器起重夾持機(jī)構(gòu)的實(shí)際安裝情況,左側(cè)伸縮機(jī)構(gòu)通過(guò)導(dǎo)軌以及卡口連接,右側(cè)畸形結(jié)構(gòu)斜面與汽車輪胎直接接觸。通過(guò)實(shí)際情況轉(zhuǎn)化到靜力學(xué)分析,可以確定左側(cè)伸縮機(jī)構(gòu)端面被完全固定,右側(cè)楔形機(jī)構(gòu)的斜面是受力表面。通過(guò)Abaqus軟件操作可以確定邊界約束情況跟施加載荷情況如圖2所示。
(2)施加載荷:起重夾持機(jī)構(gòu)通過(guò)夾持汽車輪胎來(lái)對(duì)車輛進(jìn)行拾取,當(dāng)整個(gè)待搬運(yùn)車輛車輛被完全抬起來(lái)的時(shí)候,夾持機(jī)構(gòu)最大靜載荷達(dá)到最大值。夾持機(jī)構(gòu)安全性能跟成本直接跟商家的利益直接相關(guān),因此,施加載荷的合理性至關(guān)重要。假設(shè)搬運(yùn)器允許搬運(yùn)的最大車重3000Kg。一個(gè)搬運(yùn)器需要4組夾持機(jī)構(gòu)同時(shí)對(duì)待搬運(yùn)車輛4個(gè)輪胎進(jìn)行拾取,每組夾持器由一對(duì)夾持機(jī)構(gòu)組成。通過(guò)計(jì)算可知每組夾持機(jī)構(gòu)受力為。楔形斜面與底面成,通過(guò)靜力學(xué)分析可知,楔形斜面正壓力。由于輪胎與楔形斜面的接觸是面接觸,因此,等效成壓力更為貼切,則壓力。
2.3 網(wǎng)格的化分
(1)定義網(wǎng)格單元類型:由于經(jīng)簡(jiǎn)化后結(jié)構(gòu)模型并不復(fù)雜,因此,采用單元類型單元庫(kù)類型中的standard,簇采用C3D8R(三位應(yīng)力):八結(jié)點(diǎn)線性六面體單元。
(2)網(wǎng)格的化分:在Abaqus中劃分網(wǎng)格前首先對(duì)裝配件設(shè)為獨(dú)立部件才能夠進(jìn)行劃分。網(wǎng)格化分包括自由網(wǎng)格化分跟映射網(wǎng)格化分,因?yàn)樽杂删W(wǎng)格較常用在劃分形狀不規(guī)則并且邊界形狀復(fù)雜的區(qū)域,精確度不高。對(duì)于映射網(wǎng)格化分具有較高的精確度,但這種網(wǎng)格化分區(qū)域需要一定的拓?fù)錀l件,否則不能采用映射劃分網(wǎng)格。對(duì)于結(jié)構(gòu)不太復(fù)雜的搬運(yùn)器起重夾持機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化模型,雖然滿足映射網(wǎng)格化分條件,但采用以自由網(wǎng)格為主,映射網(wǎng)格為輔的方式也能夠滿足要求。采用全局單元網(wǎng)格近似尺寸為5,先進(jìn)性網(wǎng)格化分,然后經(jīng)檢查網(wǎng)格缺陷分析可知,共劃分六面體網(wǎng)格單元數(shù)為13826個(gè),楔形網(wǎng)格單元數(shù)為710個(gè),如圖3所示。
2.4 結(jié)果分析與后處理
通過(guò)創(chuàng)建分析步并提交作業(yè)后,可以得到應(yīng)力云圖S(圖4)和位移云圖U(圖5)所示??梢钥吹皆谏炜s機(jī)構(gòu)最左端最大應(yīng)力為69.85MPa,右端最大位移為1.197mm。一般來(lái)說(shuō),最大變形不應(yīng)超過(guò)0.7mm才能滿足搬運(yùn)安裝要求。因此,為了減小位移變形跟右端卡口部位的應(yīng)力情況,需要對(duì)原有設(shè)計(jì)進(jìn)行更改,增大伸縮直徑為70mm,減小變形程度。修改后的應(yīng)力云圖(圖6)和位移云圖(圖7)如圖所示。從云圖結(jié)果中可以看出最大位移變形量明顯減小,最大位移變形變成0.4741mm,滿足設(shè)計(jì)裝配要求。
3 結(jié)論
經(jīng)過(guò)Abaqus軟件分析可以得出,采用伸縮桿采用直徑為70mm時(shí),起重夾持機(jī)構(gòu)的整體位移變形進(jìn)一步縮小,為將來(lái)安裝定位設(shè)備進(jìn)一步提高了定位精度。
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