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        基于ANSYS Workbench頂輪軸的設(shè)計與優(yōu)化

        2015-05-09 01:40:02新興重工湖北三六一一機(jī)械有限公司襄陽441002徐長成譚成頂李存靖
        金屬加工(冷加工) 2015年4期
        關(guān)鍵詞:效應(yīng)優(yōu)化質(zhì)量

        新興重工湖北三六一一機(jī)械有限公司 (襄陽 441002) 徐長成 譚成頂 李存靖 張 瑜

        湖北鼎譽(yù)環(huán)??萍加邢薰?(襄陽 441003) 龔欣榮

        1. 頂輪及頂輪軸

        頂輪是某特種裝備的一個關(guān)鍵部件,是利用鋼絲繩來實現(xiàn)重物起升的一種裝置,其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示,其中拉力在T=2 000~10 000N之間變化。

        頂輪軸作為頂輪的主軸,承載著頂輪對其施加的載荷,其穩(wěn)定性直接關(guān)系到頂輪的安全性,因此對其強(qiáng)度校核十分必要,同時對其φ8mm內(nèi)孔尺寸進(jìn)行優(yōu)化,減輕其質(zhì)量,實現(xiàn)裝備的輕量化。頂輪軸模型如圖2所示。

        圖1 頂輪

        圖2 頂輪軸

        2. 幾何模型

        考慮到網(wǎng)格的質(zhì)量,幾何建模過程中,對一些工藝尺寸如倒角、圓角進(jìn)行了忽略??紤]幾何對稱性,取1/2幾何模型進(jìn)行分析(見圖3)。

        圖3 頂輪軸1/2幾何

        3. 材料模型

        頂輪軸材料為45鋼,其彈性模量為209GPa,泊松比為0.269,屈服強(qiáng)度為355MPa。

        4. 網(wǎng)格模型

        為便于邊界條件及載荷的施加,對原幾何模型進(jìn)行了分塊處理,幾何接觸面均采用bonded形式,此接觸方式對原結(jié)構(gòu)力的傳遞沒有造成影響。

        網(wǎng)格采用純六面體劃分,網(wǎng)格平均質(zhì)量0.89,最小值0.75,最大值0.99(見圖4)。

        圖4 頂輪軸1/2網(wǎng)格模型

        5. 載荷及邊界條件

        如圖5a、圖5b、圖5c所示,頂輪軸兩側(cè)與支撐架接觸處采用固定支撐,頂輪對頂輪軸的壓力采用一面力表示,取最大值F=10 000N,對稱面采用無摩擦約束。

        圖5 頂輪軸載荷及邊界條件

        6. 求解

        根據(jù)材料力學(xué),對于45#鋼,采取第四強(qiáng)度理論校核,等效應(yīng)力von Mises應(yīng)力公式

        圖6 φ8mm內(nèi)孔頂輪軸的等效應(yīng)力

        對于φ8 m m內(nèi)孔,其最大值為σSVmax=184.17MPa(見圖6)。

        取安全系數(shù)n=1.5,即最大等效應(yīng)力應(yīng)≤355/n=236.67MPa,由此判斷φ8mm頂輪軸的強(qiáng)度滿足設(shè)計要求,但該值明顯大于184.17MPa,頂輪軸有進(jìn)一步優(yōu)化的空間,以減輕其質(zhì)量。

        7. 優(yōu)化設(shè)計

        利用ANSYS Workbench實驗設(shè)計中Response Surface模塊可對頂輪軸內(nèi)孔進(jìn)行探測優(yōu)化,使其質(zhì)量最?。芏炔蛔?,以下用體積表示),具體參數(shù)如下。

        輸入變量:內(nèi)孔直徑(D a t a1),初始值Data1=8mm。

        輸出變量:最大等效應(yīng)力(Equivalent Stress Maximum),體積(Geometry Volume),初始值分別為184.17MPa,24 614mm3。

        圖7 Response曲線

        由圖7可知,最大等效應(yīng)力236.67MPa對應(yīng)Data1≈16.3mm。

        取Data1=16mm,其對應(yīng)等效應(yīng)力最大值為235.18MPa,體積為19 336mm3(見圖8)。

        圖8 φ16mm內(nèi)孔頂輪軸的等效應(yīng)力

        8. 結(jié)語

        經(jīng)實踐驗證,該頂輪裝置采用優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)在應(yīng)用中運(yùn)轉(zhuǎn)良好,并未出現(xiàn)大變形或裂紋。經(jīng)過優(yōu)化后,頂輪軸體積縮小21.44%,有效地減輕了零件質(zhì)量。等效應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在支撐架與頂輪軸接觸內(nèi)邊緣,有進(jìn)一步更改結(jié)構(gòu)、優(yōu)化的可能。

        [1] 孫訓(xùn)方,方孝淑,關(guān)來泰. 材料力學(xué)(Ⅰ)[M]. 5版. 北京:高等教育出版社,2009.

        [2] 孫訓(xùn)方,方孝淑,關(guān)來泰. 材料力學(xué)(Ⅱ)[M]. 5版. 北京:高等教育出版社,2009.

        [3] 浦廣益. ANSYS Workbench 12基礎(chǔ)教程與實例詳解.北京:中國水利水電出版社,2010.

        專家點(diǎn)評

        ANSYS軟件常用來分析零件受力情況,該文對網(wǎng)格劃分、載荷情況、幾何模型、材料模型及優(yōu)化設(shè)計等關(guān)鍵環(huán)節(jié)都做了較清晰的描述,對讀者有一定的指導(dǎo)意義。

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