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有限元分析(FEA,F(xiàn)inite Element Analysis)(又稱有限單元法)是利用數(shù)學近似的方法對真實(幾何和載荷工況)進行模擬。有限元法可應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)強度計算,由于計算機技術(shù)的快速發(fā)展,現(xiàn)在有限元方法能模擬出近似真實的零件材料受力狀況。在機械設(shè)計時,有限元分析可以分析零件的結(jié)構(gòu),分析怎么設(shè)計才能解決結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、安全性與經(jīng)濟性之間的平衡問題。在加工工藝中通過優(yōu)化計算分析,確定合理的工藝路徑和加工方式,最大化提高生產(chǎn)效率及降低成本。
機械式停車設(shè)備共分九大類型,集土建基礎(chǔ)、鋼結(jié)構(gòu)、機、光、電、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、自動化為一體的立體停車設(shè)備,是國家強制檢測的特種設(shè)備。在傳統(tǒng)的設(shè)計研發(fā)中,設(shè)計人員要掌握各方面的綜合知識和豐富的實踐經(jīng)驗,并需要大量的實驗數(shù)據(jù)支持及樣機試驗,才能完成設(shè)備定型,造成研發(fā)進程延長和材料浪費。若建立模型并引入有限元分析設(shè)計機械式停車設(shè)備,會獲得近似真實的可靠數(shù)據(jù)。
現(xiàn)以垂直循環(huán)類機械式停車設(shè)備為例,探討有限元分析在機械式停車設(shè)備中的研究應(yīng)用(本研究中涉及應(yīng)用設(shè)計軟件Ansys、Slidworks、PKPM、AutoCAD)。有限分析的主要步驟為結(jié)構(gòu)離散化、選擇位移插值函數(shù)、網(wǎng)格化分析單元力學特性、計算等效節(jié)點載荷、整體分析、應(yīng)用位移邊界條件、求解結(jié)構(gòu)平衡方程、計算單元應(yīng)力,模擬出近似真實工況。
垂直循環(huán)立體車庫(PCX-7型7層12車位),現(xiàn)僅用曳引系統(tǒng)設(shè)計來探討有限元分析的研究應(yīng)用。
1)已知條件:本設(shè)計中起升速度:v=3.45 m/min,根據(jù)GB3811得加速度:a=0.064 m/s2,設(shè)備升降運行過程中不存在突然卸載沖擊和運行沖擊等載荷。汽車質(zhì)量:P1=2 000 kg,吊籃質(zhì)量:P2=840 kg ,起升載荷:PQ=P1+P2=2 000+840=2 840 kg,起升載荷動載荷系數(shù):φ2=1+0.35 V=1+0.35×5÷60=1.029 2 ,故本設(shè)計的起升載荷:P=PQ×φ2=2 840×1.029 2≈2 923 kg。
2)計算可知:電機功率:P=9.2 kW,輸出軸轉(zhuǎn)速:n=9.7 r/min,扭矩:T=9 013 Nm,鏈輪傳動比:i=12:46,大鏈輪的轉(zhuǎn)速:n1=2.5 r/min,撥叉盤的材料:40Cr,彈性模量:E=206 GPa,泊松比ν=0.3,扭矩:T=9.2×9 550/2.5=35 144 Nm,撥叉盤的載荷:F=35 144 Nm/0.35 m=100 411 N=100.4 kN,抗拉強度σb≥980 MPa。
1)立體車庫是調(diào)配和貯存車輛的裝置,有12個吊籃,電機驅(qū)動撥叉盤,撥叉盤帶動鏈條拖動吊籃按要求的路線中走動,實現(xiàn)車輛的調(diào)配。
2)分析對象為立體車庫的單個結(jié)構(gòu),主要如下:①撥叉盤的強度。②單根鏈條能否承受拉力:F=79.5 t。③每個吊籃設(shè)計要求承受車重:P=2 t,理論安全系數(shù):nb≥7,計算整體是否滿足,如果不能,最大的安全系數(shù)是多少。④立柱與框架是通過螺栓連接的,看M24的螺栓能否承重。
3)有限元分析載荷施加:內(nèi)孔固定加載F集中力以模擬扭矩。
4)有限元模型分析:采用六面體單元進行有限元計算,模型局部改進和簡化。
5)有限元分析計算結(jié)果:分析應(yīng)力和變形模型。
結(jié)論:最大等效應(yīng)力σmax=87.1 MPa<抗拉強度σb=980 MPa,強度滿足要求(最大等效應(yīng)力由模型計算數(shù)據(jù)可查知)。
由此可知,有限元分析通過結(jié)構(gòu)離散化、利用單元力學特性和應(yīng)力、等效節(jié)點載荷、位移邊界條件等計算。使復(fù)雜結(jié)構(gòu)簡單化,對原有結(jié)構(gòu)中的某個局部進行優(yōu)化改進設(shè)計,驗證是否滿足設(shè)計要求,選擇合適的設(shè)計冗余度減少成本。
已知模型條件:載荷:F=79.5 t=79 500 kg=795 kN,型材材料:40Cr,彈性模量E=206 GPa,泊松比v=0.3,抗拉強度σb≥980 MPa,許用屈服強度σE=758 Mpa,載荷施加:鏈條載荷F=700 kN,單邊鏈條受力F1=F2=350 kN。
分析模型結(jié)論:滿意設(shè)計強度和安全系數(shù)要求(鏈條額定載荷:Ct=1 200 kN。提升鏈條強度計算:σ=79 500÷[(2 840×12+1 320×2)÷4]≈8.7>7。反算鏈條的安全系數(shù):安全系數(shù)=載荷/自重加負載,nb=120 000÷[(2 840×12+1 320×2)÷4]=13>7。有限元分析能將復(fù)雜的交變應(yīng)力狀況簡單抽象化,模擬材料受力情況,對原有結(jié)構(gòu)中的某個局部進行優(yōu)化改進設(shè)計,驗證是否滿足設(shè)計要求,選擇最合適的零件性能來滿足要求。比經(jīng)驗法在設(shè)計手冊中選擇更準確。
1)分析模型(分析模型去除了滾輪部分、簡化了小元素)。
2)已知條件:載荷:F=2.84 t=2 840 kg=28 kN,型材材料:Q235。
3)邊界條件:左邊輪胎著力區(qū)作用力F1≈14 kN。右邊輪胎著力區(qū)作用力F2≈14 kN。
4)有限元計算模型:采用四面體單元,共計874 310個單元。為了便于有限元計算,模型需要局部改進和簡化,如模型作為整體處理、螺栓聯(lián)接孔取消。F1加載區(qū)域共計6 738個節(jié)點,每個節(jié)點加載力:F=13.5 kN/6 732=2 N);F2加載區(qū)域共計7 380個節(jié)點,每個節(jié)點加載力為13.5 kN/7 379=1.83 N。
根據(jù)模型計算結(jié)果查詢安全系數(shù):n=235/152=1.55>1.5,滿足要求。
從有限元計算可知,有限元分析計算能利用微分法分析復(fù)雜的結(jié)構(gòu),解決結(jié)構(gòu)強度、剛度、振動、傳熱、扭曲問題。對結(jié)構(gòu)進行動靜態(tài)分析,找出高應(yīng)力區(qū),進行設(shè)計改進。最終找到問題,解決成本和可靠性之間的問題。有限元分析在研發(fā)應(yīng)用中越來越重要,是將難預(yù)知憑經(jīng)驗判定的設(shè)計,通過有限元分析計算變得可知透明化,拋去樣機試制和漫長的時間驗證及參數(shù)化計算,節(jié)省了大量時間和經(jīng)費,在滿足要求情況下,達到安全性和經(jīng)濟性最佳平衡。
文中采用有限元對機械式停車設(shè)備復(fù)雜受力過程進行了模擬分析。分析了部分傳動系統(tǒng)構(gòu)件在交變應(yīng)力下的狀況,得到如下結(jié)構(gòu):①有限元能分析在復(fù)雜載荷下的應(yīng)力狀況,判斷結(jié)構(gòu)件的薄弱易潰點。②用有限元參數(shù)化分析設(shè)計機械式停車設(shè)備,可以對結(jié)構(gòu)參數(shù)模型進行簡化,找出問題避免缺陷。③機械設(shè)備逐漸向智能化、系統(tǒng)化、復(fù)雜化發(fā)展,用有限元輔助設(shè)計能達到穩(wěn)定性及安全性與經(jīng)濟性之間的平衡。