单位文秘网 2021-07-04 01:18:43 点击: 次
摘要: 首先介绍系统CAE仿真特点和流程,利用系统CAE仿真技术建立抓斗铰链卡死工况的基本有限元模型,指出系统CAE技术常见的零部件装配的有限元处理方法,分析该工况下的边界条件,施加合理的约束与载荷。最后通过计算机仿真结果来验证有限元模型的正确性。
Abstract: Firstly, it introduces the characteristics CAE simulation system and its processes, uses CAE simulation technology to build the basic finite mode of grab during hinges stuck, points the method to do with common assemble using CAE technology, and analyzes the boundary conditions at special working condition, imposes reasonable constraints and loads on the finite mode. Finally, the accuracy of the finite element model by the result of computer simulation is vertified.
关键词: 系统CAE;有限元模型;装配
Key words: CAE system;FEM;assemble
中图分类号:TP39 文献标识码:A文章编号:1006-4311(2011)16-0160-02
作者简介:高龙(1985-),男,湖北石首人,硕士研究生,主要研究方向为机械制造及其自动化;夏绪辉(1966-),男,湖北红安人,博士,教授,博士研究生导师,主要研究方向为制造系统工程,网络化制造。
0 引言
现有的文献对系统CAE方法的研究不多,罗会信[2]对系统CAE仿真技术作了相应的研究,在炼钢设备中进行应用系统CAE技术的有限元仿真,能指导冶金设备的创新设计和掌握在役设备的性能。然而,国内对系统CAE技术的研究和应用有限。由于系统CAE模型的庞大,现并没有抓斗的系统CAE建模相关研究工作。而抓斗在铰链卡死工况下的系统的稳定性备受关切。建立抓斗铰链卡死工况下的系统CAE模型,及阐述常用的系统CAE传真技术。
1 抓斗基本有限元模型建立
1.1 装配的有限元处理方法 装配的零件间的边界通常表示 CAD 模型内数学上的不连续。零部件的装配在于选择合适的连接和约束关系。处理的方法主要有:合并节点即公共节点、创建1D单元、定义耦合/约束方程、定义接触对以及多点约束(MPC)方法。ANSYS中不同单元之间的连接顺序按“杆梁壳体”单元,只要后一种单元的自由度完全包含前一种单元的自由度,则只要有公共节点即可。1D单元中常用RBE2模拟刚性连接,以一个主节点和多个从节点的方式;RBE3模拟柔性连接,以一个从节点和多个主节点。耦合、约束方程适用于小变形。多点约束MPC适用于小/大变形,适用于无分离接触绑定情形,因此MPC方法是接触中的特殊情形。通过设置接触单元KEYOPT选项,也能生成MPC单元。
1.2 抓斗不同零部件的有限元处理 抓斗由上承梁、斗、压杆和下承梁组成。各个部件以铰链方式连接。
上承梁由薄板、筋板、梁轴、滑轮、滑动轴承及端盖等组成。其整体有限元模型如图1所示。滑轮、滑动轴承、梁及轴承端盖采用公共节点,且滑动承轴端盖与梁之间有一定间隙。如图2所示。
上承梁部分里的薄板、加强筋板用壳单元处理,壳体与壳体之间用MPC方法处理。斗部分主要由底端筋板、底板、唇板等组成。唇板用实体单元处理,底板中较厚的也用实体单元处理。壳单元与壳单元由于无公共节点用MPC方法连接,实体单元与壳单元也用MPC方法连接。
压杆由薄板组成,以壳体单元处理。起加强筋作用的壳单元之间以公共节点连接,其他壳单元间以MPC方式连接。下承梁的结构与上承梁相似,下承梁上的滑轮、滑动轴承、梁及轴承端盖采用公共节点,且滑动承轴端盖与梁之间保留间隙。加强筋板与铰孔、厚板之间的连接与上承梁一样,以共用节点方式。壳单元模拟薄板,实体单元模拟铰孔。壳单元与壳单元、壳单元与实体单元的连接均以MPC方法处理。
1.3 铰链的有限元处理 铰链是工程机械中零部件常用的连接件,铰链连接是柔性连接。铰链由铰孔、销轴、滑动轴承和轴承端盖组成。这些组成零件均由实体单元处理。对于连杆两端的活动铰链处理方式[3]第一种是通过公共节点或耦合相同位置节点的全部自由度实现刚性联接。第二种是通过体单元的公共节点实现刚性联接。第三种是划分网格后定义接触单元。在此以第三种方式,定义接触对形式来模拟抓斗的铰链约束。
1.3.1 压杆和上承梁间铰链约束的有限元处理 压杆和上承梁间铰链约束由滑动轴承、压杆孔、销轴组成。压杆孔与滑动轴承之间通过公共节点连接,销轴与滑动轴承的实体单元节点对应。销轴与滑动轴承的装配在接触部分定义接触单元。以滑动轴承内圈表面定义接触单元,销轴外表面接触部分定义目标单元。如图3所示。
1.3.2 压杆和斗间铰链约束的有限元处理 压杆和下承梁之间的铰链约束由中间套的滑动轴承、压杆孔、垫片、销轴及抓斗板组成。压杆孔与滑动轴承之间通过公共节点连接,销轴与滑动轴承的实体单元节点对应。斗薄板用壳单元处理,且与销轴之间通过公共节点连接,垫片用壳单元处理,斗板的壳单元与垫片壳单元之间MPC方式连接。斗板壳单元与销轴实体单元的连接、垫片与销轴的连接都通过公共节点直接相连。
1.3.3 下承梁和斗之间铰链约束的有限元处理 下承梁和斗之间铰链约束由滑动轴承及端盖、抓斗厚板通孔、下承梁两端的厚板孔、斗板、销轴组成。在销轴中间,斗厚板孔与滑动轴承之间通过公共节点连接。在销轴两端,销轴与滑动轴承间建立接触单元,滑动轴承与下承梁端板共节点连接,斗薄板与斗厚板之间是壳体单元与实体单元以MPC方式连接。
2 铰链卡死的计算机仿真
2.1 铰链卡死的机械原理分析 抓斗是铰链四杆机构,铰链卡死出现在铰链四杆机构的死点位置。死点是铰链四杆机构的一个重要性质,当从动件上的传动角为0(或压力角为90°),驱动力对从动件的有效回转力矩为零,这个位置称为机构的死点位置。刘奎武系统的分析铰链四杆机构几种形式中是否存在死点及分析死点位置。当抓斗的压杆与下承梁之间的铰链,与压杆与抓斗间的铰链处在同一平面时,会出现铰链卡死。
机构原理图如图4。图中加黑的圆为固定铰,其他圆圈为非固定铰,最下面的方块是滑块,该机构类似于曲柄滑块机构。滑块速度方向为竖直方向。滑块两边的杆为二力杆,其受力方向总是沿着杆的直线方向。显而易见,当滑块两边的杆处于同一直线时,力的方向与速度方向垂直。
2.2 铰链卡死的边界条件处理
2.2.1 约束处理 铰链卡死斗不能翻转,需要施加两处约束。第一处:下承梁的两端加强筋板施加全约束,即对壳单元施加全约束。由于加强筋板壳单元与两端厚板实体单元是公共节点连接,交界处的实体单元节点也将会被完全约束。第二处:在上承梁滑轮组所在的轴的一端施加全约束。这样保证铰链卡死后,绕在滑轮组的缆绳无使斗闭合和提升。
2.2.2 载荷处理 铰链卡死时,抓斗受三种力的作用。一是面压力。上承梁滑轮组上半部分外表面受缆绳的面压力,下承梁上滑轮组下半部分外表面受缆绳的面压力。二是集中力。将抓斗正常工作的起升力以集中力的方式分别是施加上承梁中间的刚性节点上。三是以惯性力方式添加的重力加速度、材料密度,及壳单元的实常数。
2.3 仿真结果分析 利用系统CAE技术建模时,由于节点数量大,而此求解又是非线性问题,需要消耗较长的仿真时间。对结果中看压杆和斗部分的应力分布如图5。该工况下,最大等效应力为220MPa,该机构满足强度要求。
3 结论
3.1 系统CAE技术处理装配问题时,从本文中建立抓斗的有限元模型的方法,MPC方法在处理绑定接触问题时,建模便捷且合理。
3.2 本文的研究,对于系统CAE技术的应用与研究有一定的指导意义。对其他同类机械设备的系统CAE建模有一定的借鉴价值。
参考文献:
[1]罗会信.系统CAE仿真技术在炼钢设备中的应用[J].武汉科技大学学报,2008(2):42-45.
[2]包家汉,徐培民,余晓流,储留火,岑豫皖.柔体机构有限元模态分析中铰链联接的处理[J].机械设计,2007(3):13-15.
[3]刘奎武.铰链四杆机构死点位置分析[J].铸造,2001(1):107-109.
(责任编辑:单位文秘网) )地址:https://www.kgf8887.com/show-138-57065-1.html
版权声明:
本站由单位文秘网原创策划制作,欢迎订阅或转载,但请注明出处。违者必究。单位文秘网独家运营 版权所有 未经许可不得转载使用