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ANSYS在高速运动体安全分离装置结构设计中的应用

文档作者: 谭小群 顾立彬 徐娅萍 陈自立        文档来源: 西北工业大学机电学院
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更新时间: 2021年01月04日
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· 现代设计与先进制造技术· 谭小群顾立彬徐娅萍等ANSYS在高速运动体安全⋯⋯ 25 ANSYS在高速运动体安全 分离装置结构设计中的应用 谭小群,顾立彬,徐娅萍,陈自立 (西北工业大学机电学院,陕西西安710021) 摘要:采用三维设计软件SolidWorks建立高速运动体安全分离装置关键部件的三维实体模型,导 入ANSYS计算软件对其进行有限元分析,为高速运动体安全分离装置关键部件的优化设计提供 了重要依据,既保证了设计要求,也缩短了设计周期。 关键词:分离装置;SolidWorks;ANSYs;有限元分析 中图分类号:TB121 文献标识码:A 文章编号:1672—1616(2010)11—0025一O3 高速运动体运行前,必须对其各项性能、状态 进行测试与检查。但是,如果缺乏有效的安全保护 措施,在测试与检查时由于运动体的状态不稳定, 常常会因为误触发,导致伤人等意外事故的发生。 为保证测试人员的安全,故在对高速运动体进行检 测时,利用高速运动体安全分离装置将高速运动体 钩住,检测完毕后自动打开释放运动体,这样有效 地解决了在检测高速运动体时出现意外而引发的 安全问题。 在传统的高速运动体安全分离装置设计方法 中,多以静态理论分析或模型实验等方法来确定关 键部件的各种结构尺寸,即首先用类比的方法设计 出其结构、形状和尺寸,之后再根据设计尺寸运用 材料力学的校核公式对其进行强度和刚度的校核 计算。如满足要求,则采用;如不满足要求,则增大 设计零件的结构尺寸。这样做,不仅浪费材料,还 延长了设计和研制周期。 目前,随着计算机技术的迅速发展和有限元分 析理论的日趋完善,有限元分析软件得到了快速发 展。ANSYS就是基于有限元理论分析方法,通过 计算机的运算仿真,来获得机械零件优化设计结果 的一种CAE软件。本文通过ANSYS计算分析软 件,对高速运动体安全分离装置进行了有限元分 析,在满足要求的情况下,使得设计和研制周期大 大缩短。 1 高速运动体安全分离装置结构简 介 高速运动体安全分离装置以电动推杆为动力 驱动,经齿条、齿轮传动,带动拦截钩爪旋转,从而 达到钩住或释放高速运动体的目的,进而有效保护 了测试员在测试时的安全。其结构原理如图1所 示。 1一电动推杆;2一齿条;3一齿轮;4一拦截钩爪;5一触发开关 图1 高速运动体安全分离装置结构 2 关键部件的实体模型的建立 在高速运动体安全分离装置的设计过程中,首 先用SolidWorks软件建立了各个零部件的实体模 型,并按要求虚拟装配成整机;再利用ANSYS软 件对其关键零部件进行仿真分析,检验设计方案是 否满足设计要求,进而进行优化、修改。该装置的 关键零部件主要有电动推杆、齿条、齿轮和拦截钩 爪,它们的强度和刚度将直接影响到该装置是否能 收稿日期:2010—03—29 作者简介:谭小群(1960一),男,山东潍坊人,西北工业大学副教授,主要从事机械电子的研究工作。 26 2010年6月 中国制造业信息化第39卷第1l期 安全可靠地工作,因此对其进行强度分析是十分必 要的。由于篇幅的限制,本文只针对拦截钩爪进行 了有限元分析,并介绍了ANSYS软件在静强度分 析中的应用。拦截钩爪的实体模型如图2所示。 图2 拦截钩爪的实体模型 3 拦截钩爪有限元分析 3.1 ANSYS分析的一般步骤 ANSYS是基于有限元分析理论方法的通用分 析软件,它主要包括3部分:前处理模块、分析计算 模块和后处理模块⋯1。基于ANSYS静强度分析 属于ANSYS结构分析中的静力分析,即求解静力 作用下产生的应力和应变_2j。 a.前处理阶段(General Preprocesser,PREfy7)。 前处理主要包含定义属性、建模和划分网络。 定义属性包括定义单元类型、定义单元实常数、定 义单元材料属性和定义单元截面【3l。建模有2种 方法:一种是转换其他CAD的文件;另一种是直接 在ANSYS中建立实体模型。后一种模型的建立 又有2种方式:一种是以简单的几何模型组件布尔 运算做出想要的模型,称为Top—Down;另一种是 建立点,再建线,然后合成面,合成体,称为 Bottom —Up[引 。网络化的方式分为2种:一种是由 计算机自动产生,称为Free Mesh;另一种是通过人 工设置产生规则的网络,称为Mapped Mesh[5l。 ANSYS提供了丰富的单元类型和灵活的属性设置 方式,可以定义各种材料、各种形状的结构模型。 b.计算阶段。 计算阶段包括设置边界条件和求解。设置边 界条件可以对模型施加自由度约束和施加荷载。 施加边界条件的方式有2种:一种是施加于实体模 型上,另一种是施加于有限元素模型上。求解前可 以设置分析的种类及选项、荷载步骤选项。分析的 种类包括:静态结构分析(Static)、模态分析 (Moda1)、用来计算结构在频率空间(Frequency Domain)下的稳态行为(Harmonic)、瞬时模拟 (Transient)、频谱分析或随机振动分析(Spec— trum)、子结构分析(Substructure)和屈曲分析 (Bucking)[ 。 c.后处理阶段。 ANSYS对结构求解完成后,剩下的工作就是 进行后处理。后处理有2种:通用后处理脚1 和时问历程后处理POST26。PoST1用于静态结 构分析、屈曲分析及模态分析;P()S1、26用于动态 结构分析,以及与时间相关的时域处理【 。 3.2 拦截钩爪有限元分析的具体步骤 a.建立拦截钩爪的实体模型。如图2所示。 因为ANSYS软件的建模功能不是很强大,故先在 专业CAD软件SolidWorks上建好三维模型,再通 过ANSYS的转换接口导人ANSYS中。具体操作 是:在SolidWorks软件中建好模型后,点击File控 件下Save a Copy选项,在Type项中选中Parasolid (*~ 一t),这样就把(*.prt;*.sldprt)文件转换 成了Parasolid(*~ 一t)格式,然后在ANSYS中点 击File控件下Import选项,弹出下一级菜单,选择 Parasolid,即可打开看到模型。选用三维20节点 的Solid95单元,采用智能网络划分方式,按照6级 精度对该构件进行网络划分,可以得到14 549个 元素和24 130个节点。其材料为45#钢,弹性模 量为2.06E11Pa,泊松比为0.3。调质处理后,屈 服极限应力为370MPa。网络划分后的拦截钩爪 模型如图3所示。 图3 网络划分后的拦截钩爪模型 b.边界条件的设置。ANSYS将边界条件区分 为5大类:自由度的约束(DOF Constraints)、集中 式负载(Force Loads)、表面负载(Surface Loads)、 · 现代设计与先进制造技术· 谭小群顾立彬徐娅萍等ANSYS在高速运动体安全⋯⋯ 27 内部负载(Body Loads)和惯性负载(Inertia Loads)l8 J。拦截钩爪通过销轴连接在箱体上,销轴 与拦截钩爪又用对称设置的两个键连接,故可以将 销轴与拦截钩爪的接触面设为全约束,如图3所示 的曲面1,2。高速运动体与拦截钩爪为面接触,接 触面为拦截部分后背面,经仿真和实际检测,表面 压力载荷约为4 032 710Pa。考虑到实际环境的复 杂性和拦截钩爪的疲劳腐蚀,加上一定的安全因数 1.5,施加到面上的压力载荷约为6.049E6Pa,如图 3所示的曲面3,其13身重力为23.44N。由于拦截 钩爪的自重相对较小,可以忽略不计。载荷与约束 施加完成后,点击Solution控件中的solve选项进 行求解运算。 经ANSYS计算结束后,通过General Postproc (POST1)进行结果查询,一般结构静态分析会看到 结果数据有3种:变形、应力与应变和反作用力。 该构件的分析结果可查看应力、应变云图。 在显示应力或应变图时,有2种方式:Nodal Solution和Element Solution。Nodal Solution会将 数据在节点的地方做平均处理,所画出来的应力或 应变图其数据是连续的;而Element Solution不做 平均处理,数据在元素与元素之间会呈现不连续的 情况。 拦截钩爪的分析使用POST1以Nodal Solu— tion方式观看该构件的应力图和应变图,如图4和 图4 应力图 图5所示。由图中找出其最大应力是277MPa,小 于45#钢的屈服极限370MPa;其最大应变是 0.001 347mrn,也在允许的应变范围内。 图5 应变图 通过上面的计算分析可知,用ANSYS分析拦 截钩爪的静力学特性,方法简单、计算迅速,得到的 应力应变云图准确、形象、直观。 4 结束语 本文通过SolidWorks软件对拦截钩爪进行实 体建模,简单快捷,再通过ANSYS的转换接口,导 入ANSYS计算软件中进行静态结构分析,得到该 构件的应力应变云图,进而得出详细的应力、应变 情况,为拦截钩爪的结构设计提供了强有力帮助, 从而大大提高了设计水平,缩短了设计周期。 参考文献: [1] 康渊,陈信吉,王超辉.ANSYS入门[M](第3版).北京:中 国电力出版社,2007. [2] 王勖成,邵敏.有限单元法基本原理及应用[M](第2版). 北京:水利电力出版社,1999 [3] 张春,杨林.ANSYS在螺旋锥齿轮数控铣床结构设计中 的应用[J].机械工程与自动化,2009(5):64—65. [4] 刘涛,杨凤鹏.精通ANSYS[M].北京:清华大学出版社, 20H02. [5] 陈晓霞.ANSYS7.0高级分析[M].北京:机械工业出版社, 2004. The Application of ANSYS in Structure Design of Breakaway Device of High Speed Object 1’AN Xiao—qun,GU Li—bin,XU Ya—ping,C N Zi—li (Northwestern Polytechnical University,Shaanxi Xi’an,710072,China) Abstract:It creates the 3D mod el of a key part of the breakaway device of high speed object based on So lid— W orks,and imports the model into ANSYS for analysis.The simulation provides the theoretical basis for de— signing the key parts of the breakaway device of high speed object,meets the demand of the design,shortens the period of design. Key words:Breakaway Device;So lidW orks;ANSYS;Finite Element Analysis
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