懸臂托架COSMOSWorks優(yōu)化設(shè)計(jì)

2013-06-13 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

運(yùn)用與SolidWorks無縫集成的有限元分析軟件COSMOSWorks對生產(chǎn)線中的懸臂托架進(jìn)行改型優(yōu)化設(shè)計(jì),使設(shè)計(jì)更加方便、快捷、準(zhǔn)確,對改型設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

某型號產(chǎn)品生產(chǎn)線中大量采用了懸臂托架機(jī)械結(jié)構(gòu),由于產(chǎn)品改型,對懸臂托架提出了如下要求:①需要在不影響其強(qiáng)度和剛度要求的條件下對其開孔改造,以便其它部件的安裝;②外觀尺寸不能變化,但對開孔形狀有要求,且孔盡可能大,在方便操作的同時(shí)節(jié)省材料;③托架基礎(chǔ)頻率應(yīng)控制在330Hz ~420Hz范圍內(nèi),以避免與安裝機(jī)械引起共振;④懸臂托架的最大允許形變?yōu)?.2mm。對于新的設(shè)計(jì)要求,利用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法就顯得過于繁雜,本文通過運(yùn)用COSMOSWork。有限元分析軟件對要求改型的懸臂托架進(jìn)行自動(dòng)校核分析,并對其進(jìn)行開孔尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì),使之能滿足上述要求,最大限度地提高設(shè)計(jì)速度和精度。

     1 COSMOSWorks簡介

COSMOSWorks是眾多CAE軟件中的一種,是與SolidWorks無縫集成的快速有限元分析軟件,它為機(jī)械設(shè)計(jì)工程師在SolidWorks環(huán)境下提供了比較完整的分析手段。憑借先進(jìn)的快速有限元技術(shù)(FFE),工程師能非常迅速地運(yùn)用它實(shí)現(xiàn)對大規(guī)模復(fù)雜設(shè)計(jì)的分析和驗(yàn)證,并且獲得修正和優(yōu)化設(shè)計(jì)所需的必要信息。同時(shí)將分析的模型和結(jié)果與SolidWorks共享一個(gè)數(shù)據(jù)庫,計(jì)算結(jié)果也可以直觀地顯示在SolidWorks精確的設(shè)計(jì)模型上,直觀地管理分析任務(wù)、載荷、邊界條件、有限元網(wǎng)格和計(jì)算結(jié)果等數(shù)據(jù),直觀地列人圖形化的樹形分析管理器中。COSMOSWorks提供了諸如靜態(tài)分析、頻率分析、扭曲分析、熱力分析、掉落測試、疲勞分析、優(yōu)化分析和非線性分析等模塊,分析非常方便,結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

     2建模及優(yōu)化分析

原懸臂托架結(jié)構(gòu)見圖1,其選用的材料為A2碳鋼,其主要性能參數(shù)見表1。

懸臂托架COSMOSWorks優(yōu)化設(shè)計(jì)+有限元項(xiàng)目服務(wù)資料圖圖片1

懸臂托架COSMOSWorks優(yōu)化設(shè)計(jì)+有限元項(xiàng)目服務(wù)資料圖圖片2

在使用時(shí)懸臂托架通過兩個(gè)M8螺釘側(cè)面固定,上方蓋板通過兩個(gè)M6螺釘固定,承重板上方設(shè)備產(chǎn)生向下1 960N均布載荷壓力,這個(gè)載荷由兩個(gè)托架共同承受,每個(gè)受力為980N。根據(jù)原結(jié)構(gòu)尺寸,在SolidWorks中建立三維模型,這里不再詳述。

     2. 1原有結(jié)構(gòu)分析

在SolidWorks中進(jìn)人COSMOSWorks模塊,建立一靜態(tài)研究,設(shè)置研究解算器為FFEo在實(shí)體材料窗門定義材料為普通碳鋼,將表1中的數(shù)據(jù)輸人,對懸臂托架的材料及性能進(jìn)行賦予。然后根據(jù)現(xiàn)實(shí)受力對其進(jìn)行載荷約束:因托架側(cè)面依靠兩M8螺釘固定,上方受到均布980N壓力,因此兩M8螺紋孔約束應(yīng)為固定約束;托架上方受到的單位壓力為572 854. 86N/m。按默認(rèn)設(shè)置生成網(wǎng)格后運(yùn)行COSMOS/FFEStatic Solver/ COSMOS自動(dòng)對其進(jìn)行分析得出懸臂托架的應(yīng)力分布,見圖2。從圖2中可以看到,原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的受力遠(yuǎn)小于材料的屈服應(yīng)力,設(shè)計(jì)過于保守。對其進(jìn)行頻率分析,得出其固有基礎(chǔ)頻率為417Hz。綜合上述分析,說明在托架的中部開孔可行。

懸臂托架COSMOSWorks優(yōu)化設(shè)計(jì)+有限元項(xiàng)目服務(wù)資料圖圖片3

     2.2結(jié)構(gòu)改造

根據(jù)要求,對懸臂托架按最小要求尺寸進(jìn)行開孔,并按上述方法由COSMOSWorks得出懸臂托架的應(yīng)力分布,見圖3。由圖3可以看出,此時(shí)懸臂托架的應(yīng)力仍遠(yuǎn)小于其屈服應(yīng)力。對其頻率分析,發(fā)現(xiàn)開孔后懸臂托架的固有一階頻率為409. 85Hz,在要求頻率帶內(nèi)。整體設(shè)計(jì)安全系數(shù)仍過大。

懸臂托架COSMOSWorks優(yōu)化設(shè)計(jì)+有限元項(xiàng)目服務(wù)資料圖圖片4

2.3尺寸優(yōu)化

     重新建立一優(yōu)化研究,定義優(yōu)化品質(zhì)為高,添加優(yōu)化研究目標(biāo)為最小體積,設(shè)計(jì)變量選中開孔的關(guān)鍵尺寸,定義變量的變化區(qū)間,使孔尺寸可以向大值方向發(fā)展。在約束條件下添加應(yīng)力為靜態(tài)節(jié)應(yīng)力,界限為ON/m2~2 X lO8/m2;添加最大合力位移,界限為Omm ~ 0.2mm;添加基礎(chǔ)頻率的變化范圍為330Hz~420Hz。運(yùn)行尺寸優(yōu)化分析后,COSMOSWorks將會進(jìn)行一系列的優(yōu)化分析,經(jīng)過若干循環(huán)之后,給出了最終的優(yōu)化結(jié)果,見圖4。通過對優(yōu)化后的模型進(jìn)行分析,可以看出,本次優(yōu)化設(shè)計(jì)的最終迭代數(shù)為15,改進(jìn)后托架的硬度、強(qiáng)度、形變?nèi)匀荒艹浞譂M足要求,見圖5。開孔尺寸比要求更大,能在安裝更為方便的同時(shí)減輕托架重量,最終設(shè)計(jì)的最小安全系數(shù)控制在2. 3左右,見圖6。將優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)值進(jìn)行數(shù)值規(guī)整、重新校核后即可完成本次改型設(shè)計(jì)。

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     3總結(jié)

通過優(yōu)化設(shè)計(jì),懸臂托架的體積由117289.96mm3變?yōu)?0965.85mm3,重量減輕了0.365 2kg,即減輕了40%。固有頻率從改造前的417Hz變?yōu)閮?yōu)化設(shè)計(jì)后的332. 97Hz,遠(yuǎn)離了共振點(diǎn)。穩(wěn)定受力中最大形變點(diǎn)的形變?yōu)?. 06mm,很好地滿足了改造要求。

可以看出,COSMOSWorks的快速有限元算法<FFE)是工程設(shè)計(jì)分析人員結(jié)構(gòu)分析的利器。該算法中的圖形化操作界面可使您直觀地劃分網(wǎng)格單元、定義邊界載荷條件及快速地求解計(jì)算結(jié)果,其分析結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果十分相近。利用該算法可以大大地提高工程設(shè)計(jì)人員的工作效率,達(dá)到事半功倍的效果。

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