Cosmosworks的強度有限元分析

2013-06-08 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

為研究深松鏟的強度特性,減少深松作業(yè)時的故障,應(yīng)用Solidworks建立了深松鏟的三維幾何模型,用Cosmos對深松鏟進行了三維有限元分析,得到深松鏟在工作載荷下的變形和應(yīng)力大小,找出了深松鏟的強度薄弱環(huán)節(jié)。結(jié)果表明,深松鏟的最大應(yīng)力為5.55x108N/m2,最大扭曲位移為12.84mm.對深松鏟進行了改進設(shè)計,加強了深松鏟與機架的連接。應(yīng)用Cosmos進行分析,表明改進后深松鏟的強度和剛度均得到提高。

作者: 牛彥*王瑞麗*毛昆來源: 萬方數(shù)據(jù)
關(guān)鍵字: 深松鏟有限元分析強度

深松鏟是深松機的主要工作部件,在深松作業(yè)時承受復(fù)雜、隨機變化的沖擊載荷,是深松機設(shè)計的重點和難點。傳統(tǒng)的類比設(shè)計方法是在經(jīng)驗的基礎(chǔ)上進行的,對深松鏟的結(jié)構(gòu)和尺寸以及載荷的設(shè)計都不夠精確。有限元法是一種在工程分析中常用的解決復(fù)雜問題的近似數(shù)值分析方法,以其在機械結(jié)構(gòu)強度和剛度分析方面具有較高的計算精度而得到普遍應(yīng)用,特別是在材料應(yīng)力、應(yīng)變的線性范圍內(nèi)更是如此。

本文對研制的深松鏟進行了有限元強度分析,研究的結(jié)果為深松鏟的優(yōu)化設(shè)計提供了依據(jù)。

    1 深松鏟有限元分析模型

定義以鏟尖方向為X方向,豎直向上為Y方向,垂直于鏟柱面為Z方向,原點為深松鏟的鏟尖中線與鏟尖前下端線的交點。

    1.1 模型的建立

用Solidworks軟件建立深松鏟的三維模型,如圖1所示,主要由鏟尖、左翼、右翼、鏟尖立板、鏟柱、螺栓、螺母構(gòu)成。為了研究深松鏟的強度特性,計算工作載荷下的應(yīng)力和變形,把模型進行簡化和抽象,忽略一些圓角、螺絲孔、很小的實體。

    1.2載荷的確定

深松鏟所受載荷的測定是在沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)土壤一機器系統(tǒng)實驗室的土槽試驗臺上進行的。土槽試驗臺長25 m、寬1.8 m、作業(yè)土層深度0.5 m,有兩道混凝土墻夾成,試驗時帶有測試儀器設(shè)備的牽引車牽引著該收獲裝置在混凝土墻上行走,深松鏟作業(yè)時模擬田間收獲作業(yè)時的所受載荷。

土槽牽引車主要由驅(qū)動部分、行走和制動部分、液壓懸掛部分、電力控制部分、測試系統(tǒng)、動力輸出部分等組成。

深松鏟為對稱式工作部件,為了測定深松鏟作業(yè)時的水平受力和垂直受力,研制了懸掛架式平面力系測定裝置,如圖2所示。連接機架與土槽臺車的懸掛架相連。測力裝置的兩個機架通過拉壓傳感器連接在一起。通過各阻力分量作用于傳感器的微量變形:測定平面力系的各個分量。

Cosmosworks的強度有限元分析solidworks simulation技術(shù)圖片2

適用于對稱式耕作機具,如中耕機、深松鏟等平面力系的測定。試驗時,測力架要求調(diào)整到與地面保持水平的位置。測力框架傳感器的標定采用靜態(tài)標定法,在拉壓傳感器的主應(yīng)力方向加載荷,標定三個拉壓傳感器的標定系數(shù)分別為1610 N/mV(0.7T傳感器)、1127 N/mV(0.5T傳感器)和1 495N/mV(1T傳感器)。

土槽內(nèi)土壤的整理是試驗的重要部分,為了使土壤參數(shù)符合試驗要求,采用土壤整理設(shè)備對土壤進行必要的整理,以保證土壤的兩個重要參數(shù):含水率和堅實度符合試驗的要求。土壤質(zhì)地為壤土,土質(zhì)均勻,土壤含水量為12%.

在土壤深松深度為25 cm,土槽臺車前進速度為l m/s時,對深松鏟進行作業(yè)阻力的測定。試驗測定深松鏟的受力變化曲線如圖3所示。對深松鏟進行受力分析得到深松鏟作業(yè)時的平均水平受力為l 202 N,平均垂直受力為1 913 N.

Cosmosworks的強度有限元分析solidworks simulation技術(shù)圖片3

2深松鏟的靜態(tài)分析

用Solidworks/Cosmos軟件對深松鏟做靜態(tài)分析,目的是分析深松鏟在作業(yè)載荷下的變形和應(yīng)力大小,校核深松鏟的強度,以進一步優(yōu)化深松鏟的結(jié)構(gòu)。

設(shè)計深松鏟的材料屬性如表1所示。根據(jù)深松作業(yè)的實際情況,和土槽試驗的結(jié)果,固定鏟柱的上端面,在鏟尖施加水平力1202N * l.5 = 1800 N和垂直力1 913N * l.5= 2870 N.

Cosmosworks的強度有限元分析solidworks simulation技術(shù)圖片4

對深松鏟進行實體網(wǎng)格的劃分,如圖1所示,節(jié)點數(shù)為9 1159個。用Solidworks/Cosmos軟件進行靜態(tài)研究,結(jié)果表明深松鏟在此載荷作用下,產(chǎn)生的最小應(yīng)力為693.234 N/m2,發(fā)生在深松鏟尖立板的上端部。最大應(yīng)力為5.55x108 N/m2,發(fā)生在右翼的前端部。深松鏟靜態(tài)節(jié)應(yīng)力變化如圖4所示。分析結(jié)果表明最小應(yīng)變?yōu)?.6x10-9,發(fā)生在鏟柱的上面端部。最大應(yīng)變?yōu)?.5x10-3,發(fā)生在右翼的前端部。在鏟尖施加水平力1 800N和垂直力2 870N時,產(chǎn)生的最大位移為3.44 mm,在深松鏟尖的頭部,變形比例為21.86,最小安全系數(shù)為0.87,在深松鏟尖的中部;最大為100,在深松鏟尖的后部。

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    3深松鏟的扭曲分析

細長模型在軸載荷下趨向于扭曲變形。對深松鏟進行扭曲分析,根據(jù)深松作業(yè)的實際情況,和土槽試驗的結(jié)果,固定鏟柱的上端面,在鏟尖施加水平力1202N * l.5 = l800 N和垂直力1913N * l.5 = 2870N.深松鏟的扭曲位移和變形情況如圖5所示。

深松鏟的最大扭曲位移為12.84,發(fā)生在第60l節(jié),在深松鏟尖的頭部。載荷因子為一2.7832,變形比例為4.75,為非預(yù)期的扭曲,當(dāng)在深松鏟上反向施加27832 * 1800 = 5010 N的水平力和2.7832 * 2870 = 7988 N的豎直力時,深松鏟會發(fā)生圖5所示的扭曲。

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4深松鏟的改進設(shè)計

從對深松鏟的靜態(tài)分析和扭曲分析可以看出,在深松作業(yè)時,由于作業(yè)阻力比較大,深松鏟會承受較大的應(yīng)力,發(fā)生變形。為了增加深松鏟的剛度,對深松鏟進行了結(jié)構(gòu)上的改進,設(shè)計了深松鏟和機架相連接的部件,形成深松機單體上的深松鏟總成。如圖6所示。

對深松鏟總成進行網(wǎng)格劃分,根據(jù)深松作業(yè)的實際情況,和土槽試驗的結(jié)果,固定鏟柱連接板的上端面,在鏟尖施加水平力l202N * l.5 = 1800 N和垂直力1913N * l.5= 2870 N.對深松鏟總成進行靜態(tài)分析、扭曲分析和模態(tài)分析,從分析結(jié)果來看,深松鏟總成產(chǎn)生的最大應(yīng)力為4.2 * 108 N/m2,在右翼的前端部。最大應(yīng)變?yōu)?.6x10-4,發(fā)生在右翼的前端部。最大位移為2.33 mm,在深松鏟的頭部。與改進前相比都要不同程度的減小。說明深松鏟的強度和剛度得到提高。

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4 結(jié)束語

利用三維建模和有限元分析軟件對深松鏟進行了建模和靜態(tài)、扭曲、模態(tài)分析,確定了深松鏟在作業(yè)時的應(yīng)力和應(yīng)變的分布圖。對深松鏟的扭曲變化進行了分析。同時,對深松鏟結(jié)構(gòu)進行了改進,改進后的深松鏟在固定載荷下產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變和位移都有所降低,固有頻率有所提高。本文的分析結(jié)果為深松部件的進一步優(yōu)化設(shè)計提供了依據(jù)。

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