SolidWorks與ANSYS的挖泥船絞刀有限元分析

2013-08-07 by:廣州SolidworksUGCatia培訓(xùn)中心來源:仿真在線

絞吸式挖泥船廣泛應(yīng)用在河湖航道疏浚整治工程中,絞刀是絞吸式挖泥船關(guān)鍵部件之一,其切削性能的好壞對整船的產(chǎn)量有決定性的影響。在國內(nèi),絞刀現(xiàn)代設(shè)計理論體系還沒有形成,有些設(shè)計和制造還停留在模仿國外類似產(chǎn)品上。絞刀3D建模及CAE分析是實現(xiàn)絞刀數(shù)字化設(shè)計、提高設(shè)計效率的重要一環(huán)。

為了對絞刀的切削性能進行實驗研究,河海大學(xué)疏浚教育和研究中心通過SolidWorks軟件生成三維實體造型,應(yīng)用于仿真系統(tǒng)及后續(xù)CAE分析。下面主要探討如何在SolidWorks環(huán)境下,利用AutoCAD二維工程圖及二維圖片實現(xiàn)絞刀曲面三維建模的方法,并將模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入ANSYS中,對其進行虛力應(yīng)變分析,實現(xiàn)了CAD與CAE軟件的結(jié)合,為絞刀的設(shè)計制造提供方便。

1 絞刀有限元模型的建立

1.1 基于SolidWorks的三維實體造型

絞刀的主體由大環(huán)、刀臂、切削元件、輪轂四部分組成。刀臂安裝上各種不同的切削刀刃(或刀齒)直接用于切削介質(zhì),輪轂直接與絞刀軸相連,起到傳遞力和力矩的作用,大環(huán)和輪轂把多個刀臂連為一個整體,實現(xiàn)切削過程的連續(xù)性、受力的平穩(wěn)性。

絞刀建模的關(guān)鍵是刀臂輪廓空間曲線的確定。

1.1.1 坐標(biāo)導(dǎo)入法:

若已知內(nèi)外輪廓線的精確坐標(biāo),選取輪廓線中具有代表性的若干點的坐標(biāo),做成SolidWorks可識別的txt文本文檔,按照要求導(dǎo)入三維軟件即可生成相應(yīng)空間曲線。

1.1.2 由AutoCAD圖形文件生成三維模型

SolidWorks三維模型的建立,是以草圖為基礎(chǔ)的,將AutoCAD二維圖形文件直接輸入,轉(zhuǎn)化為SolidWorks草圖,從而建立三維實體模型。

AutoCAD二維圖形轉(zhuǎn)化為SolidWorks草圖后,分別選擇刀臂外輪廓線在兩個基準(zhǔn)面上的投影曲線,拉伸生成兩相交柱面,利用交叉曲線得到兩柱面交線的3D草圖。用同樣的方法獲得刀臂內(nèi)輪廓線空間曲線的3D草圖,之后將輔助的拉伸曲面隱藏即可;選擇大環(huán)上的刀臂橫截面為掃描輪廓,刀臂內(nèi)輪廓線3D草圖為路徑,刀臂外輪廓線3D草圖為引導(dǎo)線,方向“隨路徑和第一引導(dǎo)線變化”,即可生成刀臂實體。

1.1.3 由二維圖片生成三維模型

如果沒有AUTOCAD圖形文件,只有紙制的圖形或者圖片,也可以直接通過插入圖片的方式進行絞刀實體的造型,方法如下:

(1)插入圖片

根據(jù)二維圖片的投影方向,在SolidWorks分別選中相應(yīng)基準(zhǔn)面,進入草圖繪制環(huán)境,工具/草圖工具/草圖圖片,插入相應(yīng)圖片,根據(jù)草圖原點調(diào)整圖片在視圖中的位置,并將圖片設(shè)置成半透明。

(2)大環(huán)、輪轂的生成

根據(jù)圖片線條繪制大環(huán)、輪轂的截面四邊形及軸線,利用旋轉(zhuǎn)特征生成實體。

(3)刀臂的生成

首先,在任意一張圖片所在基準(zhǔn)面根據(jù)線條平面投影繪制3D草圖,根據(jù)曲線變化趨勢設(shè)置樣條曲線控制點;接著,選中控制點,單擊鼠標(biāo)右鍵顯示坐標(biāo)三重軸(某一控制點的,并非整條曲線的三重軸,如圖3),選中三重軸中的一個方向(保持另兩個方向不動)拖動該控制點,使其與另一張圖片上的相應(yīng)投影重合,重復(fù)這一步驟,直至3D曲線與兩個基準(zhǔn)上的投影都吻合,用同樣的方法生成內(nèi)、外兩條輪廓線;然后,在上視基準(zhǔn)面上新建另一草圖繪制刀臂截面形狀,并設(shè)置其與內(nèi)、外輪廓線幾何約束關(guān)系為穿透;最后,利用掃描特征生成刀臂實體。

(4)絞刀模型的完成

通過圓周陣列、掃描切除以及組合等特征,完成絞刀實體的建模,最后進行螺紋、倒角等細節(jié)特征的完善,刀臂與輪轂接口處的多余部分可以通過旋轉(zhuǎn)切除進行處理,之后通過進行布爾運算將多個實體進行組合,完成絞刀建模。

1.2 SolidWorks與ANSYS模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

將SolidWorks中建好的絞刀模型另存為ParaSolid格式導(dǎo)入ANSYS,定義單元屬性和材料參數(shù)并劃分網(wǎng)格。

2 絞刀應(yīng)力分析

2.1 絞刀參數(shù)

絞刀大環(huán)的內(nèi)徑為1360mm,外徑大約為1744mm,輪轂上側(cè)內(nèi)外徑分別為228.14mm和431.89mm;輪轂下側(cè)內(nèi)外徑分別為314.04mm和517.79mm。絞刀整體采用鑄鋼,材料屬性為彈性模量EX=1.75GPa,泊松比PRxy=0.27,屈服極限為σt=380MPa,取安全系數(shù)S=1.3,則許用應(yīng)力為292.31MPa。

2.2 絞刀水下切削載荷的確定及邊界條件

絞刀切削功率為150kw,轉(zhuǎn)速為40r/min,橫移速度0.4m/s,剪切角為40°。定義絞刀參與切削刀片位置與軸線所在平面的夾角為Ω,則當(dāng)0°≤Ω≤90°時,該位置刀片參與切削,為方便加載,根據(jù)刀臂參與切削情況將絞刀沿軸向分為9段。

根據(jù)二維切削理論,絞刀刀片上所受的力只和該位置半徑Rn及切削層厚度的平方成正比,由此推出

假設(shè)共有n段刀齒參與切削,各段上所受的力為Fi(i=1,2,…,n),則總扭矩T為:

取刀臂B靠近大環(huán)處刀片Ω角度為零的時刻,此時,有三個刀片A、B、C同時參與切削,但其參與切削的部位各不相同。根據(jù)式(1)、(2)計算出各段受力,結(jié)果如下表所示,其中R為受力點平均半徑。

在ANSYS中,將直角坐標(biāo)系變換為柱狀坐標(biāo)系,沿刀片切向施加載荷,并約束輪轂的內(nèi)表面,位移為零,進行求解。

2.3 結(jié)果分析

絞刀最大位移出現(xiàn)在C刀臂3、4段的位置,最大位移為7.188mm;最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在C刀臂靠近大環(huán)的一段刀片上,最大應(yīng)力為237Mpa;這一刻C刀臂切削的水下土壤層厚度最大,且其Ω角度也較大,因此無論是受力還是變形均要比其他兩個刀臂大一些,比較符合實際情況。分析得知,此時,該方案設(shè)計的絞刀是安全的,同時也要注意刀臂與輪轂連接處及內(nèi)側(cè)彎曲處也是易發(fā)生應(yīng)力集中的地方,針對切削土質(zhì)的不同,在進行絞刀刀臂輪廓的設(shè)計時可適當(dāng)考慮。

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