三维实体建模与有限元分析在机械设计中的应用

2020/6/23 15:36:31 人评论 次浏览 分类:有限元知识

在传统的机械设计过程中,一般要经过设计-试制-改进等多次循环,很多关键零件均为经验设计,一直没给出系统的准确的设计,即使产品定型,也存在设计上的问题。随着计算机的软件的开发和应用,在设计中,可对零件进行三维实体建模,了解实体的真实形状,对关键零件进行有限元分析。这样,不仅缩短了设计所用时间,提高设计效率,而且优化零部件的结构、材料性能,提高了所设计的可靠性。
        1.机械设计技术路线的研究
        在设计过程中,首先建立软硬件平台。其次,完成零部件三维结构设计,虚拟装配分析(干涉检查零部件的准确性和装配合理性),关键零件有限元分析,总体设计,最后形成工程图样,机械设计技术路线。本文主要介绍三维实体建模和有限元分析部分。
       2.设计过程应用举例
        现以压槽机为例介绍三维实体建模和有限元分析方法。
        2.1压槽机的工作原理
        如图1所示,压槽机通过电机带动主轴,主轴带动滚轮转动,工件套在滚轮上一起转动。同时,通过液压系统传动对压辊施加压力,对工件完成压槽过程。本压槽机可加工直径为Φ83~Φ102mm、厚5mm的钢管,能压出深3~4mm沟槽。

 

        2.2三维实体建模
        三维实体建模的软件很多,现采SolidWorks软件进行建模SolidWorks可以从三维模型自动转换出二维工程图,SolidWorks支持的三维数据有STEP、IGES、VRML、STL格式;支持的二维数据格式有:DWG、DXF格式;支持的图象文件格式有TIF格式。因此SolidWorks与分析软件COSMOS/Works和ANSYS、三维实体的运动分析软件MotionWorks、数控加工软件CAMWorks等作了无缝连接或是中间格式转化连接。

 

            2.3关键零件的有限元分析
        有限元分析是将一个形状复杂的连续体的求解区域分解为有限个形状简单的子区,即将一个连续体简化为由有限个单元组成的等效组合体,通过连续体的离散化,把求解连续体的场变量(应力、应变、位移和温度)问题简化为有限单元节点上的场变量,求解系列代数方程组,得到近似的数值解。
        在压槽机的设计中,主轴和液压缸为关键部件,其强度能否达到要求,直接关系到整体机器的可靠性,现以液压缸为例介绍COSMOS软件有限元分析方法。
        计算机辅助有限元分析系统工作的技术流程一般为:零部件有限元模型的建立、载荷及边界条件的处理、模型网格的划分、运算处理和运算结果的分析和输出。
        2.3.1液压缸有限元模型的创建
        液压缸有限元分析的力学模型是由液压系提供的压力作用,通过活塞的截面面积和工作载荷可以得出液压缸压力
        P=F/S
        式中P为液压缸工作压强(MPa),F为工作载荷(N),S为活塞截面面积(mm2)。F=2000N,S=2500mm2;P=29.93MPa。
        压力作用于液压缸整个内表面,液压缸底部与侧板相连接固定,为一个约束条件;四个螺栓孔是用来将液压缸和液压缸压盖固定在一起的,因此成为另一个约束条件。此有限元分析模型在设计基础上添加载荷和约束特征即可。

 2.3.2液压缸的有限元执行过程
        (1)添加材料属性。油缸的材料为35铸造合金钢;其弹性模量E=190Gpa;泊松比μ=0.26;屈服极限[δs]=241MPa,密度
        ρ=7300kg/m3。
        (2)载荷及边界处理。边界约束及载荷分布在分析结果中可显示。
        (3)网格划分。液压缸的网格划分参数为:节点(Nodes)32986个;单元(Elements)16453个。其网格划分如图3所示。

  

        (4)运行计算。根据载荷及边界条件,在压力的作用下,其有限元分析结果如图 4、5、6 所示。
  

 

 

       2.3.3有限元结果分析
        (1)根据液压缸有限元分析结果可知:液压缸的最大节点应力为20.5MPa,位于缸体中间部分,根据强度校核公式,其安全系数n=620/20.5=30.24,其强度完全符合设计要求。最大节点位移为13.66μm,而且应变非常小,材料很适合。
        (2)根据液压缸的应力、位移、应变云图分析:由于安全系数比较大,相对来说是大材小用了,所以,可以考虑更换一些更适合的材料,这样可以降低成本。
        3.结论
        通过三维实体建模、有限元分析、cad等设计分析软件进行机械设计,不但可以减少周期,降低设计成本,同时,提高了设计的可靠性。


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