CAE在機械設計中的應用

2013-06-05  by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM  來源:仿真在線

機械設計中首要考慮的是在零部件上應力集中的問題,應力集中將是產生重大的經濟損失。對設備的正常運行也至關重要。計算機輔助工程(CAE),是指在計算機上利用相應的計算機分析軟件(如有限元分析軟件、運動仿真軟件、疲勞分析軟件等)進行的分析計算。如靜應力、動應力和溫度應力計算、各種載荷作用下的動力學、運動學和變形計算、振動頻率和振動模態(tài)計算、溫度、流體及高速沖擊產生的應力波計算等。舉例介紹了運用有限元法(FEA)對機械中幾個關鍵件進行分析的結果,說明如何在機械設計中運用CAE完成過去無法完成的工作。

張惠玲 李東 李莎莎 王金山 來源:萬方數據
關鍵字:CAE 計算機輔助工程 機械 設計

由于大型機械產品在工作過程中的受力情況和變形條件很復雜,所以在設計時很難較準確地計算出有關零部件的應力應變分布及動力學特性。以往是給出一些假設條件,采用工程力學的方法進行近似計算,但這樣設計出的部件在幾何尺寸和結構型式上都難以達到優(yōu)化設計的要求。隨著計算機的應用,現在可以通過計算輔助工程(CAE)的方法有效地解決這個問題。
計算機輔助工程(CAE),是指在計算機上利用相應的計算機分析軟件(如有限元分析軟件、運動仿真軟件、疲勞分析軟件等)進行的分析計算。如靜應力、動應力和溫度應力計算、各種載荷作用下的動力學、運動學和變形計算、振動頻率和振動模態(tài)計算、溫度、流體及高速沖擊產生的應力波計算等。本文舉例介紹了運用有限元法(FEA)對機械中幾個關鍵件進行分析的結果,說明如何在機械設計中運用CAE完成過去無法完成的工作。
1 受力機架概率(變量化)分析
1.1 受力機架

機架是每個大型設備機工作主機的重要部件,許多受力部件安裝在機架上。每臺設備至少有1-2個機架,每個機架重量達幾十噸至幾百噸,設計要求機架有較高的安全系數,其工作時的變形必須在設計的許可范圍內,設計出工作變形、應力小而且重量又輕的機架成為設計上的一個難題。
下面以5000mm軋機機架為例,用概率的方法通過有限元軟件計算圓弧過渡處尺寸對應力集中的影響,以便找出各尺寸對應力集中的影響程度,確定影響最大應力最敏感的尺寸。根據機架的有限元計算,發(fā)現對于采用電動壓下的機架,在機架上橫梁內安裝壓下螺母的圓弧過渡的地方是應力集中(應力最大)的部位,影響該處應力的尺寸主要集中在圓弧過渡處,見圖1所示。

圖1 機架螺絲圓弧過渡處的尺寸

在傳統的有限元分析中,HEIGTH1=2mm,ANO=150°,RADIUS=44mm,DELT=10mm。為了計算尺寸變化對應力集中影響的程度,給每個尺寸一個變化范圍,故在采用傳統的有限元分析后進行了概率分析,可以看到哪個參數的變化對最大應力的變化影響最大。
傳統有限元計算得到的最大第1主應Max-StressSl=12.66/mm²,圖2所示為機架頭部壓下螺絲圓弧過渡處的第1主應力分布情況。

圖2 機架壓下螺絲圓弧過渡處的第l主應分布

1.2 機架應力集中影響因素概率分析

在概率設計中,選取圖1中所示尺寸為輸入參數,輸出參數為機架最大第一主應力(Max-StressSl)。每個輸入參數共取50個樣本點,每個樣本點互不相同,四個輸入參數每次隨機取得一組樣本點,進行傳統的有限元分析,從而得到一組相應的輸出參數。圖3為ANG0對Max-StressSl的影響,斜線為根據二者的樣本點擬合的多項式曲線,影響系數為0.5171。圖4所示為RADIUS對Max-StressSl的影響情況,斜線為根據二者的樣本點擬合的多項式曲線,影響系數為-0.0706。圖5所示為HEIGTHl對Max-StressSl的影響情況,斜線為根據二者的樣本點擬合的多項式曲線,影響系數為-0.0409。圖6所示為Max-StressSl對輸人參數的敏感情況,從圖中的方框圖和餅圖可以看到,淺色區(qū)域代表Max-StressSl對作用力FORCE的敏感性,深色區(qū)域代表Max-StressSl對ANG0的敏感性,Max-StressSl對作用力FORCE的變化最敏感,第二為ANG0,其后依次為HEIGTHl和RADIUS,也就是說,FORCE的變化對Max-StressSl影響最大,其次依次為ANGO、HEIGTHl和RADIUS。
通過對機架分析,得到了機架整體的應力分布和機架沿長度、寬度方向的變形情況。尤其是得到了應力集中區(qū)情況,為降低最大應力提高機架整體性能提供了方向。通過對應力集中區(qū)進行概率分析,得到了影響最大應力最敏感的尺寸,為設計人員手工調整尺寸以降低最大應力提供了依據?？梢杂眠@種方法以機架工作時沿長度方向的變形為輸出參數、機架的部分關鍵尺寸為輸人參數,來研究影響變形的最敏感尺寸。

圖3 ANCO對MaxStressSl的影響

圖4 RADIUS對MaxStressSl的影響

圖5 HEIGTHl對MaxStressSl的影響

圖6  MaxStressSl對輸入參數的敏感性

2 螺絲螺母有限元分析
螺絲螺母作為機械部件中必不可少的部件的主要部件,承受一定的作用力。螺絲螺母鋸齒形牙形應力集中較大,計算該處應力、使用前掌握螺絲螺母強度狀況是非常必要的。下面采用有限元分析軟件對螺絲螺母裝配體進行二維軸對稱接觸分析。
圖7是螺絲螺母裝配體平面圖,Y軸為壓下螺絲螺母裝配體對稱中心,作用力沿Y軸向下作用在螺絲上,忽略幾扣不起作用的螺絲的牙;螺絲螺母接觸處設置接觸單元、螺母同本體接觸處設置接觸單元進行整體分析。圖8是裝配體的第一主應力σ₁分布;圖9是螺母的第一主應力σ₁分布,最大為127N/mm²;圖10是壓下的第一主應力σ₁分布,最大為196N/mm²。

圖7 螺絲螺母裝配體平面圖      圖8 裝配體的σ₁分布

圖9 裝配體的σ₁分布      圖l0 螺母σ₁分布

3 結論
以機架幾個主要部件有限元分析的例子,說明了CAE在軋鋼機械設計中的應用,但遠遠不僅限于此。CAE不僅應用于常規(guī)強度設計、機架部件優(yōu)化、機架使用過程仿真,還應用于設備工藝的分析,建立傳導教學模型、設備工作過程中溫度場數學模型等。
隨著分析軟件以及相應的前、后處理軟件功能的不斷增強,CAE在現代化生產中的作用是不能低估的,它能縮短研制周期、降低成本、提高產品質量、提升產品的市場占有率,滿足多種用戶的需求。

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