西安重裝銅川煤礦機(jī)械有限公司 劉勇杰 閆 磊

基于ANSYS銅包裝線升降臺的有限元分析

西安重裝銅川煤礦機(jī)械有限公司 劉勇杰 閆 磊

以銅包裝生產(chǎn)線液壓升降臺為研究對象，用三維軟件Pro/E建立三維模型，將三維模型導(dǎo)入ANSYS建立有限元模型對液壓升降臺進(jìn)行線性靜力分析和模態(tài)分析，分析升降臺的變形及應(yīng)力分布情況，找出變形及應(yīng)力最大位置，提出升降臺的改進(jìn)方案，提高方案設(shè)計的可靠性。

ANSYS；液壓升降臺；Pro/E；模態(tài)；有限元分析

銅包裝線液壓升降平臺用于多個工位，上料和整形是突出工位，工作過程中，升降臺作為承受運(yùn)動的關(guān)鍵部件，它的設(shè)計效果直接關(guān)系到整個生產(chǎn)線的使用情況。正確的選擇升降臺的結(jié)構(gòu)及尺寸，是減少設(shè)備質(zhì)量，節(jié)約金屬材料，提高工作精度，增強(qiáng)機(jī)構(gòu)工作剛度及耐磨性的重要途徑。本文基于有限元理論，利用ANSYS對液壓升降臺進(jìn)行靜力分析和模態(tài)分析，為升降臺整體的設(shè)計提供了參考。

1.靜力學(xué)分析

1.1 三維模型的建立及模型傳遞

本文中將在PRO/E中建立的三維實體模型保存為IGES文件，然后將IGES文件導(dǎo)入ANSYS軟件，模型成功導(dǎo)入后就可以在ANSYS中創(chuàng)建的模型一樣對其進(jìn)行定義單元屬性、劃分網(wǎng)格、施加約束等，建立有限元分析模型。圖1為將升降臺從PRO/E軟件轉(zhuǎn)化到ANSYS軟件后的三維CAD實體模型圖[1]。

1.2 有限元前處理

1.2.1 升降臺網(wǎng)格劃分

升降臺采用普通碳素鋼板Q235焊接制成，鋼板厚度為δ=30mm,彈性模量210GPa，泊松比為0.3，許用應(yīng)力為σ=σs/n=235/1.5=156.7MPa。

實體模型建立好后，需要進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為施加邊界條件和施加載荷求解做好準(zhǔn)備。忽略升降臺系統(tǒng)內(nèi)的非剛性聯(lián)接，劃分網(wǎng)格時采用Solid實體單元，網(wǎng)格大小選用40mm，共生成124857個單元，398147個節(jié)點。圖2為升降臺網(wǎng)格劃分圖[2]。

1.2.2 施加載荷及約束

(1)銅板的重力載荷

忽略升降平臺變形對載荷引起的變化，無論升降平臺如何變形，施加在升降臺上的載荷保持恒定方向。在實際生產(chǎn)中單垛銅板的重量是2500kg、銅板外形尺寸是長1000mm，寬1000mm，則升降臺的面作用力P的計算公式如式(1.1)所示：

(2)邊界條件及加載

在實際使用過程中，升降臺底座螺栓與地面直接固定聯(lián)接。因此，對升降臺底座施加全自由度零位移約束。在ANSYS軟件中，載荷包括邊界條件和外部或者內(nèi)部的作用力函數(shù)。根據(jù)上述對銅板重力載荷以及升降臺位移約束的分析，對升降臺施加載荷。升降臺在舉升到極限位置時加載如圖3所示。

圖1 導(dǎo)入ANSYS中升降臺模型

圖2 升降臺的網(wǎng)格劃分

圖3 升降臺載荷加載圖

圖4 升降臺等效應(yīng)力云圖

圖5 升降臺等效位移云圖

圖6 升降臺振型圖

1.3 計算結(jié)果及后處理[3]

確定以上的約束和載荷，對升降臺加載后，經(jīng)過ANSYS軟件分析，得到升降臺的等效應(yīng)力云圖與位移云圖。

由圖4-5可以清楚的看到：升降臺發(fā)生明顯變形，舉升臂發(fā)生明顯的彎曲變形，升降臺最大位移出現(xiàn)在升降平臺工作臺的中心部位，其最大位移2.642mm。最大等效受力發(fā)生在升降平臺的中心部位，其最大值為133MPa，小于許用應(yīng)力。

2.模態(tài)分析

模態(tài)分析的作用在于提取結(jié)構(gòu)固有頻率及振型，它是做動力學(xué)分析(如瞬態(tài)動響應(yīng)分析、譜分析等)的基礎(chǔ)，也為結(jié)構(gòu)的動態(tài)修改提供了重要的理論依據(jù)。做模態(tài)分析的好處是：一是使結(jié)構(gòu)設(shè)計避免共振或以特定頻率進(jìn)行振動；二是使工程師可以認(rèn)識到結(jié)構(gòu)對于不同類型的動力載荷是如何響應(yīng)的；三是有助于在其它動力分析中估算求解控制參數(shù)[4]。

2.1 模型的加載及求解[5]

模態(tài)分析中的建模過程與靜態(tài)分析的建模過程基本類似，設(shè)定材料參數(shù)，模態(tài)分析需要定義密度參數(shù)，最后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，本分析中升降臺底座螺栓與地面進(jìn)行全約束，把升降臺視為剛約束，模態(tài)的提取有六種方法分別是Subspace法、Block Lanczos法、Power Dynamics法、Reduced Householder法、unsymmetric法、Damped法。本文主要使用Block Lanczos法。對升降臺底座螺栓與地面直接固定聯(lián)接進(jìn)行全位移約束，設(shè)置擴(kuò)展模態(tài)數(shù)為6，進(jìn)行求解。如圖6所示升降臺的第1階、第5階、第6階模型

2.2 模態(tài)振型的提取及分析

如圖6所示，經(jīng)過模態(tài)分析：一階振型(f=26.576Hz)為升降臺沿Z方向的左右擺動。振幅由下向上逐漸增大，升降臺下底座位移較小，最大位移發(fā)生整個升降平臺，最大位移為0.522mm。五階振型(f=63.834Hz)為沿Y方向的彎曲變形，振幅由下向上逐漸增大，升降臺下底座變形較小，最大位移發(fā)生在升降平臺的中部，最大變形位移為0.680mm。六階振型(f=74.005Hz)為在YOZ平面的扭轉(zhuǎn)振動，振幅由右向左逐漸增大，升降臺上部升降平臺變形較小，最大位移發(fā)生在左邊曲柄輪的下端，最大變形位移為0.641mm。

從上面分析結(jié)果來看，升降臺的振動主要集中升降平臺和曲柄輪。在頻率為42.677Hz時，升降臺的扭轉(zhuǎn)振動，對加工精度有一定的影響。從模態(tài)分析中得出，前六階固有頻率都是大于20Hz，所以現(xiàn)在的機(jī)構(gòu)正常工作頻率是符合要求的。如果外界激勵比較大，達(dá)到升降臺最小固有頻率時，就會引起共振，升降臺的振動變形很大，并且變形會主要發(fā)生在升降臺的振動主要集中升降平臺和曲柄輪，軸與軸承座的支撐位置，間隙調(diào)節(jié)裝置等，因此應(yīng)盡量避免振動變形的發(fā)生。

3.結(jié)論

利用ANSYS分析軟件，在合理簡化模型，正確加載與約束下，可以快速和深入地對不同工況下的結(jié)構(gòu)分析，同時可以在合理的限定條件下，對模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，對方案進(jìn)行優(yōu)化并提出評價。靜力分析是優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵，根據(jù)分析數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，不僅滿足產(chǎn)品要求，而且對結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計起到及其重要作用，不僅節(jié)省了材料，安全性和可靠性大大的提高。

通過對升降臺進(jìn)行有限元建模，并進(jìn)行線性靜態(tài)分析，模態(tài)分析。從強(qiáng)度方面考慮，升降臺最大應(yīng)力值小于許用應(yīng)力，其強(qiáng)度滿足使用要求；從剛度方面考慮，升降臺的整體變形很小，整體來說升降臺的剛度也是滿足使用要求的。總體來講，該升降臺在強(qiáng)度和剛度方面都存在很大的裕量，是完全能夠滿足應(yīng)力條件的，其位移變形數(shù)據(jù)以及應(yīng)力分布范圍和變化情況，為以后的優(yōu)化分析提供了詳實的依據(jù)。

[1]賈祥敏.將復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)Pro/E模型導(dǎo)入ANSYS中的方法[J].煤礦機(jī)械.2006(3):433-436.

[2]李黎明.ANSYS有限元分析實用教程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.

[3]郝文化.ANSYS7.0實例分析與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社.2004.

[4]師漢民.機(jī)械振動系統(tǒng)[M](第二版).武漢:華中科技大學(xué)出版社,2004

[5]李霞,徐為民.基于ANSYS番茄翻秧機(jī)機(jī)架的有限元分析[J].機(jī)械設(shè)計與制造,2010(1):56-58.