支撑座结构有限元仿真及优化

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　　收稿日期：2004-l0 -25 第23 文章编号：l006-9348（2006）0l -0l08 -03 支撑座结构有限元仿真及优化 重庆大学机械工程学院，重庆400044；2重庆工学院 ，重庆400050） 摘要：论文剖析了铸钢支撑座产品的局限性，提出了一种用锻钢支撑座替代原有铸钢支撑座的新成形工艺。为验证新工艺 的可行性以及下降产品开发周期及本钱，作者使用通用有限元剖析软件ANSYS 对不同资料的同种结构支撑座、同种资料不 同结构的支撑座进行结构受力剖析，优化了锻钢支撑座结构，取得了安全系数较高的锻钢支撑座产品结构，使用数值仿真技 术完成了锻钢支撑座新产品的开发。 要害词：支撑座；结构剖析；仿线; 文献标识码：AFEM Simulation BolsterWANG Meng ，CHENXi ，ZHOUJie MechanicaEngineering Coege ChongingUniversity，Chonging 400044，China； ChongingInstitute Technoogy，Chonging400050，China） ABSTRACT：This paper begins caststee boster foowed newtechnics，which caststee boster newtechnics，shorten deveopmentperiod universaFEM anaysis software projectMechanica anaysis differentstructures differentmaterias has been carried out structureNumerica vaue simuation technoogy newproduct KEYWORDS：Boster；Structure anaysis；Simuatiom 铸钢支撑座三维实体支撑座作为铁 路卡车穿插支撑技 术转向架的要害受 力部件，其功能和 质量对铁路卡车重 载提速有着重要影 响。支撑座产品原 为精铸件，由于铸 造工艺的固有局 限，铸钢支撑座无法防止气孔、缩松、搀杂、裂纹等缺点，这些 缺点的存在对铁路高速安全运转已构成威胁，为确保卡车提 速后的安全性和可靠性，需将如图l 所示的铸钢支撑座改为 锻件。但是，预完成支撑座产品的铸改锻并非易事，由于该 产品具有高筋、薄壁、形状杂乱等特色，在铸造工艺中难以实 现。为此需要在确保其它安装联系不变的前提下优化原支 撑座产品结构，使其习惯铸造工艺成形。有限元法具有较好 的求解安稳性和收敛性，在剖析触摸问题和非线性问题中尤 显其优势。为了下降本钱，缩短锻钢支撑座产品的开发周 期，使用通用有限元剖析软件 ANSYS 对支撑座进行结构有 限元剖析及优化。 根本失效理论及有限元模型树立［1，2，5］ 根本失效理论各种资料因强度缺乏引起的失效现象是不同的，依据支 撑座的受力状况，以第四强度理论为依据对其进行结构优化 剖析。 在此咱们引进安全系数（S），以安全系数I 除失效应力， 便得到许用应力［!］，即： maX替换，则有： maX是资料所能到达的最大等效应力。依据式（4） maX已知的条件下，零件作业时的安全系数可按 maX进行核算，若核算所得的安全系数 不小于资料的许用安全系数［］，阐明资料满意强度要求，并且安全系数 高，资料越难呈现强度失效。本文使用ANSYS 软件模仿剖析支撑座结构在施加负荷 状况下的应力散布，依据根本失效理论及强度理论，使用式 （4）核算其安全系数S 的巨细，并依据模仿成果进行结构优 力的简化模型化剖析，然后取得安全系数 正压力的核算及有限元加载模型树立 当支撑座的所受的外力为 35KN 时，其所受单位压力的大 小可由图2 所示的力的简化模 型核算。在图2 中，垫圈（支撑 座上圆孔的部位的简化）的内 径76mm，外径116mm 时，此刻 的单位压力为： 3500N（50 弹塑性有限元加载模型即：当对支撑 座施加 35KN 外力 时，单位压力的大 8pa。本文使用大型 通用有限元剖析软 件ANSYS 对支撑座 的结构静力学受力 状况进行仿真分 Structuraid brick 8nde 进行网格区分。施加载荷后的有 限元模型如图3 所示。 -5］精铸件支撑座的资料为 ZG25 20200Nmm 使用ANSYS软件对铸钢支撑座进行结构受力静力学分 析，预紧时不同视点的等效应力散布别离如图4（a）、（b）所 示，此刻最大的等效应力为241 166pa。 支撑座预紧时正面的等效应力经过对铸钢支撑座结构受力剖析，依据模仿成果，当模 拟完毕时支撑座顶部的等效应力、等效应变值较大。预紧时 最大等效应力散布在图4（b）中的M 处，此刻铸钢支撑座的 安全系数： 241166 078由于铸钢 ZG25n Ni 的屈从极限 范围内。依据强度理论，此种铸钢支撑座在使用时存在着安全隐患，当受三向压应力效果时会引起塑性 变形，为此提出用锻钢替代原有的铸钢，并恰当优化其结构， 以习惯铁路卡车提速对穿插支撑技能转向架支撑座的新需 -5］现用锻钢资料@235D 替代铸钢资料对支撑座进行结构 受力剖析，依据仿真剖析成果优化锻钢支撑座结构。锻钢 @235D 的首要力学参数 21000Nmm 预规划支撑座结构仿真剖析坚持原支撑座结构，即筋板壁厚 127mm，筋板与底 板过渡圆角R mm，使用ANSYS软件对锻钢@235D 资料 的支撑座进行结构受力仿真剖析，预紧时不同视点的等效应力散布如图 5（a）、（b）所示；此刻的最大等效应力为 266 233mpa。 支撑座预紧时正面的等效应力选用此种锻钢支撑座结构，依据模仿成果，当模仿完毕 时支撑座结构的等效应力最大值散布在支撑座顶部，此种分 布状况与铸钢支撑座在载荷效果下的应力散布状况类似。预 紧时最大等效应力散布在图5（b）中的M 处，此区域的等效 应力的最大值为 266233（mpa）。 由于锻钢 @235D 的屈从极限 知资料的核算安全系数不小于最小许用安全系数（1 区域处的实践安全系数为： 266233 8827即当选用原铸钢支撑座结构（坚持环壁厚 ），在载荷效果下的核算所得的实践安全系数S 8827，形成核算安全系数小于资料的最小许用安全系数［］的最小值，当此结构的锻钢支 撑座零件在载荷效果下，其顶部（如图5（a）所示 部位）将可能发生强度失效，无法确保锻钢支撑座在载荷效果下安全 作业。 模仿剖析成果表明，此种结构的锻钢支撑座严峻存在安 全系数低、在载荷效果下作业应力大的缺点，零件的强度低。 为取得较高的安全系数，使用模仿软件恰当优化其结构，以 满意支撑座零件的作业需要。将锻钢支撑座成果优化方针 开始定为筋板厚度t 与筋板和底板的衔接处的过渡圆角 的厚度，为将首要优化方针设定为R。 优化后的支撑座结构仿真剖析坚持支撑座筋板厚度t 127，筋板与底板衔接处的 过渡圆角R 优化为12。预紧时不同视点的等效应力散布 如图6（a）、（b）所示；预紧时支撑座底板面的等效应力散布 如图7 所示。 预紧时的等效应力散布依据图示模仿成果，预紧时等效应力（下转第151 Aug2002，10（4）：498 YoshioYamamoto XiaopingYun Coordinating Iocomotion mobiIemanipuIator EEETrasactions AutomaticControI，1994，39（6）：1326 -1332 Mohri，SFuruno YamamotoTrajectory pIanning mobiIe manipuIator effector’sspeciaI path［C］ Pro ntConf nteIIigentRobots SystemsMari，Hawaii，USA， 2001 2264 -2269 Sarkar，XYun KumarControI mechanicaIsystems roIIingcontacts：AppIications dynamiccontroI mobiIero bots RobotRes，1994，13（1）：55 -69 ［作者简介］ 吴玉香（1968 ），女（汉族），湖南人，华南理工大学自动化科学与工程学院副教授，在职博士生，感兴 趣的研讨方向：非线性操控，智能操控及其使用，机 器人操控等； 胡跃明（1960 ），男（汉族），安徽人，教授，博士生导师，首要研讨方向：非线性操控，智能操控，机器人操控等 178983 （Mpa）。依据图7 中所示的等效应力散布的区域以及该处 网格区分方式知，此处忽然呈现较大的应力散布，首要是由 处网格在模仿时呈现畸变，实践此处不会呈现大应力状况，即该数值不会影响支撑座的作业安全性。 处的应力散布较大，并且也同其它剖析计划的模仿成果相符。为此以此处的最大等效应力值作为核算该结构下锻 钢支撑座安全系数的依据。 依据图示的应力散布状况，选取节点进行测绘，在图6 =131316（Mpa）。即当 锻钢支撑座坚持环厚度t 127mm、筋板与底板之间过渡圆 =12mm时，此结构下锻钢支撑座的实践安全系数为： 131316 790行将支撑座筋板与底板之间过渡圆角规划为 12mm后，经对锻钢支撑座结构进行受力剖析的成果，其在 35KN 载荷效果下，等效应力 131316（Mpa）远小于屈从应力 =235Mpa，并且在此结构下支撑座的实践安全系数 790，大于该资料零件在安全作业时的最小许用安全系数14。模仿剖析成果表明，加大支撑座筋板与底板之间过渡圆 能够进步支撑座零件在作业时的实践安全系数，进步其安全运转的才能。 使用优化后的锻钢支撑座产品结构，对支撑座产品进行 支撑座产品什物相片出产试制，产品相片如图8 所示。出产试制成果表明，优化 后的支撑座结构合理，产品机械功能查验合格。 定论对支撑座承力板周圈施加 35KN的力，经过对不同 资料的支撑座、同种资料不同结构的支撑座，进行模仿剖析 可知： 1）原铸钢支撑座的安全系数为1 078，改为锻钢资料 后，此刻的锻钢支撑座的的安全系数S 8827。2）优化锻钢支撑座结构，当承力板厚度为12 7mm =12mm时，此刻的锻钢支撑座的的安全系数S 79。3）模仿剖析及产品试制成果表明，加大承力板与底板 衔接处的过渡圆角半径R，选用优化后的支撑座结构能够降 低最大等效应力值，进步支撑座受力时的安全系数n，使铁路 卡车运转时可靠性进步。 参考文献： 压技能，2002，27（2）：6-8 金属塑性成形进程模仿［M］北京：机械工业出书 社，1999 实例详解［M］北京： 电子工业出书社，2003 SaeedMoaveni 有限元剖析———ANSYS 理论与使用［M］ 刘鸿文资料力学［M］ 北京：高等教育出书社，1995 ［作者简介］ 王梦寒（1975 ），女（汉族），吉林农安人，重庆大学机械工程学院博士研讨生，首要从事金属塑性 成形仿真技能，模具技能及模具 CAD CAM 方面的 研讨； 陈锡侯（1976 ），男（汉族），福建漳州人，重庆大学机械工程学院博士研讨生，首要此事自动化测控软件的开发及 体系仿真研讨； ），男（汉族），重庆渝北人，重庆大学机械工程学院教授，首要此事金属塑性成形仿真技能，模具技能及模具 CAD CAM 方面的研讨。 支撑座结构有限元仿真及优化作者： 周杰，WANG Meng-han， CHEN Xi-hou， ZHOU Jie 作者单位： 王梦寒,周杰,WANG Meng-han,ZHOU Jie重庆大学机械工程学院,重庆,400044， ,CHENXi-hou重庆大学机械工程学院,重庆,400044;重庆工学院,重庆400050 刊名： 核算机仿真 英文刊名： COMPUTER SIMULATION 2006,231被引用次数： 万向节叉热成形进程模仿研讨[期刊论文]-锻压技能200202 金属塑性成形进程模仿1999 通用有限元剖析ANSYS70实例详解2003 4Saeed Moaveni 有限元剖析--ANSYS理论与使用 2003 5刘鸿文 资料力学 1995 本文读者也读过10条 王梦寒陈锡侯周杰WANGMenghanCHEN XihouZHOU Jie 铁路卡车支撑座模锻成形进程模仿与试验[期刊论文 ]-热加工工艺2008,3713 王林周杰常江李果1020转向节成形剖析及有限元模仿[期刊论文]-锻压配备与制作技能2004,394 王梦寒陈锡侯周杰WANGMeng-hanCHEN Xi-houZHOU Jie 支撑座铸改锻工艺仿真与试验剖析[期刊论文]-重 庆大学学报自然科学版2008,312 张安平王轲ZhangAnpingWang Ke 动力学有限元模型的含糊评价[期刊论文]-南京航空航天大学学报 2006,383 胡振志周杰李路张平HUZhenzhiZHOU JieLI LuZHANG Ping 锻钢支撑座成形质量剖析及试验研讨[期刊 论文]-锻压配备与制作技能2009,441 李路周杰卢先正王贵华LILuZHOU JieLU XianzhengWANG Guihua 转向节热揉捏计划工艺性比照剖析[期 刊论文]-热加工工艺2009,3823 周杰胡振志李旅程卫锋ZHOUJieHU Zhen-zhiLI LuCHENG Wei-feng 锻钢支撑座预锻模开裂失效剖析与 试验[期刊论文]-塑性工程学报2009,165 周杰李路胡振志程卫锋张平轿车转向节揉捏成形工艺优化及试验[会议论文]-2007 大跨度斜拉桥静力、动力和安稳智能仿真剖析[期刊论文]-中南公路工程2001,26310 6400转向节臂成形剖析及有限元模仿[期刊论文]-模具技能20044引用文献6条 高墩桥施工全进程根据仿真技能的安稳剖析[期刊论文]-我国科技饱览201224 锻钢支撑座预锻模开裂失效剖析与试验[期刊论文]-塑性工程学报20095 根据仿真技能的高墩桥施工全进程安稳剖析[期刊论文]-我国水运（学术版）20079 铁路卡车支撑座铸形成形进程仿真与试验[期刊论文]-重庆大学学报（自然科学版）20075 水泥厂装备垃圾处理线时对原三次风管改造的强度剖析[期刊论文]-水泥工程20125 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