基于ANSYS Workbench的支架的有限元分析

Theodore

　　为进一步改进支架的结构设计, 实现支架的CAE标准化生产, 本文采用大型有限元分析软件ANSYS 对发动机支架的应力分布进行了计算和仿真分析,得出了该构件的应力和应变分布云图, 从而为支架的强度分析研究提供了比较实用的有限元分析方法。

　　1、问题描述与分析
　　支架是现代化机械工程中进行高效生产和安全生产最为关键的构件之一。由于支架重量过大会给运输、安装、搬家带来很多困难, 且材料消耗费用也是支架成本的主要构成部分, 所以选择其重量以及强度分析具有很实际的意义。
　　已知某支架，在两孔内做约束，在顶面上施加1000KN/m2的压强，然后，对支架进行强度校核，并分析支架的最大变形以及支架的等效应力。该支架的边界条件是两个螺栓孔做全固定约束，载荷为均布载荷，分析的目的是判断该结构是否失效和变形是否符合设计要求。利用Pro/E软件建立的支架的三维几何模型如图一所示。
      

　　2 、建立有限元模型
　　本模型采用整体智能网格划分, 有限元模型的网格划分后如图2所示;以使有限元计算结果更符合实际情况。用ANSYS 软件对支架模型进行网格划分,支架静态分析选定弹性模量为2.0×1011 N/m2, 泊松比为0.3，依据结构及力学特点, 采用了Solid187 单元进行分析、计算。因为结构及载荷的对称性成分较大, 所以既可采用整体计算，也可以采用对称分析计算。
      

　　3 、添加载荷和约束并求解
　　由于支架是由二组螺栓固定到物体上的,以图1模型中间的螺栓孔中心为坐标原点, 纵向为X轴、横向为Y轴、铅垂向下为Z轴正向,在加载过程中,在螺栓固定处施加约束, 使其在各个方向的位移均为0。对圆孔表面约束各个方向的自由度。对支架的顶面施加1000KN/m2均布载荷，方向为垂直向下，施加载荷和约束后的模型如图3所示。
      
　　根据上面建立的有限元分析模型，通过ANSYS Workbench的Simulation分析模块进行了计算。首先定义分析类型为静力分析，然后由Current LS命令来求解单载荷步的问题。支架结构在承受外力的作用下，应变、应力云图如图4、图5所示。
      
      

　　4 、支架有限元模型结果分析
　　通过对支架的结构强度按要求加载计算的结果, 分析支架的强度水平。从图4中发现最大变形区为红色区域,即顶板受力的边缘处，并对称分布，最大变形量为1.057mm，这个变形量比较小，在一般的工程设计中几乎可以不计，可见，这个零件的刚度相当的好。
　　由图5可以看出：最大的应力为3.21MPa，只要该应力小于材料的许用应力，材料就不会失效;从图中可以发现，在两个小孔中应力图为红色，就是说这里的应力最大!这就是我们常见的应力集中现象。应力集中是工程中零件破坏的主要原因，在工程中应尽量避免应力集中现象的发生，我们可以通过倒角、热处理等措施来改善应力集中的现象。

　　5 、结束语
　　通过对支架的有限元分析, 得到了支架在加载过程中的最大应力、应变,可以用于支架的受力分析以及指导该零件的设计。本文对支架的有限元分析方法, 对于其他有限元分析也具有重要的借鉴意义。经过比较计算结果，发现总体误差不大,仍在允许范围之内。这就证明ANSYS 软件做出的有限元计算结果基本符合实际情况,完全适合于支架的结构设计。而且在产品开发设计过程中,有助于新产品、新结构的检验, 并能帮助设计人员及时发现产品设计中的缺陷,对产品做进一步的改进,提高产品的可靠性、经济性、合理性,从而增强企业对市场的应变能力和竞争能力。


来源：CAE技术联盟