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1000噸試驗機機架優(yōu)化設計分析計算
作者：
時(shí)間：2013-05-20
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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1 前言
試驗機機架是試驗機承載試驗樣品的基礎結構，工程上有嚴格的剛強度要求。已設計的1000噸試驗機要求在1000噸試驗載荷下強度滿(mǎn)足的同時(shí)最大變形不能超過(guò)3mm。本文利用ANSYS有限元程序對其進(jìn)行了靜態(tài)剛度和強度校核。另外，根據要求，在現有結構分析計算的基礎上，對某些結構參數進(jìn)行了優(yōu)化設計，達到節約成本的目的。
2 試驗機結構及材料參數
試驗機機架主要由底座、橫梁、立柱組成，底座和橫梁由4根立柱連接在一起。其中底座和橫梁箱體內由加強筋作支撐。主橫梁和主底座厚度320mm，上箱體加強筋厚度110mm，下箱體加強筋厚度110mm，立柱直徑280mm。試驗機立柱采用45#鋼，其余用A3鋼焊接。本文計算時(shí)采用線(xiàn)彈性材料模型，材料參數選取如下：
彈性模量：210GPa；
泊松比： 0.3；
3 有限元計算
本試驗機結構復雜，理論和工程計算都無(wú)法對部件復雜的應力狀態(tài)進(jìn)行有效分析，因此采用有限元分析的方法對試驗機的剛度和強度進(jìn)行分析。
3.1 計算結構模型
考慮到試驗機結構的對稱(chēng)性，建立整個(gè)結構的1/4模型。立柱和橫梁、立柱底部螺母和底座的下底板都簡(jiǎn)化為固接。同時(shí)底座上的一些小的螺栓孔及橫梁框架上的四個(gè)Φ200的孔忽略不計?？紤]到實(shí)際結構中底座下底板不能和底座的加強筋焊接，故建模時(shí)下底板與加強筋留了3mm的空隙，即加強筋比實(shí)際尺寸小了3mm；同樣橫梁的加強筋與上蓋板也留了3mm的空隙。計算模型如圖1所示。 
圖1 計算模型圖和網(wǎng)格劃分圖
3.2 計算工況條件
由于采用均質(zhì)彈性材料，而且總體結構對稱(chēng)，因此在滿(mǎn)載荷試驗狀態(tài)下，無(wú)論是拉伸試驗還是壓縮試驗，底座與橫梁的受力大小相等、方向相反。而且在拉伸試驗中，立柱參與變形的長(cháng)度要比壓縮試驗的短，所以，拉伸試驗中的垂直變形比壓縮試驗的小，而應力水平相當。因此只要壓縮試驗狀態(tài)下結構滿(mǎn)足要求即可。
在滿(mǎn)載荷壓縮試驗狀態(tài)下，底座受向下壓力104kN，橫梁受向上壓力104kN。試驗過(guò)程中，橫梁“耳朵”處還受200噸的橫梁鎖緊力作用。
3.3 其他計算條件的設定
A．網(wǎng)格劃分
根據結構形式，本文采用六面體和四面體兩種單元，為了保證有足夠的計算精度，在容易產(chǎn)生應力集中的地方進(jìn)行網(wǎng)格細分[1] ，有限元網(wǎng)格劃分如圖1所示。
B．載荷條件的施加
施加載荷時(shí)，為避免應力集中現象，把滿(mǎn)載荷壓縮試驗狀態(tài)下的底座和橫梁所受104kN拉力或壓力轉換為節點(diǎn)分布力，施加在底座的圓面上?！岸洹碧幩艿牧?jiǎn)化成600mm×80mm的矩形面上。
C．約束條件
計算模型中，在立柱和下螺母底面施加垂直方向（Z向）約束，由于1/4對稱(chēng)，在對稱(chēng)面上施加對稱(chēng)約束。
D．求解控制
求解類(lèi)型為線(xiàn)性、靜態(tài)求解。
4 計算結果
4.1 原結構的計算結果
按照原結構尺寸進(jìn)行有限元分析，主要計算結果見(jiàn)表1： 表1原結構的計算結果
圖2~圖4是原結構在1000噸壓力、200噸鎖緊力下試驗機部件的相對位移和等效應力圖。 根據計算結果，橫梁和底座相對變形最大為1.96mm，小于設計變形3mm。
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