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吊具的安全至關(guān)重要，尤其是對于幾何尺寸過大、承載較高的專用吊具工裝，生產(chǎn)周期長，批量小，試制成本較高，因此通過CAE技術(shù)進行結(jié)構(gòu)強度分析并優(yōu)化，對于提高吊具安全系數(shù)，縮短研發(fā)周期，減少研發(fā)成本有著重要意義。圖所示工裝為某鐵路貨車零部件專用吊具工裝初始設(shè)計模型，該工裝主要由焊接骨架和墊板組成，工裝長寬尺寸為16320mmX2120mm。產(chǎn)品通過接觸作用在2mm墊板上，墊板與骨架以焊接形式連接。
墊板厚為2mm，剛度相對骨架較小，可以忽略不計;需要吊裝的產(chǎn)品總長度與骨架幾乎相等，因此在長度方向上，墊板受力均勻;吊裝產(chǎn)品雖然和骨架的寬度方向不相等，但該工裝長寬比較大，寬度方向的變形量與長度方向相比較小，因此可以假設(shè)在寬度方向上受力均勻，因此可以這樣簡化該工裝的力學模型，把產(chǎn)品作用在墊板的壓力轉(zhuǎn)化成墊板對骨架的均壓力，既避免了復雜的接觸運算，又能保證計算結(jié)果的可靠性。該設(shè)計模型是一個典型梁單元分析模型，根據(jù)力學模型簡化結(jié)果，取經(jīng)過梁單元截面中心的線框作為梁單元的幾何模型，可以選擇在CAD軟件中建立線框模型然后以igs格式倒入ABAQUS中，也可在ABAQUS中直接建立線框模型，采用一階剪切變形梁單元B31對梁單元進行網(wǎng)格劃分。吊具工裝采用Q235材料焊接而成，考慮自重影響，該材質(zhì)的材料屬性如表所示。該梁有兩種截面規(guī)格，其幾何關(guān)系及數(shù)值如圖所示。圖中數(shù)字“1”、“2”表示梁方向。由于梁壁厚一致，給出一個厚度即可。根據(jù)設(shè)計數(shù)據(jù)，給不同的線架賦予不同截面的梁。計算得到線密度載荷P為2.022N/mm。考慮骨架的自重影響，施加自身的重力載荷，邊界載荷條件施加，結(jié)果如圖所示。建立一個靜力學分析步，并求解，在后處理模塊中開啟梁截面渲染選項，可以準確顯示梁的截面尺寸，為了更清楚的顯示變形情況，將變形顯示比例縮放至24倍，其應力、應變結(jié)果如圖所示。由圖可知，該骨架的最大應力為161.9MPa，最大應變?yōu)?6mm,處于彈性變形范圍內(nèi)，雖未達到Q235的屈服強度，但不符合吊索具設(shè)計安全系數(shù)要求。
以初步分析結(jié)果為依據(jù)，在應力最大位置該添長度方向的梁，并修改截面2的方向，在ABAQUS中直接添加線框，并賦予截面和材料屬性。優(yōu)化后的線框總長度L為88.66m，產(chǎn)品及墊板的總重量G為139190N不變，由式(1)計算得到的線密度載荷P為1.57N/mm，添加邊界載荷條件并提交計算。為了方便觀察變形情況，將變形顯示比例縮放至60倍，圖為優(yōu)化后骨架結(jié)構(gòu)Miss應力云圖，從圖中可以看出，最大應力為63.21MPa，圖為優(yōu)化后骨架結(jié)構(gòu)的位移云圖，從圖中可看出，最大位移為26.64mm，變形處于彈性變形內(nèi)，既滿足了工裝吊具產(chǎn)品的安全設(shè)計要求，也沒有產(chǎn)生設(shè)計浪費。優(yōu)化后的線框機構(gòu)以igs格式導入CAD軟件中重新進行設(shè)計。
根據(jù)吊具工裝的幾何與結(jié)構(gòu)特點，采用了B31梁單元類型，簡化了力學模型和邊界載荷條件，避免進行復雜的接觸分析，以ABAQUS初始分析結(jié)果為依據(jù)，對結(jié)構(gòu)較為薄弱的環(huán)節(jié)進行優(yōu)化設(shè)計，分析結(jié)果表明，優(yōu)化后的骨架結(jié)構(gòu)最大應力由161.9MPa減少至63.21MPa，最大位移由66mm減少至26.64mm。通過ABAQUS的使用，避免了產(chǎn)品物理樣機試制過程，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，節(jié)約了研發(fā)成本，提高了吊具工裝的安全系數(shù)，對鐵路吊具工裝類產(chǎn)品設(shè)計具有參考及指導意義。
專業(yè)從事機械產(chǎn)品設(shè)計│有限元分析│強度分析│結(jié)構(gòu)優(yōu)化│技術(shù)服務與解決方案
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