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基于ANSYS的鳄鱼式液压剪断机机身的受力分析 本文通过研究鳄鱼式液压剪断机结构特点和工作过程 建立了以板单元为基本单元的剪断机机身有限元模型 用ANSYS对剪断机机身进行了强度分析 得到了最大应力值并找出危险区域 在此基础上提出改进剪断机机身结构的建议 文章所获得的分析数据对剪断机机身的结构设计具有一定的参考价值 目录 1ANSYS在国内外研究现状和发展趋势2ANSYS软件简介3鳄鱼式剪断机简介4鳄鱼式液压剪断机机身有限元模型的建立5计算结果分析及改进6结论和展望 1ANSYS在国内外研究现状和发展趋势 1965年 有限元 这个名词第一次出现 到今天有限元在工程上得到广泛应用 经历了三十多年的发展历史 理论和算法都已经日趋完善 1960 1970年 有限元的理论处于发展阶段 分析的对象主要是航空航天设备结构的强度 刚度以及模态实验和分析问题 20世纪70年代初 ANSYA软件中融入了新的技术以及用户要求 从而使程序发生了很大的变化 非线形 子结构以及更多的单元类型被加入到子程序 它大大的简化了模型生成和结果评价 前处理和后处理 今天该软件的功能更加强大 使用更加便利 ANSYS提供的虚拟样机设计法 使用户减少了昂贵费时的物理样机 在一个连续的 相互合作的工程设计中 分析用于整个产品开发过程 并且工作人员像一个团队一样相互协作 2ANSYS软件简介 ANSYS软件的组成包括三部分 前处理模块 分析计算模块和后处理模块 前处理模块 它为用户提供了一个强大的实体建模及网格划分工具 用户可以方便地构造有限元模型 软件提供了100种以上的单元类型 用来模拟工程中的各种结构和材料 分析计算模块 包括结构分析 可进行线性分析 非线性分析和高度非线性分析 流体动力学分析 电磁场分析 声场分析 压电分析以及可模拟的各种物理介质的相互作用 具有灵敏度分析及优化分析能力 后处理模块 可将计算结果以彩色等值线显示 梯度显示 矢量显示 粒子流迹显示 立体切片显示 也可将计算结果以图表 曲线形式显示或输出 3鳄鱼式剪断机简介 鳄鱼式剪断机型号很多 主要以Q系列为主 此系列剪断机剪切力大 刀口长 适用于各种断面形状的型钢 如圆钢 方钢 槽钢 工字钢 钢板 钢管等 及各种废金属结构件的冷态剪断 整机结构紧凑 机身 鳄板均为钢板焊接成箱形结构 机械性能稳定 剪切缸与鳄板采用球铰连接 提高了油缸的稳定性和寿命 增加了前鳄板导向装置 改善了整机的受力状况 采用电液控制 操作简单 可实现点动和连动自动循环 是金属回收行业和铸造车间炉料加工的理想设备之一 主要用于冶金 锻造 轧钢及废金属回收行业下料及破碎废料 是汽车钢板弹簧下料的理想剪切设备 其效率高 耐用性好 操作方便 4鳄鱼式液压剪断机机身有限元模型的建立 4 1在Pro E中建立几何模型4 2将Pro E中建立的模型导入ANSYS中4 3有限元模型的建立 4 1在Pro E中建立几何模型 由于鳄鱼式液压剪断机机身机构复杂 有许多箱体结构和螺栓联接 在ANSYS中建模有许多不便 故选择先在Pro E中建立好几何模型 然后再导入ANSYS中作为实体模型 4 2将Pro E中建立的模型导入ANSYS中 4 3有限元模型的建立 4 3 1选择单元类型4 3 2定义材料属性4 3 3定义实常数4 3 4为实体模型分配属性4 3 5划分网格 4 3 1选择单元类型 由于鳄鱼式液压剪断机机身是由一系列薄壁板件焊接而成的结构 且有些零件形状复杂 宜离散为板壳单元 文章选取板壳单元作为分析的单元类型 根据锷鱼式液压剪断机所受载荷的特点 选取SHELL63单元 因为它具有弯曲特性和膜特性 适用于同时受横向载荷和竖向载荷的薄板结构 4 3 2定义材料属性 将在Pro E中建好的剪断机机身几何模型成功导入ANSYS后 对剪断机机身各个面进行属性分配 剪断机机身由Q235钢构成 4 3 3定义实常数 由于鳄鱼式液压剪断机机身由许多厚度不同的薄板组成 因此需定义不同的实常数 这是板壳问题分析中所特有的 根据图纸 统计剪断机机身的厚度应定义7个实常数 厚度分别为10 16 20 25 28 30 36 4 3 4为实体模型分配属性 由于鳄鱼式液压剪断机几何模型是从Pro E中导入ANSYS中的 故采用直接方法为实体模型分配属性 原有的实体模型不会因为有限元模型的修改而变化 即网格划分效果不好 需重新网格化 那么在取消第一次划分产生的网格时 转换到有限无模型上的属性将自动被删除 但分配给实体模型的属性仍将保持在实体模型上 由于选择的是SHELL63面单元 故只需要对每个面进行厚度设置 4 3 5划分网格 有限元模型的求解规模 精度及时间与划分后网格的疏密有直接的关系 求解结果的准确与否也取决于网格的质量 因此 要根据有限元模型建立的准则检查划分的网格 对于不符合准则的地方进行重新修改并再次划分 直至建立合理的有限元模型 考虑到模型复杂型和计算机的运算能力 故选择面单元的边长为10mm 共划分为279846个节点 279942个单元 5计算结果分析及改进 5 1设置边界条件和加载荷载5 2求解与分析 5 1设置边界条件和加载荷载 由于鳄鱼式液压剪断机放在水平面上工作 工作过程需要电能带动液压缸工作 从而提供剪切力完成剪断工作 设置剪断机机身底面朝各个方向的自由度为0 由于液压剪断机在工作时受力比较复杂 根据具体情况 所以选择直径为D 90cm 压强为P 450Mpa的圆钢作为被剪断物作用在剪断机机身上 根据公式由于在剪断的过程中还受到侧向压力 根据经验取侧向压力的大小为正向压力的1 3 其值为953775N 方向与正向压力垂直 对剪断机机身进行受力分析 由于模型复杂 在求解的过程中 计算机会出现内存不足和压应力不收敛等警告 导致电脑死机 以致求解失败 故需要继续对模型进行简化分析 以保证能得到正常的求解结果 经分析 鳄鱼式液压剪断机机身只前半部分两个互相垂直的面受到应力 且应力变化对后半部分的强度影响不大 故只取剪断机机身的前半部分进行强度分析 操作步骤同上面所述 重新进行建模 划分网格 设置边界条件和加载荷载 完成后的模型如下图所示 5 2求解与分析 分析模型压力和模型压应力等值分部图可以看出剪断机机身整体受力基本均匀 顶板两端的压力偏大 同时顶板的两端出现了应力集中 其值已经大于屈服极限215Mpa 严重影响了剪断机机身整体稳定性 5 3剪断机机身结构的改进 对图纸进行研究 发现顶板下面无筋板 这是导致顶板发生弯曲的主要原因 为了使顶板不发生弯曲或弯曲在有效的变形范围内 必须添加筋板 以降低机身顶板所受压力和承受的压应力 使应力分布均匀 同时为了解决水平加载受力面的弯曲变形 需要增加下面筋板增加筋板的数量或增加筋板的厚度 对图纸进行研究 发现顶板下面有两块筋板且厚度均为20mm 如果增加筋板数量 注意筋板在三维空间的分布情况 尽量对称 使应力均匀分布 此外 为了减小机身两侧应力集中 可以通过对两个接触面倒角 这样可以减小应力 有效的避免应力集中水平加载受力面并且使机身整体应力分布均匀 低于屈服极限值 通过分析 对对剪断机机身结构进行改进 在顶板下增加三个筋板 选择厚度为20cm 使其下均匀分布 这样可以避免应力集中 同时 选择增加水平加载受力面下面筋板的厚度 具体选择厚度为25cm 这样可以有效抵制弯曲变形 避免应力过大对机身稳定性产生影响 此外 在此基础上对接触面进行有效的倒角 这样可以减小应力 并且也能增加美观和减小碰撞对人和物产生的伤害 由上图可知 机身顶板和受力面弯曲明显降低 并且在弯曲在有效的变形范围内 同时面上的应力集中的现象有缓解 应力基本上低于屈服极值215Mpa 斜面上的应力过大现象消失 筋板上未出现应力过大现象 大大提高剪断机机身的安全性能和整体稳定性 6结论和展望 本文通过用ANSYS10 0对鳄鱼式液压剪断机典型工况下的机身做了强度分析 根据分析结果确定了机身的危险区域并对其结构作了合理的改进 改进后的剪断机结构不但满足了强度要求 而且使得应力分布更加均匀合理 所得的分析数据可为鳄鱼式液压剪断机结