ANSYS液压扭矩扳手优化设计(论文).pdf

河南科技大学 硕士学位论文 基于有限元理论的液压扭矩扳手优化设计研究 姓名 李文华 申请学位级别 硕士 专业 机械设计及理论 指导教师 张河新 潇然 摘要 I 论文题目 论文题目 基于有限元理论的液压扭矩扳手优化设计研究 专 业 专 业 机械设计及理论 研 究 生 研 究 生 李文华 指导教师 指导教师 张河新 副教授 潇然 教授 摘 要 摘 要 随着社会的不断进步 在工业生产 基础设施建设等方面 螺纹联接的应用 越来越广泛 螺纹联接的质量也日益受到重视 在大扭矩螺纹联接拆装以及控制 预紧力方面 液压扭矩扳手具有无可比拟的优势 市场前景广泛 本论文结合实践 基于有限元理论 主要探讨了两个方面的问题 1 总结液压扭矩扳手在使用过程中出现的问题 分析了问题产生的原因 最终根据不同情况 提出了解决方案 发现了许多使用不当导致的故障 因而对 螺纹联接的常见问题作了简单的分析 论证了科学使用液压扭矩扳手对于提高工 作效率和保证使用寿命的重要性 以更好的指导液压扭矩扳手的应用 2 以某公司的一款特定型号的液压扭矩扳手为基础 结合实际应用反馈回 来的具体问题 基于有限元理论 优化设计理论 利用 Pro Engineer ANSYS 等软件为工具 运用三维非线性有限元的分析方法 考虑接触问题 对液压扭矩 扳手的关键零部件进行了应力应变分析 得到了液压扭矩扳手内各点的应力应变 分布情况 找到了应力集中区域和材料冗余区域 据此对液压扭矩扳手进行了优 化设计 以期在不改变输出扭矩前提下 达到减轻重量和增加寿命及可靠性的目 的 最终生产新的液压扭矩扳手 并且设计实验系统 验证其整体性能 关键词 关键词 螺纹联接 预紧力 液压扭矩扳手 优化设计 论文类型 论文类型 应用研究 河南科技大学硕士学位论文 II Subject Research on the Optimization Design of Hydraulic Wrench Based on the Finite Element Theory Specialty Mechanical Design and Theory Name Li Wenhua Supervisor Zhang Hexin Xiao Ran ABSTRACT With the development of our society the application of screw joint becomes more and more wide in industry and infrastructure construction and the quality of screw joint also receives more attention In the aspect of the assembly and disassembly of the torque screw joint and the control of the pretension force the hydraulic torque wrench has the unmatched advantage and the market prospect is wide Combing with the practice and based on the finite element theory two problems are discussed in this paper Firstly all problems in the process of using the hydraulic wrench is summarized also the reasons are analyzed According to different situation the solution is put forward Finding many faults are caused by misusage then some common problems of screw joint are analyzed and a better working method is advanced to guide the application of the hydraulic wrench Secondly based on a special kind of hydraulic wrench of a company combining with the real problem and based on the finite element theory optimization theory with Pro E ANSYS software using three dimension nonlinear finite element analysis method the stress and strain of the key parts of the hydraulic torque wrench are analyzed The stress and strain distribution situations of all points of the hydraulic torque wrench are obtained At the same time the stress centralized material redundancies areas are obtained According to this the hydraulic torque wrench is optimized to reduce the weight and increase the service life at the premise of not changing the output torque At last new hydraulic torque wrench is produced the experiment system is designed to be proved whether the analysis result is verified KEY WORDS Screw joint Pretension force Hydraulic torque wrench Optimization design Dissertation Type Applied research 第 1 章 绪论 1 第1章 绪论 第1章 绪论 1 1 概述 概述 1 1 1 液压扭矩扳手的重要应用 液压扭矩扳手的重要应用 随着社会的不断进步 在工业生产 基础设施建设等方面 螺纹联接的应用 越来越广泛 螺纹联接的质量也日益受到重视 螺纹联接时的预紧目的在于增强 螺纹联接的刚性 紧密性 防松及防滑 预紧及预紧力的控制是确保螺纹联接质 量的关键 控制预紧力的常见方法有力矩法 螺母转角法 测定螺栓伸长法和螺 栓预伸长法 通过液压扭矩扳手实施的力矩法 螺母转角法由于具有可靠 方 便 快捷的特点而被广泛采用 1 3 大直径螺纹联接拆装及预紧力控制所需扭矩十分巨大 三门峡水电厂水轮机 转子法兰盘螺栓装配力矩实测最高达 52000 N m 4 普通人手工通过扳手所能施 加的扭矩一般不超过 500 N m 这种情况下一般采用大锤击打来实现作业 这种 作业方式不仅劳动强度大 生产效率低下 并且产生剧烈的震动和巨大的冲击 力 经常会对紧固件造成致命的伤害 使紧固件报废 影响安装或者维修进度 并且不可避免的损伤到相邻的零部件 甚至直接破坏整个工程结构的力学平衡 带来不可估量的损失 此外 很多大扭矩螺栓的现场工作条件恶劣 空间有限 手工作业根本无法胜任 整体式大扭矩液压扭矩扳手具有结构紧凑 扭矩重量比 大 操作方便 安全可靠 适用于多种工作对象的优点而被广泛应用于有空间要 求的大直径紧固件的拆装作业 1 1 2 液压扭矩扳手的基本原理 液压扭矩扳手的基本原理 液压扭矩扳手是以液压作为动力源进行驱动 将作用在油缸活塞上的高压 液压能 通过传动机构转化为方驱上的机械扭矩输出 从而实现紧固 拆卸螺栓 的作业 5 广义上的液压扭矩扳手是指一套系统 由动力源 执行机构组成 5 动力源 一般由液压泵及相关附件组成 执行机构是液压扭矩扳手的核心机构 狭义上的 液压扭矩扳手就是指执行机构 图 1 1 为某型号液压扭矩扳手执行机构原理图 根据执行机构的结构把液压扭矩扳手分为开式和闭式两种 6 开式扳手结构尺寸 大 传递扭矩大 使用所需空间大 一般只在特定的工作场合应用 属于非标类 河南科技大学硕士学位论文 2 产品 如大亚湾核电站使用的一款开式液压扭矩扳手输出扭矩高达 30 万 N m 闭式扳手使用一体式油缸 整体封闭 结构紧凑 广泛应用于大直径紧固件的拆 装工作 闭式液压扭矩扳手一般输出扭矩在 6 万 N m 以下 质量和体积不大 一般可实现单人操作 更适合在有空间限制的工况 闭式液压扭矩扳手应用更广 泛 代表着液压扭矩扳手的发展方向 本文主要研究闭式液压扭矩扳手 1 壳体 2 推杆 3 棘爪 4 防逆转棘爪 5 扭矩对照表 6 棘轮 7 棘轮套 8 方驱盖 9 密封圈 10 壳体盖 11 保护套 12 反作用臂 13 释放装置 14 油路阀块 15 接头 16 活塞 图 1 1 执行机构原理图 Fig 1 1 Actuator schematic diagram 1 2 国内外液压扭矩扳手的研究现状 国内外液压扭矩扳手的研究现状 1 2 1 国内外液压扭矩扳手的发展历程 国内外液压扭矩扳手的发展历程 西方发达国家在二十世纪四五十年代就开始了对液压扭矩扳手的研制 1946 年 1 月英国专利 GB606391 为最早出现的关于液压扭矩扳手的专利 其权 利要求为手动的整体式液压扭矩扳手以连杆铰接驱动 虽然该扳手整体尺寸较 大 输出扭矩较小 但开了现代大扭矩闭式液压扭矩扳手专利之先河 闭式液压 扭矩扳手根据传动形式不同可分为单齿啮合间歇传动 多齿啮合间歇传动和齿式 连续传动三种 齿式棘轮机构间歇传动是应用最广 最为典型的单向传动机构形 第 1 章 绪论 3 式 美国人 John K Junkers 先后申请了美国专利 US4201099 英国专利 GB2028204 德国专利 DE2916497 澳大利亚专利 AU4532779 其权利要求体 现在连杆一端以万向球头形式与活塞联接 另一端与主动臂铰接 主动臂下端即 为粗大单齿棘爪驱动棘轮间歇单向转动 并设置铰接于壳体的防逆转棘爪装置和 固接于壳体的反作用臂结构 现在国内生产的雷恩牌液压扭矩扳手传动形式就是 采用这种单齿棘爪结构 为了克服单齿啮合传动容易导致齿面应力集中而失效的 不足 更多的设计者采用了多齿啮合间歇传动的结构形式 2001 年英国人 More Nicholas 的国际专利 W00196072 该专利的权利要求在于柱塞式活塞杆端设置连 杆与主动臂铰接 以主动臂内安装的多齿棘爪块驱动棘轮转动 以上两种齿式间 歇传动的优点与缺点一样集中于 间歇 液压扭矩扳手的单向间歇传动限制了 其工作效率的进一步提高 研制能够连续高效工作的液压扭矩扳手成为研究人员 的努力方向 齿式棘轮机构连续传动即为双动式棘轮机构 基本原理为装有两个 主动棘爪的主动臂不是绕棘轮的转动中心 而是绕主动臂与两个棘爪联接点之间 的某一轴心摆动 从而在其向两个方向往复摆动的过程中分别带动两个主动棘 爪 两次驱动棘轮转动 7 9 即实现了液压扭矩扳手的连续转动 1 2 2 液压扭矩扳手研究现状及发展趋势 液压扭矩扳手研究现状及发展趋势 国外的液压扭矩扳手发展时间较长 积累了丰富的设计 加工及使用方面 的经验 英国 美国 德国的液压扭矩扳手占据了全球百分之九十以上的市场份 额 在技术创新方面 专业生产液压扭矩扳手的跨国公司有着无可比拟的优势 John K Junkers 把双动式棘轮首先应用于实践 于 2002 年推出了 HYTORC 公司 的全球第一款能够连续转动的液压扭矩扳手 HYTORC XXI 代表着液压扭矩 扳手的最高技术水平 我国在八十年代末消化吸收引进的液压扭矩扳手基础上研制成功了 WJB 系 列液压扭矩扳手 10 到目前为止就液压扭矩扳手与内部结构有许多国内研究学 者成功申请了中国专利 但专利的数量及技术方面均处于液压扭矩扳手研制的初 级阶段 因而我国尚不能拥有先进液压扭矩扳手的自主知识产权 占领国内市场 的主要为美国 英国的各类型液压扭矩扳手 而国内虽然也有几家公司生产液压 扭矩扳手 但产品大多以测绘 仿制国外知名品牌液压扭矩扳手为主 市场需求的不断增长 对液压扭矩扳手的质量 可靠性等提出了更高的要 求 研制具有结构合理紧凑 扭矩重量比大 高度集成化 液压与控制系统超高 压化等优点的液压扭矩扳手是众多研究人员的目标 针对中国工业企业实际使用 液压扭矩扳手人员培训不力 操作不规范 使用随意性大等情况 开发研制能较 河南科技大学硕士学位论文 4 好的符合中国市场需要 又体现上述优点的产品是未来中国液压扭矩扳手的发展 趋势 1 3 本课题研究的内容和意义 本课题研究的内容和意义 1 3 1 本课题研究的内容 本课题研究的内容 本论文结合实践 基于有限元理论 主要探讨了两个方面的问题 第一 总结液压扭矩扳手在使用过程中出现的问题 分析了问题产生的原因 最终根据 不同情况 提出了解决方案 发现了许多使用不当导致的故障 因而对螺纹联接 的常见问题作了简单的分析 提出了更好的工作方法 以更好的指导液压扭矩扳 手的应用 第二 以某公司的一款特定型号的液压扭矩扳手为基础 结合实际应 用反馈回来的具体问题 基于有限元理论 以 Pro Engineer ANSYS 等软件为 工具 运用三维非线性有限元的分析方法 考虑接触问题 对液压扭矩扳手的关 键零部件进行了应力应变分析 得到了液压扭矩扳手内各点的应力应变分布情 况 找到了应力集中区域和材料冗余区域 据此对液压扭矩扳手进行了优化设 计 以期在不改变输出扭矩前提下 达到减轻重量和增加寿命及可靠性的目的 最终生产新的液压扭矩扳手 同时设计实验系统 验证分析结果 1 3 2 本课题研究的意义 本课题研究的意义 液压扭矩扳手结构不规则 受力情况复杂 无法使用传统的力学理论对其 进行分析 有限元分析的基本理念是把复杂的问题简单化后求解 它将求解域网 格化成多个互相关联的子域 对每一个小单元求解 然后推导整个求解域的近似 解 有限元方法计算精度高 并且能够适应各种不规则形状和复杂情况 是工程 分析的最有效的重要手段之一 在国内液压扭矩扳手的制造行业 对液压扭矩扳手缺少科学的分析过程 经常会出现应力应变分布极度的不均匀 一方面导致结构臃肿 增大了液压扭矩 扳手的体积 从而降低了液压扭矩扳手输出扭矩与重量比 另一方面 应力集中 使扳手的某些部位容易发生疲劳损坏 使整个扳手的寿命缩短 一般来说 国内 的生产厂家也会根据使用中发现的变形和损坏情况做出改进 但是改进方案一般 是经验性的 缺乏必要的理论和数值分析 液压扭矩扳手的结构和承载情况复 杂 传统设计方法的优化设计难以奏效 运用三维非线性有限元分析方法对扳手 的易损部件 壳体进行应力应变分析 可得到各点的应力应变分布情况 从而 找出应力集中区域和材料过剩区域 为扳手壳体和反作用臂的结构优化设计提供 第 1 章 绪论 5 理论依据 棘轮组件是液压扭矩扳手执行机构的最重要组成部分 也是液压扭矩 扳手最易损部件 是提高液压扭矩扳手寿命 输出精度等主要参数的瓶颈 因 此 分析其工况 对其结构进行优化设计对于整个液压扭矩扳手的设计具有至关 重要的作用 综上所述 基于有限元理论对液压扭矩扳手进行分析 指导设计 可以降低 设计制造成本 缩短产品的设计周期 也可以适应液压扭矩扳手多系列 小批量 甚至单件生产的设计与制造要求 对我国液压扭矩扳手的跨越式发展具有十分重 要的现实意义 1 4 本章小结 本章小结 本章对液压扭矩扳手的原理及应用作了简单的介绍 并分析了国内外液压 扭矩扳手研究的现状 明确了对液压扭矩扳手优化设计研究的重要性和必要性 在此基础上阐述了本课题的主要研究内容和研究思路 以及本课题研究的意义 第 2 章 液压扭矩扳手的有限元分析 6 第2章 液压扭矩扳手的有限元分析 第2章 液压扭矩扳手的有限元分析 2 1 有限元分析方法 有限元分析方法 有限单元法是随着电子计算机的发展迅速发展起来的一种现代计算方法 是 矩阵方法在结构力学和弹性力学等领域中的发展和应用 11 它是首先在连续体 力学领域 飞机结构静 动态特性分析中应用的一种有效的数值分析方法 随 后很快广泛的应用于求解热传导 电磁场 流体力学等连续性问题 它不仅能用 于工程中复杂的非线性问题 非稳态问题的求解 而且还可以用于工程设计中进 行复杂结构的静态和动态力分析 并能准确的计算形状复杂零件的应力分布和变 形 成为复杂零件强度和刚度计算的有利分析工具 50 年代中期至 60 年代末 有限元法出现并迅猛发展 由于当时理论尚处于 初级阶段 计算机的硬件及软件也无法满足需求 有限元法和有限元程序无法在 工程上普及 到 60 年代末 70 年代初出现了大型通用有限元程序 它们以功能 强 用户使用方便 计算结果可靠和效率高而逐渐形成新的技术商品 成为结构 工程强有力的分析工具 12 目前 有限元法在现代结构力学 热力学 流体力 学和电磁学等许多领域都发挥着重要作用 13 当前 在我国工程界比较流行 被广泛使用的大型有限元分析软件有 MSC Nastran Ansys Abaqus Marc Adina 和 Algor 等 14 我国在 九五 计划期间大力推广 CAD 技术 机械行业大中型企业 CAD 的普及率从 八五 末的 20 提高到目前的 70 随着企业 CAD 应用的普及 工程技术人员已逐步甩掉图板 而将主要精力投身如何优化设计 提高工程和产 品质量 计算机辅助工程分析 CAE 方法和软件将成为关键的技术要素 15 在 工程实践中 有限元分析软件与 CAD 系统的集成应用使设计水平发生了质的飞 跃 主要表现在以下几个方面 增加设计功能 减少设计成本 缩短设计和分析 的循环周期增加产品和工程的可靠性 采用优化设计 降低材料的消耗或成本 在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题 模拟各种试验方案 减少试验时 间和经费进行机械事故分析 查找事故原因 在大力推广 CAD 技术的今天 从 自行车到航天飞机 所有的设计制造都离不开有限元分析计算 FEA 在工程设 计和分析中将得到越来越广泛的重视 16 17 河南科技大学硕士学位论文 7 2 1 1 有限元分析方法的基本思想 有限元分析方法的基本思想 有限元分析 FEA 的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解 它 将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成 对每一单元假定一个合 适的 较简单的 近似解 然后推导求解这个域总的满足条件 如结构的平衡条 件 从而得到问题的解 18 这个解不是准确解 而是近似解 因为实际问题 被较简单的问题所替代 由于大多数实际问题难以得到准确解 而有限元不仅计 算精度高 而且能适应各种复杂形状 因而成为行之有效的工程分析手段 有限 元法是建立在固体流动变分原理基础之上的 用有限元进行分析时 首先将被分 析物体离散为许多小单元 其次给定边界条件 载荷和材料特性 再者求解线性 或非线性方程组 得到位移 应力 应变等结果 最后在计算机上 使用图形技 术显示计算结果 简单的说 有限元法的基本思想是通过节点或单元描述 把复杂的结构合理 的划分为可以计算的微小单元 通过有限个单元的组合求出由单元描述的结构整 体行为 19 古代的人们把圆周简化为由有限个直线组成的多边形 可说是有限 元法的最早应用 有限元法的具体应用可概括为如下几个步骤 1 物体的离散化 就是将拟分析的物体假想地分成有限个分区 分块或分块的集合体表示原来 的物体 籍此建立起单元力学分量与未知分量的关系式 集成结构分析方程式 2 挑选形函数或插值函数 物体或结构离散化后 用被称为位移模式或位移函数的近似函数对单元内的 一些力学量进行描述 单元的位移模式需满足一定的条件 3 确定单元的性质 所谓确定单元的性质就是对单元的力学性质进行描述 一般用单元的刚度矩 阵 或柔度矩阵 来描述单元的性质 确立单元节点力与位移的关系 4 组成物体的总性质方程组 组成物体的总性质方程组就是由单元刚度矩阵集成表示整个物体性质的总刚 度矩阵 或总柔度矩阵 从而建立起整个物体的已知量 总节点荷载与整个物 体的未知量 总节点位移或应力的关系 5 解方程组 上述所形成的总性质方程组往往数目庞大 可能是几十个 几百个 甚至于 成百上千万个 对于这些方程组需要运用一定的计算数学方法解出其未知数 6 进一步计算 在求得整个结构物的未知量后 可进一步求得单元的未知量 在有限元法的 第 2 章 液压扭矩扳手的有限元分析 8 物理 数学描述中 一般有两种求解微分方程的方法 力法和位移法 由于位移 法可以满足动力学的协调性 并且通过借助于与时间有关的位移矢量 可用于动 态和非线性问题 同时通过附加函数可保证满足几何的边界条件 所以有限元法 一般采用位移法求解 由上面的过程还可以看出 用有限元法解决问题工作量很 大 不借助于电子计算机的帮助 有限元法的广泛应用是不可能实现的 20 22 2 1 2 有限元分析方法的求解过程 有限元分析方法的求解过程 目前的商用有限元程序不但分析功能几乎覆盖了所有的工程领域 其程序使 用也非常方便 只要有一定基础的工程师都可以在不长的时间内分析实际工程项 目 这就是它能被迅速推广的主要原因之一 在对某一问题进行有限元分析时 使用的工程师不需要再编写复杂的程序 一般按照以下三个步骤完成即可 1 前处理 前处理的目的是建立有限元计算的模型 该模型应包含如下信息 节点 单 元类型 材料特性 边界条件和载荷特性等 23 在前处理中 有限元模型的建 立及其网格的划分是主要的工作 要准确快速地建立起有限元模型 应首先建立 其三维实体模型 然后在此基础上进行单元离散 有限元网格划分和计算分析与 三维实体建模要有机结合 实体建模要尽量采用那些后续研究所希望的方法 用 户可以在软件提供的环境下建模 也可以应用其它的几何建模软件 然后再通过 通用的数据格式进行转换 在有限元分析计算中 对所分析的零件进行正确 合 理的网络划分一直是有限元分析中的难点 尤其是三维问题的处理 包括选取 合理的单元类型 合适的网格大小以及网格密度等 24 单元类型包括杆元 板壳元 梁元 膜元 平面应力元 平面应变元 轴 对称元 三维实体元 不可压缩单元等 基本的单元结构模型可以分为一维梁单 元 二维壳单元 三维体单元等 最常用的网格对于二维平面问题用三角形单元 和四边形单元 对于三维实体问题采用四面体单元和六面体单元 为了能自动地 划分网格 三角形单元和四面体单元是比较合适的 四边形单元和六面体单元只 是对于比较规则的几何形体才能应用 通过专业造型软件转换来的有限元几何模 型 由于几何元素的复杂性 一般只能用三角形单元和四面体单元进行网格划 分 为了使得划分的网格满足一定的计算精度 有时要对网格进行处理 常用的 方法有三种 方法一 通过提高单元形函数和位移函数的阶次 使得应力和应变 的变化过程可以更好地接近实际情况 方法二 通过增加网格的数量来提高精 度 方法三 通过改变模型节点位置来提高精度 方法一的优点是具有较高的收 敛速度 用较少的单元就可以达到较高的计算精度 但方法一以计算算法为前 河南科技大学硕士学位论文 9 提 计算程序决定了形函数多项式形式 当多项式次数提高时 算法易失去稳定 性 方法二的优点在于该方法的通用性 只要硬件水平能满足要求就可以逐渐地 增加网格的密度 但它大大增加了计算工作量 方法三的特点是不增加模型的求 解规模而提高模型的计算精度 但节点的大位移移动可能导致单元的畸变 从而 影响计算精度甚至无法求解 25 27 如何选择合适的网格形式和细化方法 需要根据实际情况和积累的经验来确 定 在对模型划分完网格后 一定要利用软件的网格检查功能检查网格裂缝 褶 皱 线性单元的节点面 翘曲及畸变等 提高网格品质 问题的边界条件 包括载荷 是前处理工作中的一个难点 对它的模拟合理 与否直接影响解的合理性 边界条件的确定方法大致可分为三类 一是解析法 发动机零部件的运动学和动力学计算是一种典型的确定发动机零部件工作状态的 解析法 解析法由于具有方便 准确的优点 历来受到人们的重视 二是试验 法 对于难以解析确定的边界条件 试验是一种行之有效的方法 例如以试验测 出的零件表面温度作为温度场分析的第一类边界条件 试验测定值通常比解析确 定值更能反映零件的实际工作状态 因为解析法反映的大多是理想情况 三是试 算法 对于既难以解析确定 又难以试验测出的边界条件 可以先作假设再通过 以某一量值为标准进行试算 使结果与该标准值吻合 从而确定边界条件 另 外 模型的材料特性也是非常重要的 需根据实验数据客观地确定 28 29 2 求解 在求解阶段 计算机接受并求解有限元方法产生的方程组 求解的结果包括 基本解和导出解 基本解即节点自由度值 导出解形成单元解 单元解通常是在 单元的积分点上计算的 ANSYS 有很多种求解系统方程组的方法 有直接求解 器 迭代求解器 并行求解器等 根据分析问题的不同类型 选用不同的求解算 法 3 后处理 一个有限元的计算结果一般仅提供具有位移的节点和具有应力的单元的数字 信息 仅仅对数字信息进行分析有时很难得到问题全貌 同时对于大型的具有上 万个节点或单元的结构 对计算结果进行二次处理需要花费大量的人力和时间 因此大型有限元程序一般都提供结果后处理功能 它可以实现计算结果的图形描 述 24 对于后处理一般要完成 用图形使计算结果直观化 对计算结果做可信度检验 利用结果解决实际问题 第 2 章 液压扭矩扳手的有限元分析 10 归根结底 有限元分析的目的是为了解决实际问题 在本文中 有限元分 析只是工具 为更好的设计液压扭矩扳手的结构提供理论支持 最终加工出更加 可靠 寿命更长 扭矩重量比更大的液压扭矩扳手才是最终目的 2 1 3 液压扭矩扳手的非线性有限元分析方法 液压扭矩扳手的非线性有限元分析方法 几何非线性是指研究对象的应力和应变呈现非线性 只能用大变形理论进 行分析研究 液压扭矩扳手结构复杂 局部区域变形可能较大 运用线性有限元 分析 不易得到合理结果 应考虑几何非线性 非线性问题的求解方法与线性问题的区别是 非线性问题不能一次施加全 部载荷 而要采用逐级施加载荷增量的增量求解方法 增量求解方法是将整个载 荷分成若干个加载步 然后利用增量形式的虚功方程得到研究对象在任一载荷情 况下的非线性有限元方程 研究几何非线性的方法有很多 本文针对液压扭矩扳手的应力应变特征采 用全拉格朗日法 30 以 t 0 时刻为基准描述物体在 t t 时刻的平衡 采用格 林 拉格朗日应变分量 ij tt 及克希霍夫应力张量 t t ij S 表示平衡条件的虚功方 程为 0 000 0V d ttTtttt SVW 2 1 根据 t 时刻与 t t 时刻格林应变和克希霍夫应力的表达式 式 2 1 整理 为 00 0000 0V d Tttt SSVW 2 2 增量应变可以用线性部分增量应变 0e 和非线性部分增量应变 0 之和表 示 即 0 0e 0 2 3 式 2 1 的最终表达式整理为 000 00000000 0V0V0V d d d TTT tttt eCeVSVWeSV 2 4 式 2 4 即为增量形式的几何非线性全拉格朗日法方程 本文所采用的有限元工具为 ANSYS 故下面着重对该分析工具进行详细介 河南科技大学硕士学位论文 11 绍 ANSYS 是由美国 ANSYS 公司开发的大型通用有限元分析软件 自 1970 年 成立以来 ANSYS 公司在其创始人 John Swanson 教授的领导下 不断吸取世界 最先进的计算方法和计算机技术 引导着世界有限元分析软件的发展 以其先进 性 可靠性 开放性等特点 被全球工业界广泛认可 并已拥有了全球最大的用 户群 下面从技术特点和功能两个方面对 ANSYS 做简单的介绍 ANSYS 能够实现结构 温度场 流场 电磁场之间的耦合分析 对于很多 工程问题 这些物理场是相互影响 相互作用的 例如温差会引起热应力 电磁 感应会产生热等 ANSYS 提供直接和间接两种耦合方式 直接耦合使用带有多 场自由度的耦合单元 间接耦合是指各物理场拥有自己的 物理环境 一个 物理环境 中的分析结果可以作为其它 物理环境 的载荷或约束 耦合可以 是双向的 31 ANSYS 是唯一实现前后处理 分析求解及多物理场统一数据库的分析软 件 ANSYS 将模型信息 单元 节点 材料等 边界信息 载荷 约束等 以及后处理信息 求解结果等 集成在一个数据库中 在使用 ANSYS 进行耦合 场分析时 各物理环境也共用一个数据库 这样极大地方便了用户的使用 32 ANSYS 提供强大的建模及网格划分工具 但是一般来说 对于复杂模型的建 立 ANSYS 的功能不如专业的三维设计软件 因而本文利用 PTC 公司的三维设 计软件 Pro Engineer 来建立液压扭矩扳手的三维模型 然后导入 ANSYS 进行网 格划分 33 34 ANSYS 有多种网格划分方法 可以实现对网格密度及精度的精确控制 拉 伸网格划分 可以由二维单元直接拖拉成三维单元 智能自由网格划分可对复杂 模型直接划分 而且对单元的密度进行智能控制 例如在应力集中处的网格自动 加密等 映射网格划分可以生成整齐的四边形或六面体网格 而且单元尺寸 及形状可以得到最精确的控制 自适应网格划分是指用户指定求解的精度 指导 软件自动生成有限元网格 执行分析 估计网格的离散误差 返回来重新自动定 义网格大小进行分析和误差判定 直到达到要求 ANSYS 还提供一些特殊的网 格划分工具 以满足特殊要求 例如连接六面体与四面体的金字塔单元 以及网 格的局部细化控制等功能 35 37 ANSYS 具有强大的结构非线性分析功能 在结构分析中的非线性功能包括 几何非线性 材料非线性 状态非线性及单元非线性 其中几何非线性包括大变 形 大应变 应力刚化与旋转软化等 38 ANSYS 提供了 100 余种非线性材料模 式 20 余种接触类型和 100 多种单元类型 可专门模拟各种特殊问题 39 第 2 章 液压扭矩扳手的有限元分析 12 2 2 液压扭矩扳手不同工作状态下的有限元分析 液压扭矩扳手不同工作状态下的有限元分析 本文针对美国实用动力有限公司的成熟产品进行有限元分析 分析在复杂 多变的受力情况下 液压扭矩扳手的受力情况 本章研究主要是为下文研究液压 扭矩扳手的应用提供理论基础 根据在应用过程中产生的问题 对液压扭矩扳手 的有限元分析在本章简化为对扳手壳体部件的有限元分析 2 2 1 实体模型的建立 实体模型的建立 ANSYS 术语中 建模一般狭义地指生成几何模型并得到节点和单元的过 程 ANSYS 中生成模型通常有以下方法 1 利用 ANSYS 的几何建模功能直接进行建模 采用自上而下 直接生成体 或面 或自下而上 依次生成点 线 面 体 然后再对该实体模型进行网格 划分 得到有限元模型 2 利用直接生成法 在 ANSYS 中直接创建节点单元 构建有限元模型 在 定义 ANSYS 实体模型之前 必须确定每个节点的位置及每个单元的大小 形状 和连接 3 在专业 CAD 中建立模型 然后导入到 ANSYS 中来 例如先用 UG Pro E Catia Solidworks 等专业 CAD 软件建立模型 然后通过这些专业 CAD 软件与 ANSYS 之间的链接 直接将模型导入到 ANSYS 中来 ANSYS 的几何建模功能相对较弱 如果利用 ANSYS 提供的建模方法 无 论采用哪种建模方式 对于建造一个液压扭矩扳手的模型来说都是一个极其繁琐 的过程 会浪费大量的时间与精力 而 Pro E 则拥有强大的实体和曲面造型功 能 因此 本文利用 Pro E 这个高效的三维设计工具来建立液压扳手的三维实体 模型 40 根据对液压扭矩扳手工作状态的了解 结合本章所要分析的问题 本 文在建立三维实体模型时对模型进行了简化 在不影响分析结果的基础上减轻计 算任务 保证了分析的顺利进行和分析结果的可靠性 IGES 是一种通用格式 理论上可以在各个建模软件及分析软件之间转换 但是当在 Pro E 建好工作模型后 保存成 IGES 导入到 ANSYS 中时出现了曲面 扭曲的现象 经过查阅资料 41 43 等 最终通过两种软件之间的连接解决了这个 问题 成功地将在 Pro E 中建好的模型导入到了 ANSYS 中 2 2 2 单元类型的选择和材料属性的定义 单元类型的选择和材料属性的定义 在实体模型建立好之后 要对实体模型进行网格划分生成有限元模型 网 格划分之前要设置所划分单元的单元类型 ANSYS 单元库提供多达 200 种不同 河南科技大学硕士学位论文 13 的单元 为了使用户方便地识别这些单元 ANSYS 建立了针对不同问题的单元 类 并根据类的特征为每个单元命名 不同的分析对象和分析类型对应不同的单 元类型 所选择单元类型直接关系着求解计算的收敛性和计算速度 如何选择一 个准确合理的单元类型 对快速准确地计算出求解结果有着很大的影响 44 液压扭矩扳手实体模型在进行网格划分时 所采用的单元类型 45 可以是 8node solid185 单元或 10node solid92 单元 这两个单元类型均可以使求解计算 收敛 对于同一个模型利用相同的单元尺寸进行网格划分 由于 solid185 和 solid92 单元在划分网格时生成的节点和单元数不同 所以求解计算的速度和计 算结果的精度不同 solid185 单元划分的节点和单元少 其计算速度快 但计算 结果没有 solid92 精确 solid92 单元划分的节点和单元多 其计算结果比较精 确 但其计算速度没有 solid185 的计算速度快 根据计算机配置的具体情况 本 文采用 solid92 单元 图 2 1 为 solid92 单元的示意图 在分析实际问题中 设置材料属性是必不可少的一个步骤 壳体和反作用 臂的材料为 40Cr 弹性模量 EX 1 96 5 10 Mpa 泊松比 0 275 2 2 3 有限元网格的划分 有限元网格的划分 在选择好单元类型之后 就要对模型进行网格划分以生成有限元模型 网 格划分质量的好坏将直接关系到求解计算能否顺利进行 质量好的网格能使求解 计算快速准确的进行 质量不好的网格会降低分析计算的收敛速度和求解的精 度 甚至使求解计算不能进行下去 ANSYS提供两种网格划分方法 自由网格 及映射网格 自由网格划分不受单元类型限制 适应于复杂的面和体的网格划 分 映射网格划分限制单元类型 映射面网格只包含四边形或三角形单元 而映 图 2 1 Solid92 单元 Fig 2 1 Solid92 element L R K N J M I P Q O X Z Y 第 2 章 液压扭矩扳手的有限元分析 14 射体网格只包含六面体单元 本文采用自由网格划分 对一些应力集中部位进行 细化局部网格控制 以壳体和反作用臂角度 90 为例 采用solid92单元类 型 网格划分如图2 2 得到了31405个单元 50113个节点 图 2 2 壳体部件 90 时的网格划分 Fig 2 2 FE mesh model of house assembly in 90 2 2 4 约束条件和载荷的加载 约束条件和载荷的加载 在进行完上述操作后 要对有限元模型施加载荷 ANSYS 的载荷类型有集中 载荷 惯性载荷 体积载荷 自由度载荷 表面载荷等 在进行有限元分析的过 程中 要强制某些位移 即令节点的位移为给定值 与力载荷等效 也就是常说 的施加位移边界条件 根据对液压扭矩扳手受力情况的了解以及此处分析内容的 认识 对液压扭矩扳手的受力情况作了简化 忽略了不影响分析结果的内力 根 据液压泵工作压力为70Mpa时 液压扭矩扳手输出力矩为10000N m的情况对 液压扭矩扳手有限元模型施加集中载荷 2 2 5 结果分析 结果分析 基于上述方法 对液压扭矩扳手壳体与反作用力臂建立实体模型 设置实 河南科技大学硕士学位论文 15 体模型的单元类型和材料属性 然后对模型进行网格划分并施加载荷以生成有限 元模型 通过ANSYS对所建立的有限元模型进行分析求解 得出了在液压扭矩 扳手壳体与反作用臂成90 时 输出扭矩为10000N m的工况下液压扭矩扳手内 部的等效应力图 如图2 3所示 图 2 3 壳体部件 90 时的应力分布云图 Fig 2 3 Equivalent stress distribution of house assembly in 90 采用同样的方法 本文对液压扭矩扳手在使用时的各种状况 取壳体和反 作用臂的角度分别为22 5 45 67 5 90 112 5 135 157 5 180 的 情况下 进行了受力分析 得到了不同角度液压扭矩扳手的最大应力分布情况 最终得出在不同角度下最大应力值 见图2 4 由于在使用过程中同一角度的情 况下 反力点的作用位置不同也会对最大应力产生影响 因而本文分析的均为各 个角度下最恶劣即应力最大的工作状况 同时本文针对应力最大发生应力的位置22 5 的情况进行了重点分析 发现 当反力点的位置选择比较合理时 输出同样扭矩 10000N m 的前提下 液压扭 矩 扳 手 上 的 最 大 应 力 仅 为381 551Mpa 对 比 反 力 点 不 恰 当 时 的 最 大 应 力 第 2 章 液压扭矩扳手的有限元分析 16 983 656Mpa 相差高达602Mpa 如图2 5 由此可见 液压扭矩扳手使用的科学 性 对于液压扭矩扳手的寿命有着重要的影响 图 2 4 不同角度的最大应力 Fig 2 4 Max stress in different angle 图 2 5 22 5 不同反力点时的应力分布云图 Fig 2 5 Different equivalent stress distribution of 22 5 河南科技大学硕士学位论文 17 2 3 本章小结 本章小结 本章详细的阐述了有限元分析方法的基本思想 求解过程和本课题采用的 基本思路 介绍了本文应用的大型有限元通用软件 ANSYS 基于有限元理 论 对液压扭矩扳手壳体和反作用臂在不同角度下的模型进行了有限元分析 在 分析过程中 根据分析对象结构复杂 建模困难的特点 先在Pro E中建立分析 对象的三维实体模型 然后利用Pro E与ANSYS之间的无缝连接成功的将在 Pro E中建立好的三维模型转入到ANSYS中进行剩余的前处理工作 在单元类 型的选择上 选用带中间节点的四面体单元 10node solid92单元 之后根据材 料定义了的弹性模量 泊松比等属性 根据液压扭矩扳手工作状况施加约束条件 和载荷 经过计算最终得出了壳体与反作用臂在不同角度工作时的最大应力 总 结了比较危险的工作状况 并针对同一个角度下 反力点不同的情况做了分析 得出反力点的不同使壳体部件的最大应力相差高达602Mpa的结论 以上的分析 为下文对于液压扭矩扳手科学使用的研究提供了理论指导 同时根据分析结果 清楚了液压扭矩扳手在不同工作状态下 壳体部件的整体应力分布情况 定性的 得出了应力集中区域和应力很小的区域 为后续开发新型液压扭矩扳手 优化壳 体部件结构提供了依据 第 3 章 液压扭矩扳手的应用研究 18 第3章 液压扭矩扳手的应用研究 第3章 液压扭矩扳手的应用研究 3 1 国内液压扭矩扳手的应用状况 国内液压扭矩扳手的应用状况 液压扭矩扳手是超高压产品 市场上主流的液压扭矩扳手所用液压泵的最 大工作压力通常在70 80Mpa 使用不当可能会带来危险 也会为工作对象留下 安全隐患 可能会造成重大损失 因而在应用过程中对使用者的素质有着很高的 要求 在英国 操作液压扭矩扳手的工人需要到政府制定的专业的公司进行培 训 培训合格后拿到Assembling and Tighting Bolted Connections 证书才能够上 岗操作 46 47 图3 1为美国实用动力公司在英国的培训设备 图 3 1 培训设备 Fig 3 1Training facility 相比之下 国内液压扭矩扳手的作业人员培训方面培训力度不够 笔者曾 经多次深入实践 对客户进行液压扭矩扳手使用方面的培训 发现了在使用过程 中存在许多野蛮操作等实际问题 比如有的现场工人直接提着液压软管来运输液 压扭矩扳手 另外 在螺栓拆装过程中通常并不计算实际所需的扭紧或者拆松力 矩 直接使用液压扳手的最大输出扭矩 一方面容易对螺栓造成永久性破坏 同 时也极大的降低了液压扭矩扳手的使用寿命 液压扭矩扳手的反作用臂和壳体之 间是花键联接的 反作用臂与壳体之间的角度可以在360度内选择 以方便反作 河南科技大学硕士学位论文 19 用点的选择 但是选择不同角度对液压扭矩扳手的工作寿命是有很大的影响的 但是大多数的现场工人对此并不清楚 因而 本文对不同角度下的模型进行了有 限元分析 得出了在不同角度工作状况下 液压扭矩扳手的最大应力 为在实践 中更好的使用液压扭矩扳手提供了理论基础 3 2 反力点的选择 反力点的选择 在液压扭矩扳手的使用过程中 液压扭矩扳手有很多防范措施 如快换接 头的防反措施等 液压扭矩扳手的液压油缸是双作用油缸 正行程最大工作压力 为70Mpa 回程时最大工作压力为30Mpa 在油路阀块上装有安全阀 超过限 制压力时自动卸压 总体说来 液压扭矩扳手使用的安全性上有足够的保证 但 是在使用过程中反力点的选择对液压扭矩扳手的使用寿命具有重大影响 根据第 2章的有限元分析结果 在反作用臂与壳体成22 5 时 由于反力点的选择不同 造成了液压扭矩扳手最大应力相差高达602Mpa 因而在使用过程中如何正确的 选择反力点成为使用液压扭矩扳手的一个重要问题 在选择反力点时应注意以下 三个问题 1 要清楚液压扭矩扳手的工作原理 因为液压扭矩扳手通过液压油缸把液 压能转化为机械能 液压油缸的运动是直线运动 而最终输出的是扭矩 在运动 上体现为旋转运动 因而必须清楚怎么样的旋转是正向行程 从而选择合适的反 力点 在使用过程中 有的操作者由于反力点选择的失误 导致将拆螺栓的动作 设定成拧紧螺栓的动作 这样的操作严重时可能会扭断螺栓 2 设置壳体和反作用臂角度时 应尽量选择液压扭矩扳手受力状况较好的 状态 严格说来 在液压扭矩扳手的设计过程中 已经充分考虑了各个角度的受 力状况 留有足够的安全系数 因而 无论那个角度使用都不会使其损坏 但是 在具体的使用过程中 由于现场的工作条件复杂 有很多角度都可供选择 都能 有效地完成作业 但是根据第2章有限元分析的结果 合适的角度对于降低关键 部件受力 延长使用寿命具有重要意义 3 所选择的