支架的静力分析及改进.doc

支架静力分析和改进李庆辉(机械工程学院机研114班 s20110851)摘要：本文通过支架问题的提出运用ABAQUS软件对支架的受力情况进行了有限元仿真分析。通过分析支架内部所受最大的Von-Mises应力，来得到改进支架设计的建议。关键词：有限元仿真；静力分析；ABAQUS；Mises应力如图1所示的支架，一端牢固地焊接在一个大型结构上，支架的圆孔中穿过一个相对较软的杆件，圆孔和杆件用螺纹连接。材料的弹性模量E = 210000MPa ，泊松比=0.3。支架有以下两种工况：1)杆件的一端受到沿Y 轴负方向上的集中力F =2kN ，其大小随时间变化。2)除了上述载荷之外，支架的自由端还在局部区域上受到均布的剪力Ps =36MPa。要求确定这两种工况下支架挠度随时间变化的情况，以及内圆角处的最大主应力。根据分析结果来改进设计，以减小应力集中。 图1 几何模型 图2力的加载1 有限元模型的建立1.1 建立零件和装配根据问题描述，考虑其对称性可以只取模型的二分之一进行计算。图3为所建的零件。随后建立一装配体，将该零件添加到装配体中。 图3 零件图 图4 网格划分1.2 材料模型及网格划分将支架设置为弹性体，E = 210000MPa ，泊松比=0.3，单元类型为二次20节点缩减积分实体单元（C3D20R）。考虑到支架的应力集中，将支架内圆角处细化。如图4所示。1.3 边界条件及载荷考虑到支架的受力条件和对称性，对其进行如图5的约束添加：1） 载荷：圆孔通过螺纹和杆件连接，受到杆件向下的集中力2KN,随时间增量步如图2所示，在模型中建立参考点RP-1，将其和圆孔表面添加耦合约束，模拟杆件对螺纹孔的受力情况，在支架的自由端上受到局部的剪应力36MPa；2） 边界条件：支架的端部固定，设定六个自由度全部为零，在对称面上设定对称边界条件Z方向的位移和X，Y方向的旋转。图5 边界条件和载荷的添加2 结果分析2.1 支架应力分析 图 6 变形后的的网格模型 图7 Mises应力云图图6所示为支架变形后的网格模型，从中可以看到随着载荷的添加，支架底部的网格发生了变化，轮廓产生了弯曲。图7所示为支架在受到载荷后的Mises应力云图，从中可以看出应力集中处为支架的内圆角部分，且最大值达到了670.6Mpa，可见其应力集中是相当大的；还有在螺纹孔部分的应力值明显大于其固定端和自由端的值，这是由于支架在螺纹处受到了向下的力导致的。为了进一步分析支架内圆角处应力的分布，建立了一个路径，如图8所示。最后得到支架Mises应力沿内圆分布，如图9所示。从曲线中可以看出靠近固定端的圆弧段的应力较小只有100MPa左右；随着离自由端（局部受剪切力）越来越近，应力也随之增大，当到达圆弧的最低点的时候达到最大值670Mpa；过了最低点后，应力又开始减小。图8沿内圆建立的路径图 9 支架Mises应力沿内圆分布2.2 支架挠度分析图10所示为支架的位移云图，从图中可以看出由于支架螺纹孔受到杆件向下的集中力和自由端面局部的剪应力，导致支架自由端产生向下的变形，且在自由端面有最大值0.3007mm。图11所示为显示位移的矢量图，可看出支架各节点在载荷的作用下的位移大小和方向。 图 10 位移云图 图 11 显示位移的矢量图3结论如上所述支架内圆角处的应力较大，为了减小支架内部的应力集中和支架自由端部的挠度，需要改进设计。可以使用以下方法来改善内圆角处的应力状态和疲劳强度：1) 增大内圆角的半径, 改善内圆角处的表面粗糙度，以降低