【《某一体式快速水渠模具辅助支撑轻量化分析案例》4200字】

某一体式快速水渠模具辅助支撑轻量化分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u22155某一体式快速水渠模具辅助支撑轻量化分析案例 125551.1引言 1210481.2辅助支撑轻量化设计 151911.2.1三角支撑及中间板支撑三维建模 2303281.2.2材料属性定义 3114541.2.3网格划分及约束载荷施加 3126841.3三角支撑和中间支撑结果求解 5127151.4三角支撑和中间支撑拓扑优化 7136701.5三角支撑和中间支撑的模型优化数据对比 9201901.6外围三角支撑和中间支撑优化数据对比 91.1引言在工业上近百年以来，以节约成本、减少材料、质量轻为设计的首要目标，其手段有改变使用的材料如碳纤维、铝合金、镁合金等材料，虽然更换使用材料能减少比较大的重量及性能，随之而来的是成本及工艺要求的提高，另一种主要手段是通过改变使用物体的整体结构，如三角形、加强筋和梯形等结构，都有着良好的稳定性[19-22]，在形状上可以大幅度的减少材料的使用来达到使用的要求，本章将对一体式快速水渠模具的辅助支撑进行轻量化研究，运用ANSYS软件进行拓扑优化研究，研究结果表明在满足受力的情况下得到了减少了支撑件的重量，并对拓扑优化结果进行模型重塑，得到了一体式快速水渠模具的支撑构件。1.2辅助支撑轻量化设计一体式水渠设计，结合ANSYS模态分析所得到的数据，作为基础下，采用优化结构的方法，在水渠结构设计过程中，水渠制造模具在侧板时可能出现结构体悬出面过大，或跨度过大的情况，在这样的情况下，就像处在一个悬空的悬臂梁在结构上，位于下方与悬出面连接可以承载的能力有限，在设计时考虑整体的受力构件应增加支撑，可以防止一体式水渠模具在有集中力（集中的外力或集中的内力）作用的地方起到传力作用，其实最主要目的可以减少材料的使用，减少成本有利于提高经济性。图1.1一体式快速水渠模具辅助支撑件设计位置示意图Fig.1.1Schematicdiagramofthedesignpositionoftheauxiliarysupportoftheintegratedrapidwaterchannelmold工业上讲究轻量化，成本低的设计理念，对一体式快速水渠模具的中间板快正方形和外围的三角支撑进行镂空和结构设计，在水渠上进行设计的结构件如图如图1.1所示，运用ANSYS拓扑优化模块进行优化，并将优化后的结构重新建模，运用到一体式快速水渠模具上。1.2.1三角支撑及中间板支撑三维建模一体式水渠的侧板的设计采用ANSYS拓扑优化数据方法进行设计，通过ANSYS拓扑优化模块，可以有限并且快速的得到在承受最大外力的作用下，可以减少的最大有效面积为多少，并用多种显示方式表达。图1.2UG三维建模外围三角支撑Fig.1.2peripheraltriangularsupportofUG3Dmodeling图1.3UG三维建模中间板支撑Fig.1.3UG3Dmodelingintermediateplatesupport一体式水渠快速模具机构，两侧主要采用的是三角型支撑方式，但是要合理的运用三角支撑所以采用镂空轻量化处理，在NX-UG上进行一比一的数据还原，如图1.2为UG三维建模外围三角支撑渲染示意图所示，图1.3为UG三维建模中间板支撑渲染示意图，真实还原数据模型可保证静力学分析时提高精度，减少实物与模型数据不一带来的误差影响。UG三维建模因为与ANSYS有限元分析软件的文件格式并不相容，所以在UG三维建模软件上，应用三维建模软件上小功能模块将外围三角支撑和中间板支撑文件里的实体和片体都选中最后导出parasolid与ANSYS兼容的文件[23]，并打开ANSYS在模块任务栏中选中StaticStructural静力学导入相对应文件，两个支撑原件的拓扑优化步骤示意图在行道静力学模块里得到相应的分析参数，在载荷约束的不变条件下直接回到ANSYS的任务栏里，拖动TopologyOptimization放置到Solution会延展出拓扑优化模块。1.2.2材料属性定义在ANSYSworkbench中对材料进行定义，材料的不同对结果会造成极大的误差，故应查找材料屈服强度、泊松比、弹性模量等重要参数并进行创建定义，材料属性如表1.1所示。表1.1一体式水渠模具属性参数表Table.1.1attributeparametersofintegratedcanalmould对象材料屈服强度弹性模量泊松比质量密度一体式水渠模具Q235A235MPa210GPa0.37850kg/m3在有限元分析软件里本次外围三角支撑和中间板支撑采用的材料都是Q235A，在查询工程材料书籍后得到Q235A材料的屈服强度为235Mpa，材料的弹性模量为210Gpa，泊松比为0.3及质量密度为7850kg/m3在ANSY里为了保证计算结果的精度,不仅与模型、网格、算法紧密相关,而且材料参数的定义正确与否对结果的可靠性也有决定性的作用,所需在ANSYS根据表1.1所示的数据进行材料库的创建。1.2.3网格划分及约束载荷施加对三角支撑和中间支撑进行网格划分，网格划分是有限有分析中的重要步骤，网格的精度决定求解结果的分布，便于观察应力、应变、位移等，应需要合理的划分网格，避免发生求解错误。图1.4中间支持网格划分网格划分示意图Fig.1.4schematicdiagramofintermediatesupportgriddivision图1.5外围三角支撑网格划分示意图Figure1.5griddivisiondiagramofperipheraltriangularsupport在有限元软件里定义完成支撑件材料后，外围三角支撑和中间板支撑采用的网格划前者因为表面比较的平整有规律所以采用默认网格划分如图1.4所示，在有限元软件中求解完成后，中间板支撑的单元网格数为1728，节点为225如图1.4放大图所示，而外围三角支撑因为不是规则的形状为了提高静力学分析拓扑优化时的精度不得采用默认网格划分故采用三面玲珑体网格划分的方法如图1.5所示，设置好参数求解得到外围三角支撑的单元网格数为38565，节点为7784个，如放大图所示。两个支撑件可以看出网络划分均匀，符合有限元分析要求应进行下一步分析操作。图1.6中间支撑约束载荷分布示意图Fig.1.6schematicdiagramofloaddistributionofmiddlesupportrestraint图1.7外围三角支撑载荷分布示意图Fig.1.7loaddistributiondiagramofperipheraltriangularsupport图1.6和图1.7为中间支撑外围三角支撑约束载荷分布云图，根据真实的实物工况受力分析结果，在中间支撑左边、右边、上面按理想状态下的受力分析物体，沿X轴正半轴方向施加Force为300N的力位于此处。对于Z轴在D点Z轴负轴方向施加300N朝向负半轴方向挤压物体，在C点处选中侧面施压300N朝向Z方向正半轴，施加固定约束为A点，位于下方最点。图1.7所示三角支撑B点施加300N的力仿真一体式水渠模具在工作时考虑到侧板的张开同时会受到一部分来着水泥方向向外的推力为x轴方向的正半轴并伴随着固定约束A，D点，外围三角支撑还受到自身重量的影响，方向是垂直向下沿着Z轴负半轴延展300N之后求解。1.3三角支撑和中间支撑结果求解在结果处选择等效应力、总变形、内应力等进行求解，当进行完成后得到相应的受力云图和受力趋势变形。图1.8外围三角支撑变形云图Fig.1.8clouddiagramofperipheraltriangularsupportdeformation图1.9中间支撑变形云图Fig.1.9clouddiagramofdeformationofintermediatesupport当检查模型、约束、载荷等问题施加无误后，在有限元分析solution模块选中totalDeformation查看变形分布云图，如图1.8所示，最大变形位移位于Z轴负半轴的最前端最大变形为0.22mm，随后变形类似波浪形逐渐变小最小为0.02mm并减少至零。在中间支撑变形云图如图1.9所示。最大变形位为0.122mm移处于中部偏下处类似于U型，似性线性逐渐向上直至变化为零，最小变形位移支撑的中偏上处，最小变形量为0.13mm直至变化为零。图1.10外围三角支撑应变复合云图Fig1.10compositeclouddiagramofperipheraltriangularsupportstrain图1.11中间支撑应变复合云图Fig.1.11compositeclouddiagramofintermediatesupportstrain外围三角支撑应变图如图1.10所示，在有限元分析中solution模块选择EquivalentElasticStrain应变云图，在图中最大的应力变化0.103mm，主要位于外围三角支撑的外部点，其余整体变化较小多处处于小变形为0.01mm，中间支撑应力变化图如图1.11所示，最大变形位于方形的底部处，类似圆形向中心点进行包围变化最外围变化为最大值可达到0.24mm，而中间部分处于受力比较均匀所以受到的内应变力最小为0.13mm。图1.12外围三角支撑应力分布云图Fig.1.12clouddiagramofequivalentstressdistributionofperipheraltriangularsupport图1.13中间支撑等效应力分布图Fig.1.13equivalentstressdistributionofintermediatesupport等效应力分布云图如1.12所示，等效应力是评判材料变形损坏的重要指标，外围三角支撑变化最大处于外侧最高可达到0.20MP，最大变化可达到0.22Mp，中间支撑等效应力处于左边、右边和下边最大时可达到0.049MP并逐渐减少最小可达到0.0057MP如图1.13所示，并合分析数据进行辅助原件的拓扑优化设计。1.4三角支撑和中间支撑拓扑优化图1.14外围三角支撑拓扑优化分布图Fig.1.14topologyoptimizationdistributionofperipheraltriangularsupport图1.15中间拓扑优化分布图Fig.1.15distributionofintermediatetopologyoptimization在有限元软件中StaticStructural静力学分析打开TopologyOptimization进入模型数据设置界面，在原约束、载荷和分析结果下，设计材料的保存百分比，当求解后得到外围三角支撑的拓扑图形，分别仿真了40%、70%、30%、和60%，图1.14为拓扑优化后保存了百分之60的原材料，在三角形前端面向三角形底部中间区域已经拓扑掉一个类似梯形，图1.15中间支撑经过多次仿真结果最后采用了保存了百分之四十，拓扑优化后，中间绝大部分的材料已经去除掉，中间双孔拓扑中保存了一条直通的加强筋保证刚性。图1.16外围三角支撑去除材料示意图Fig.5-16schematicdiagramofmaterialremovalofperipheraltriangularsupport图1.17中间支撑去除材料示意图Fig.1.17schematicdiagramofmaterialremovalofintermediatesupport通过有限元算法里的拓扑优化visibility选择去除部分材料的显示结果，材料部分显示了网格划分，表示本次仿真可以去掉或应保存的部分材料如图1.16所示为外围三角支撑去除材料，图1.17中间支撑去除材料所示。图1.18外围三角支撑整体显示图Fig.1.18overalldisplayofperipheraltriangularsupport图1.19中间支撑整体显示图Fig.1.19overalldisplayofintermediatesupport同样在有限元软件里选择整体显示命令，得到如图1.18外围三角支撑的整体显示图与如图1.19外围三角支撑整体，得到在满足强度的条件下最大化的优化区域，在保留60%原材料时符合设计要求，达到结构优化的最大化，应进行模型重塑。1.5三角支撑和中间支撑的模型优化数据对比在ANSYS-TopologyOptimization得到最终的优化模型，并在UG三维软件上进行模型重建。图1.20外围三角支撑模型重建示意图Fig.1.20schematicdiagramofreconstructionofperipheraltriangularsupportmodel图1.21中间支撑模型重建示意图Fig.1.21schematicdiagramofreconstructionofintermediatesupportmodel把有限元分析得到的拓扑优化设计数据在UG三维建模软件上模型重建，如图1.20外围三角支撑模型重建，本次设计采用了长方形方刚长度为60mm，宽度为40mm、厚度为1.5mm侧板长度为6000mm故采用8个外围三角支撑相离的距离为580mm，采用三角形的外围板考虑到三角形在受力时有非常良好的稳定性，可能保证水渠工作时的稳定性，提高生产效率，图1.21为中间支撑模型重建示意图，同样也采用三角形结构的方法，上方圆孔为圆柱型固定支架连接工作的执行原件，中间支撑共十二个，下方半圆形的形状做镂空处理主要是方便水渠工作时防止过多的积水便于排出，也防止加工时由于加工误差导致的混凝土掉落至此增加重量。1.6外围三角支撑和中间支撑优化数据对比基于