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0引言
料斗是工程機(jī)械中常用的一種儲(chǔ)料裝置,廣泛應(yīng)用在建筑、冶金、采礦等行業(yè)的機(jī)械設(shè)備當(dāng)中。雖然在不同的工況下料斗結(jié)構(gòu)、功能會(huì)有一些區(qū)別,但是從力學(xué)模型上看,則具有很大的相似性,都是薄壁鋼板類型的力學(xué)問題。由于這類問題不屬于材料力學(xué)中的典型力學(xué)模型,因此其設(shè)計(jì)校核過程比較復(fù)雜。工程中較多的利用試湊法和實(shí)驗(yàn)法來進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì),計(jì)算過程繁瑣同時(shí)精度也不高。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,有限元技術(shù)已經(jīng)日趨成熟,也逐漸從大學(xué)和研究所的實(shí)驗(yàn)室逐走進(jìn)了企業(yè)研發(fā)第一線。本文就介紹了基于有限元技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)某款筑路機(jī)械料斗結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化的思路和方法。
1有限單元法的數(shù)學(xué)原理
如圖1所示,這一款集成式的筑路機(jī)械繼承了加熱、混合、下料等功能,主要是用作對(duì)路面病害的及時(shí)修補(bǔ)。從該機(jī)械的使用目的可以看出,其外出作業(yè)時(shí)必須能同時(shí)攜帶足量的石子骨料、乳化瀝青等物料。其中石子骨料就是由料斗承裝。為了保證安全,就基于有限元技術(shù)展開對(duì)該料斗的精確分析。有限元法是基于數(shù)值計(jì)算方法求得工程問題近似解的一種現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。該方法的基本思路如下:先把連續(xù)幾何體離散成有限個(gè)單元,每個(gè)單元設(shè)定有限個(gè)節(jié)點(diǎn),這些單元在節(jié)點(diǎn)上彼此聯(lián)結(jié),每一單元所受的力都按靜力等效原則移置到節(jié)點(diǎn)上,成為節(jié)點(diǎn)荷載,選定場函數(shù)節(jié)點(diǎn)值作為未知量,在力學(xué)分析中常取節(jié)點(diǎn)的位移分量{δ}為基本未知量。再建立單元中應(yīng)力與節(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系,具體步驟為:先利用彈性力學(xué)的幾何方程寫出單元應(yīng)變與節(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系矩陣,稱應(yīng)變矩陣[Β],即:{ε}=[B]{δ}(1)由材料的本構(gòu)關(guān)系可以得到單元彈性矩陣,由此可得單元應(yīng)力表達(dá)式:{σ}=[D]{ε}=[D][B]{δ}=[S]{δ}(2)其中,[S]=[D][B](3)[S]即為應(yīng)力轉(zhuǎn)換矩陣。然后根據(jù)節(jié)點(diǎn)平衡求得單元節(jié)點(diǎn)力與節(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系,由剛度矩陣[k]表示。根據(jù)虛功原理或最小勢能原理可得節(jié)點(diǎn)力{F}的表達(dá)式:{F}=蓓[B]T[D][B]dxdeydz{δ}=[k]{δ}(4)其中,單元?jiǎng)偠染仃嚕篬k]=蓓[B]T[D][B]dxdeydz=[B]T[D][B]V(5)再經(jīng)逐個(gè)單元逐個(gè)節(jié)點(diǎn)疊加其貢獻(xiàn)予以集合后,生成結(jié)構(gòu)剛度矩陣[K]、荷載{F}和結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)位移{δ},并利用平衡條件建立表達(dá)結(jié)構(gòu)的力-位移的關(guān)系式:[K]{δ}={F}(6)考慮幾何邊界條件作適當(dāng)修改后,利用式(6)和已求出的節(jié)點(diǎn)位移計(jì)算各個(gè)單元的應(yīng)力,最后經(jīng)后處理軟件整理、顯示計(jì)算結(jié)果。
2對(duì)料斗的初步分析
對(duì)料斗有限元分析的前處理工作主要有幾何建模、劃分網(wǎng)格、確定材料物性參數(shù)、施加載荷和約束等步驟。本文選擇的分析軟件是ANSYS。第一步是建立幾何模型,由于ANSYS的建模功能使用不是很方便,可以借助專業(yè)的三維設(shè)計(jì)軟件UG建模,再通過數(shù)據(jù)接口將模型導(dǎo)入ANSYS,如圖2(a)所示。需要說明的是:由于料斗底部下料口偏置,使得料斗兩邊的斜壁傾斜角不一樣,為了保證石子能夠順利下料,需保證傾斜角大于40°,因此在傾斜角不夠40°的那一邊增加一個(gè)便于導(dǎo)流的鋼板,如圖2(b)所示。第二步是劃分網(wǎng)格。在本例分析中采用的是solid92這種四面體網(wǎng)格,這種網(wǎng)格具有很好的適應(yīng)性。經(jīng)過ANSYS前處理的自動(dòng)劃分,共劃分得到95272個(gè)節(jié)點(diǎn),如圖2(c)所示。第三步是施加載荷。為了簡化分析工作同時(shí)保證安全,料斗的載荷類型近似按照水壓的載荷去考慮,如圖2(d)所示。這種載荷的特點(diǎn)就是載荷的方向始終垂直于加載面,而且載荷的大小隨x軸距離的增加線性增大,其滿足的規(guī)律為:p(x)=ρgx(7)其中:ρ記為石子骨料的密度。這樣的加載方式是最接近料斗的真實(shí)承載情況,同時(shí)也比真實(shí)承載的情況要稍大一些,能保證分析結(jié)果安全可靠。第四步是對(duì)料斗模型施加約束。由于料斗是通過支撐板與底架進(jìn)行焊接連接,因此支撐板的底面可以認(rèn)為是參考基準(zhǔn),所以只要約束支撐板底面多有的自由度即可。最后確定材料的常數(shù)。選用性價(jià)比較好,焊接性能也較優(yōu)良的A3鋼,本次結(jié)構(gòu)分析需要用的到參數(shù)主要有兩個(gè),即金屬楊氏模量,取值2e11N/m2;泊松比,取值為0.3。以上即完成前處理工作,就可以進(jìn)行解算。經(jīng)過ANSYS計(jì)算再由軟件通用后處理模塊的處理就可以看到最終的結(jié)果文件。后處理提供了包括位移、應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變能等多項(xiàng)結(jié)果。在所有的計(jì)算結(jié)果中,最需要關(guān)注的有兩個(gè),一個(gè)是變形,一個(gè)是應(yīng)力。變形量和應(yīng)力是判斷設(shè)計(jì)方案是否滿足剛度強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)和剛度標(biāo)準(zhǔn)的最直接的判斷依據(jù)。通過圖3可以看出該料斗在滿載時(shí)的分析結(jié)果。圖3(a)所示的是料斗外圍鋼板應(yīng)力分布情況,可以清楚看到在鋼板的邊緣處應(yīng)力最大。這是由于料斗承受載荷較大,加之鋼板連接部分幾何結(jié)構(gòu)突變?cè)斐梢欢ǔ潭鹊膽?yīng)力集中,最大應(yīng)力已經(jīng)高達(dá)303Mpa,這已經(jīng)超過了A3鋼材料的屈服極限235Mpa。圖3(b)所反映的是料斗內(nèi)部的應(yīng)力分布情況,也可以直觀的看到導(dǎo)流板的邊緣應(yīng)力很高,也達(dá)到了200Mpa。這是由于導(dǎo)流板上承受的載荷實(shí)際上是由焊接部分的焊縫來承擔(dān)。因此可以得出結(jié)論,這個(gè)料斗不能滿足強(qiáng)度要求。接下來再通過觀察料斗節(jié)點(diǎn)的位移云圖來分析變形情況。圖3(c)反映的是料斗外圍鋼板的變形。其中最大變形的區(qū)域是側(cè)面鋼板上邊緣的中間。這個(gè)區(qū)域是結(jié)構(gòu)受約束最少的地方,也就是結(jié)構(gòu)最薄弱的區(qū)域,因此最大變形出現(xiàn)在該區(qū)域是合情合理的。該區(qū)域的最大變形高達(dá)64mm,這個(gè)變形量已經(jīng)十分可觀了,超過該料斗在這個(gè)方向上總尺寸的3%。根據(jù)圖3(d)也可以看到在導(dǎo)流板的中部區(qū)域也是變形較大的地方,變形量也在20mm左右。這是因?yàn)閷?dǎo)流板完全是靠其邊緣與周圍鋼板焊接的焊縫來固定的,中間完全是懸空的,所以結(jié)果剛度較差。總之通過對(duì)料斗變形的分析,可以得出結(jié)論:變形量太大,剛度要求也不能滿足。
3對(duì)料斗的結(jié)構(gòu)優(yōu)化
針對(duì)原方案中有問題的區(qū)域采取以下改進(jìn)措施。首先是料斗口部由于僅靠邊緣的焊縫固定,使得結(jié)構(gòu)剛度性能和強(qiáng)度性能都不高,因此可以采用角鋼和扁鋼來強(qiáng)化這個(gè)結(jié)構(gòu)。即沿料斗口部固定一圈角鋼,并且在中間結(jié)構(gòu)剛度最差的地方用扁鋼連接,通過增加結(jié)構(gòu)約束提高結(jié)構(gòu)的剛度,如圖4(a)所示。針對(duì)于原設(shè)計(jì)方案中導(dǎo)流板僅靠周圍的焊縫固定使得結(jié)構(gòu)剛度較差的情況,改進(jìn)方案中在導(dǎo)流板與底板之間加設(shè)三片加強(qiáng)筋,以起到增加約束提高結(jié)構(gòu)剛度的目的,如圖4(b)所示。對(duì)原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化之后,還需要再次進(jìn)行分析,以確認(rèn)改進(jìn)方案是否能滿足使用要求。對(duì)改進(jìn)方案的分析過程與前面的分析過程完全一樣,惟一有所區(qū)別的是網(wǎng)格的劃分。由于多了一些結(jié)構(gòu),同樣采用的是solid92這種四面體網(wǎng)格,共劃分得到102512個(gè)節(jié)點(diǎn)。需要說明的是新增加的結(jié)構(gòu)均為焊接聯(lián)結(jié)。但是為了簡化分析工作,同時(shí)考慮到焊接也不是分析的主要矛盾,因此可以采取整體處理法,即作為一個(gè)整體的模型劃分網(wǎng)格。經(jīng)過解算可以得到料斗改進(jìn)設(shè)計(jì)方案的分析結(jié)果,如圖5(a)所示,料斗改進(jìn)方案外部鋼板的應(yīng)力的分布已經(jīng)比原方案要均勻多了,雖然邊緣的應(yīng)力仍然較大,但是已經(jīng)降到了95Mpa以下。最大應(yīng)力的位置現(xiàn)在是出現(xiàn)在料斗底部與支撐板的連接處,為142Mpa。從圖5(b)中可以看到改進(jìn)方案中導(dǎo)流板下設(shè)置的三片加強(qiáng)筋已經(jīng)已到了支持的作用,導(dǎo)流板邊緣焊縫處的最大應(yīng)力降到了47.8Mpa,導(dǎo)流板整體的應(yīng)力分布也更加均勻。相比較另一側(cè)的斜板焊縫的應(yīng)力顯得要大些,但最高也不超過95Mpa。因此可以看出料斗改進(jìn)方案的最大應(yīng)力也遠(yuǎn)低于材料的屈服極限,因此改進(jìn)方案滿足了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求。接下來考慮料斗改進(jìn)方案的變形情況。在圖5(c)中可以看到料斗改進(jìn)方案中由于增加了角鋼和扁鋼來強(qiáng)化結(jié)構(gòu),原方案中結(jié)構(gòu)剛度較差的區(qū)域都被大大的強(qiáng)化。在原方案中變形量超過60mm的區(qū)域在改進(jìn)方案中變形量僅為1mm左右。相比這個(gè)區(qū)域,料斗的喇叭口邊緣的變形就比較大,但變形量也僅為5mm左右,這個(gè)變形量與其總體尺寸比較,相對(duì)變形量還不到0.3%,這樣就大大提高了料斗的剛度。另外從圖5(d)中可以看到,改進(jìn)方案中導(dǎo)流板下的加強(qiáng)筋已經(jīng)充分的起到強(qiáng)化結(jié)構(gòu)的作用,這一區(qū)域的最大變形量不超過2mm。而在原方案中,這個(gè)變形量是超過40mm。最后可以看到改進(jìn)方案已經(jīng)能夠充分的保證強(qiáng)度要求和剛度要求,是能夠滿足安全性能要求的。因此可見通過有限元分析有效的實(shí)現(xiàn)了料斗結(jié)構(gòu)優(yōu)化。
4結(jié)束語
本文基于有限元技術(shù)對(duì)一款料斗進(jìn)行了精確的結(jié)構(gòu)分析,通過分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)該料斗具有強(qiáng)度和剛度不足的問題。采取針對(duì)性的措施加以改進(jìn)優(yōu)化,并再次通過有限元分析,驗(yàn)證了改進(jìn)后的產(chǎn)品具有足夠的安全性。由此可見有限元技術(shù)能夠有效的幫助工程技術(shù)人員提高工作效率和產(chǎn)品可靠性。