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    基于有限元法的卷軸強度CAE分析

    發布于:2023-01-29 21:29
    CAE分析

          軋制生產設備中,卷取機是很重要的輔助設備,在帶材和線材生產中均被廣泛應用。卷軸是卷取機最關鍵的零部件,卷軸的工作狀態直接影響著卷取能力的發揮。因此,在卷軸結構設計完成后對其強度CAE分析進行驗算十分必要。
          Abaqus軟件是一種應用廣泛的通用有限元分析軟件,本文即利用Abaqus軟件對某卷取機卷軸的結構方案進行有限元仿真計算,得到卷軸的受力情況,驗算卷軸的強度,為方案的改進及優化提供必要的參考和依據。
          根據卷取機卷軸結構設計方案,整個卷軸主要由五大零部件組成:卷軸主體、右端接頭及左端的三個接頭。有限元分析模型也根據實際方案進行處理,首先利用inventor三維繪圖軟件對各部分建立模型,再通過接口導入Abaqus有限元軟件中,各個零部件通過螺栓連接起來。卷軸有限元分析模型由各零件裝配而成,在軟件中裝配時通過旋轉、平移以及面對面、同軸等約束條件將各零件裝配在一起,使它們互相之間定位。
          前處理階段,網格劃分是必不可少的一本模型是將各個零件分開各自劃分網格,同時,按照有限元網格劃分原則:對于關鍵的卷軸主體,網格劃分較密以提高仿真精度,對于次要處則相對稀疏,以提高仿真效率。單獨分網時,首先將整體進行分割,以便能劃分成精度相對高的六面體網格,有些復雜特征處,如斜長槽等,只能劃分成四面體結構。
          本仿真模型中,結構表面為平面且規則的使用六面體模型,如幾個接頭及卷軸主體表面,結構不規則的用四面體模型,如卷軸主體中間的空腔及倒角處等。
          本次模型卷取張力為250kN,卷重為11t。在接頭3安裝齒輪的位置處,施加扭矩,在卷軸主體位置,施加卷取張力及重力。Abaqus軟件中,不適合直接施加扭矩,因此模型將扭矩等效為一對大小相等、方向相反的力偶。
          本模型邊界條件為,卷軸的最左端(1)及兩個軸承安裝處(2,3),限制水平和豎直方向的位移,卷軸的最右端(4),限制水平、豎直和軸向的位移。
          綜合上述有限元仿真分析結果可知,卷軸整體應力強度普遍在35 MPa以下,不過整個結構最危險的部位有兩個,一是左接頭3軸承和齒輪安裝位置附近,第二個是卷軸主體與左接頭1相配合的臺階位置。根據從前設計經驗來看,第一個危險位置比較明顯,卷軸設計人員一般都會注意,不易察覺的是第二個危險部位。
          針對這兩個危險位置,我們對卷軸結構初步設計方案進行了以下改進和優化:第一、根據卷軸結構,將左接頭3軸承和齒輪安裝的有效間距盡可能縮短;第二將卷軸主體與左接頭1相配合的臺階長度加長,增大倒角半徑。
          1)本文基于三維有限元法,利用Abaqus軟件對卷取機卷軸的強度進行仿真計算,根據卷軸結構的初步設計方案建立了實際模型,經過嚴謹的仿真步驟,獲得了卷軸整體及各零件的強度,并得到了應力集中點及最大危險應力強度。
          2)根據卷取機卷軸強度分析計算的結果對卷軸結構的初步設計方案進行了改進,通過縮短軸承和齒輪間的安裝距離及加長卷軸主體與左接頭相配合的臺階長度降低了最大應力,增加了卷軸的強度,為卷軸結構的優化提供了必要的參考和依據。


                                                                                    專業從事機械產品設計│有限元分析│CAE分析│結構優化│技術服務與解決方案
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