《电器室主梁强度计算与优化设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电器室主梁强度计算与优化设计.doc（10页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、附件4电器室主梁强度计算及优化有限单元法(finite element method, FEM)：属于力学分析中的数值法，它是一种以离散的有限个单元的集合体替代原构建的数值分析方法，具有计算速度快、计算精度高的特点。本课题采用Solidworks三维建模软件对电器室主梁进行建模，再采用COSMOSWorks有限元软件，确定单元类型和材料属性，确定约束和受力情况，划分网格，然后进行求解，得出各节点的变形和受力的详细的数字结果，再对结构进行分析，改善受力薄弱的零部件的强度，进行优化设计。1. 有限元模型的建立电器室主梁二维模型如图1所示。考虑到此主梁结构异常复杂，零部件多，计算量很大，因此在建模过
2、程中进行了一定的简化处理，略去和简化了一些对计算结果影响不大的零件，如：螺栓孔、倒角等。将各零件的有限元模型建立起来，再加上边界约束条件，然后将各零件装配起来，建立装配体的有限元模型。主梁的三维模型如图2所示。图1 主梁二维设计模型 图2 主梁三维实体模型图2. 主梁的有限元计算实体建模完成后，用有限元软件COSMOSWorks导入模型。在计算时认为各焊接件本身无缺陷，焊接牢固，无虚焊、漏焊、松脱现象，焊接后残余应力较小，不足以影响分析结果。创建一个分析研究名。在研究名对话框中填入研究名字，总体平衡方程定义为线性方程，因此分析类型选择线性。在网格类型栏中，由于主梁结构非常复杂，不便于采用壳网格
3、，因此采用的是实体网格类型。21 定义材料属性在材料类型栏中，初步分析采用本构方程的线性关系，应力应变将成线性关系，也将导致总体平衡方程变为线性方程，因此选择材料类型时应该选择von Mises Elasticity (isotropic)。本课题采用的材料是Q235钢，故从材料库中输入该材料的参数。查手册可知，弹性模量EX=2.061011N/m2，泊松比NUXY=0.3，密度DENS=7850Kg/m3，屈服应力SIGYLD=2.35108N/m2，正切模数ETA=81010N/m2。22 主梁的工况、约束和载荷主梁在工作过程中分为两种危险工况，即：工况一：当小车满载移至中间位置，主梁受力
4、情况。工况二：当小车满载移至端部极限位置，主梁受力情况。根据设计人员提供的资料，参考本课题的实际情况，经设计人员的提议和共同研究，主梁工作时的约束方式为：1）主梁两端半径为500mm的圆弧附近尺寸为1830850的两平面在上下方向约束；2）为了防止主梁出现刚体移动，在主梁左端1830850的平面中间区域分一小平面约束“前、后方向”及“左、右方向”的自由度。主梁的载荷分布见图3。工况一，主梁均主要承受三个载荷，即：1）小车轮压46.2T，偏离主梁中心位置（假定向左）2.89m；2）另一小车轮压83.4T，偏离主梁中心位置（向右）1.6m；3）主梁自重。工况二，主梁均主要承受三个载荷，即：1）小车
5、轮压83.4T，与主梁端部的距离为1.644m；2）另一小车轮压46.2T，与轮压83.4T距离为4.49m；其中，轮压83.4T距主梁端部距离为1.644m；3）主梁自重。 图3 主梁的载荷分布情况23 网格的划分本课题选择网格尺寸为70mm，公差为3.5mm。离散后，共有节点总数为684085，单元总数为344383。对于大型复杂的实体，采用快速有限元FFEPlus进行运算，计算速度较快。主梁的网格图如图4所示：图4 主梁的网格图3. 计算结果输出计算完了之后，可以从图中读出各点的应力、位移值。计算结果中应力单位为Pa(即N/m2)，一般采用MPa，位移单位为mm。其中输出应力为Von M
6、ises应力，该应力是按第四强度理论计算的第四相当应力。位移显示为URES指的是各点的总位移。图5和6是主梁工况一下的应力云谱图、位移云谱图。图7和8是主梁工况二下的应力云谱图、位移云谱图。输出图上自动列出了主梁的最大应力、位移值，也可以随意查看各个节点任意方向的应力、位移值。详图A图5 主梁工况一的应力图 图5 主梁工况一的应力图（详图A）图5 主梁工况一的应力图（详图B） 图5 主梁工况一的应力图（详图A）图5 主梁工况一的应力图（详图C） 图6 主梁工况一的位移云谱图（合位移）详图D图6 主梁工况一的位移云谱图（挠度） 图7 主梁工况二的应力图详图E图7 主梁工况二的应力图（详图D） 图
7、7 主梁工况二的应力图（详图E）详图F图7 主梁工况二的应力图（详图D） 图7 主梁工况二的应力图（详图F）图8 主梁工况二的位移云谱图（合位移）图8 主梁工况二的位移云谱图（挠度）4. 计算结果分析41 应力分布情况：图5和7中为各种工况下的应力分布云谱图，红色部分表示应力大，蓝色为应力小的区域。由图5可知，工况一的mises应力最大值为303.6MPa左右，图7显示工况二的mises应力最大值为327.5MPa左右，两种工况的最大mises应力均位于主梁两端半径为500mm的圆弧附近，如A处和D处所示，梁的前、后、左、右圆弧共计四处。显然，应力值超出了材料的弹性变形范围，而且超过材料屈服应
8、力的区域的面积比较大。42 位移分布情况：图6和8中为各种工况下的位移分布云谱图，红色部分表示位移大，蓝色为位移小的区域。图6显示，工况一的最大合位移为11.48mm， Y方向最大位移（即常说的挠度）为11.46mm（方向向下，为Y的负方向，为负号），位于主梁的中部上方轨道区域。图8显示，工况二的最大合位移为4.8mm， Y方向最大位移（即常说的挠度）为4.76mm（方向向下，为Y的负方向，为负号），位于主梁载荷位置附近。工况一的位移明显比工况二大很多。5. 改进及优化方式上述计算结果显示，工况一和二主梁的应力值都超过了许用值，因此不满足设计要求。本课题在同设计人员共同分析以后，对该主梁提出了
9、很多改进方式，并进行了大量的计算，由于篇幅的限制，不再将各种改进方案及其计算结果一一列出。下面给出一种相对合理的改进方案及其计算结果。改进方法是：在主梁应力较大的四个圆弧位置的腹板内侧加一块25mm厚的钢板，平面尺寸及其具体位置如图9所示，共计四块。图9 主梁改进后的二维模型51 计算结果显示详图H详图G详图I图10 主梁改进后工况一的应力图 图10 主梁改进后工况一的应力图（详图G）图10 主梁改进后工况一的应力图（详图H）图10 主梁改进后工况一的应力图（详图G）图10 主梁改进后工况一的应力图（详图I）图11 主梁改进后工况一的位移云谱图（合位移）图11 主梁改进后工况一的位移云谱图（挠
10、度）图12 主梁改进后工况二的应力图图13 主梁改进后工况二的位移云谱图（合位移）图13 主梁改进后工况二的位移云谱图（挠度）52 计算结果分析由图10可知，改进后主梁工况一的最大应力为292MPa；工况二的最大应力为295.7MPa，改进后应力值与改进前相比均有所降低，而且应力较大的区域的面积也有所减小。但是两种工况还是超过了材料的屈服极限235MPa。由图11可知，主梁改进后工况一的最大合位移为11.1mm，Y方向最大位移（即通常所说的挠度）也为11.1mm（方向向下，为Y的负方向，为负号），均位于主梁中部下方；工况二的最大合位移为4.52mm，Y方向最大位移（挠度）也为4.52mm，均比
11、改进前稍有减小。6. 设计制造过程注意事项从上面的有限元计算分析可知，在设计制造过程中应注意以下几个方面： 1. 加工时，焊接位置应严格按图纸要求施工，不得有虚焊、漏焊等现象。主梁受力后，薄弱环节主要在主梁安装车轮附近的圆弧位置，此处钢板之间焊接必须非常牢固。2. 各种材料应该按照设计要求进行选用，如钢板厚度、螺栓的大小、数量等。 3行车使用过程中应严格控制在额定载荷以内，不得违规操作，不得超载，特别是长时间超载。4. 为了简化模型，减小计算任务，该计算模型在同设计人员共同研究下，做了一些简化，对模型进行了一些理想化处理，实际情况与计算结果相比可能会有一定的出入，因此，该成果只能作为设计参考，
12、设计人员在确定具体设计尺寸时还要综合考虑其它一些因素的作用。5. 设计时，设计人员还需要考虑下列因素的作用：1）“焊接”问题。由于焊接强度计算是当今有限元计算领域的一个世界难题，很难较为准确地分析其实际状况，因此，本研究都省略了焊缝。而焊缝的材料性能通常比基体材料差，因此，会导致实际的应力和变形值比计算值大；2）钢板“负偏差”问题。本课题在建模过程中，钢板厚度均使用理论值。而钢板的实际尺寸通常比理论值小，存在“负偏差” ，因此，会造成实际的应力和变形值比计算值大；3）“超载”的问题。操作人员实际使用行车时，有可能会超载，因此，会造成实际的应力和变形值比计算值大；4）“动态载荷”问题。本次计算时
13、取的载荷是在静止状态的值，而行车在启动和制动时的实际载荷往往大于静止状态下的载荷，因此，会造成实际的应力和变形大小比计算值大；5）“疲劳”问题。本次计算只进行了应力应变分析，没有进行疲劳分析，而疲劳又是机械零部件破坏的一种最常见的方式，因此，设计人员设计时需要考虑该因素的影响。6. 为了加快计算速度，本计算采用了线性分析。两种工况的应力结果均达到了300MPa以上，而材料的屈服极限为235MPa，显然超过了材料的屈服极限，但是，根据材料的应力-应变曲线，当材料屈服以后，其应力与应变不再呈线性分布，而是呈非线性分布，而且从材料的屈服应力到材料的断裂极限，应变的范围相对很宽，因此，当应变增幅较大时，其实际应力值不会大幅度增大，而是稍微比屈服应力大。例如，本算例两种工况通过线性分析计算获得的应力值为300MPa，如果采用非线性分析，计算的结果不会有这么大，而是稍微大于235MPa，但是，可以肯定的是，两种工况的应力值均已经超过了材料屈服应力。
