论文部分内容阅读
【摘 要】本文首先在Pro/E中建立了定位卡锁机构受最大外力时的简化模型，然后将该模型导入到ANSYS Workbench 13平台中进行了有限元模型的分析求解，最后结合求解结果用第四强度理论对定位卡锁机构各零件进行了强度校核，同时对该定位卡锁机构的改进提出了建议。
【关键词】定位卡锁机构；有限元分析
在某工程项目中应用的定位卡锁机构承担着为某输送设备准确定位的作用。由于该输送设备运行一个周期位就要启停一次，启停工作由定位卡锁机构配合实现。定位卡锁机构收回，输送设备开始运转，一个周期位后电机停转，定位卡锁机构伸出，进入与之配合的凹槽使输送设备完全停位。因此，定位卡锁机构成为该输送设备的关键部件，是保证输送设备正常工作的必备条件。所以，对定位卡锁机构的研究与分析有着重要的意义。
定位卡锁机构在伸出状态受最大外力时，其所受最大应力不应超过材料的许用应力是保证定位卡锁机构实现其功能的充分条件。为了保证定位卡锁机构的工作可靠性，本文利用ANSYS Workbench对该机构进行有限元分析，研究在定位卡锁机构受最大外力时的受力及变形情况，并依据理论知识对其强度进行校核。
1 定位卡锁机构模型的建立与导入
在对定位卡锁机构进行有限元分析之前，首先应建好定位卡锁机构的三维模型。一般在整个有限元分析的过程中，几何建模的工作量占据了非常多的时间，同时也是非常重要的过程[2]。ANSYS Workbench 13中，建模工作主要由ANSYS Workbench 自带的几何建模工具Design Modeler模块完成。对于小型或简单模型的建立可以直接在Design Modeler模块中建模，这样避免了从CAD系统中导入ANSYS的模型可能不能直接进行网格划分，需进行大量修补完善工作的麻烦。对于零部件较多的装配体的建模，通常先利用专业的三维建模软件完成模型的建立，然后再把它导入到ANSYS中进行分析。这样，工程技术人员就可以使用自己擅长的CAD软件建好模型，从而避免了重复现有CAD模型的劳动。
本文采用PTC公司的Pro/Engineer对定位卡锁机构进行三维建模。定位卡锁机构简化模型由液压缸、卡锁活塞杆、端盖、螺塞、螺钉组成，建好的三维模型如图1所示。建好后的三维模型可以在Pro/E中直接导入到ANSYS Workbench 13 中进行有限元分析。
图1 定位卡锁机构的三维模型
2 定位卡锁机构的有限元分析
2.1 定义模型材料属性
定位卡锁机构中液压缸采用Q345钢制造，弹性模量206GPa，泊松比为0.3；卡锁活塞杆为40Cr，弹性模量211GPa，泊松比为0.3；端盖为45钢，弹性模量200GPa，泊松比为0.269；其余材料按系统默认材料Structure steel 。
2.2 定义接触类型
由于导入的定位卡锁机构模型为装配体，因此需要设置接触类型。ANSYS Workbench中提供了5种不同的接触类型：Bonded（绑定） 、No Separation （不分离）、Rough（粗糙） 、Frictionless（光滑无摩擦）及 Frictional（摩擦）。其中绑定、不分离两种接触方式是线性的，其他三种为非线性接触方式。绑定要求接触体法向无间隙，切向不允许滑移。不分离方式要求接触体法向无间隙，切向允许滑移。
定位卡锁机构模型在ANSYS Workbench13中被定义了24对接触关系，其中液压缸和卡锁活塞杆以及端盖和卡锁活塞杆之间设为绑定，设置时采用将配合面中凸面一方的配合面设为接触面，凹面一方的配合面设为目标面。其他接触关系都设为不分离。
2.3 网格划分
有限元分析离不开网格的划分，网格划分的好坏将直接关系到求解的准确度以及求解的速度。在ANSYS Workbench13中提供的网格划分方法有自动划分法、四面体划分法、六面体主导法、扫掠划分法和多区划分法。
本文定位卡锁机构模型采用了自动划分法，自动划分法将自动设置四面体或扫掠网格划分，如果体是可以扫掠的，则体将被扫掠划分网格，否则将按四面体的网格划分器划分网格。定位卡锁机构模型的网格划分后的模型如图2所示，模型共计43529个单元，78871个节点。
图2 划分完网格后的有限元模型
2.4 施加约束与载荷
定位卡锁机构通过底部的燕尾槽安装于底座，底座固定于地面。因此定位卡锁机构模型采用固定约束方式约束液压缸的底面。
定位卡锁机构在伸出状态卡锁活塞杆头部一侧的直角槽受有径向最大17759N的力，对定位卡锁机构施加载荷。
2.5 求解
在ANSYS Workbench13中对定位卡锁机构模型的受力和变形情况进行求解，求解后得到定位卡锁机构伸出状态情况下的Von-Mises等效应力应变图以及总变形图，分别为图3、图4和图5。
图3 定位卡锁机构的应力分析云图
图4 定位卡锁机构的应变分析云图
图5 定位卡锁机构的总变形云图
由定位卡锁机构的应力应变图看出卡锁活塞杆的最大应力发生在卡锁头部的直角槽底部，说明该处有应力集中现象。因此可以在此处进行去应力处理，采用增加过渡圆角等方法去除应力集中的现象。
由定位卡锁机构的总变形云图看出最大变形发生在卡锁活塞杆的头部，说明该处是整个机构的薄弱环节。该处可进行淬火、镀Cr等工艺处理提高表面硬度，防止变形的发生。
3 强度校核
应按第四强度理论进行校核，由第四强度理论有：
___第四强度理论等效应力，即软件中的Von-Mises应力； ___许用应力，许用安全系数[S]=3。
液压缸材料是Q345钢，材料的屈服极限=275MPa，=91.7MPa；卡锁活塞杆是40Cr，材料的屈服极限=440MPa，=146.7MPa；端盖是45钢，材料的屈服极限=355MPa，=118.3MPa。
根据上述有限元分析计算所得，定位卡锁机构在伸出状态的最大应力86.7MPa小于各材料的许用应力，所以定位卡锁机构在伸出状态是安全的，是满足设备使用要求的。
4 结论
本文通过Pro/E和ANSYS Workbench 13平台对定位卡锁机构受最大外力时的情况进行了分析求解，用第四强度理论对各组成零件进行了强度校核，最后得出：
（1）各组成零件强度满足设备使用要求；
（2）在卡锁活塞杆的头部直角槽底部有应力集中现象，应进行去应力处理；卡锁活塞杆的头部应进行镀Cr处理，提高表面硬度。
参考文献：
[1]胡国良，任继文，龙铭.ANSYS13.0有限元分析实用基础教程[M].北京： 国防工业出版社， 2012.
[2]陈艳霞，陈磊. ANSYS Workbench工程应用案例精通[M] . 北京：电子工业出版社， 2012.
[3]凌桂龙，丁金滨，温正.ANSYS Workbench13.0从入门到精通[M].北京： 清华大学出版社，2012.
【关键词】定位卡锁机构；有限元分析
在某工程项目中应用的定位卡锁机构承担着为某输送设备准确定位的作用。由于该输送设备运行一个周期位就要启停一次，启停工作由定位卡锁机构配合实现。定位卡锁机构收回，输送设备开始运转，一个周期位后电机停转，定位卡锁机构伸出，进入与之配合的凹槽使输送设备完全停位。因此，定位卡锁机构成为该输送设备的关键部件，是保证输送设备正常工作的必备条件。所以，对定位卡锁机构的研究与分析有着重要的意义。
定位卡锁机构在伸出状态受最大外力时，其所受最大应力不应超过材料的许用应力是保证定位卡锁机构实现其功能的充分条件。为了保证定位卡锁机构的工作可靠性，本文利用ANSYS Workbench对该机构进行有限元分析，研究在定位卡锁机构受最大外力时的受力及变形情况，并依据理论知识对其强度进行校核。
1 定位卡锁机构模型的建立与导入
在对定位卡锁机构进行有限元分析之前，首先应建好定位卡锁机构的三维模型。一般在整个有限元分析的过程中，几何建模的工作量占据了非常多的时间，同时也是非常重要的过程[2]。ANSYS Workbench 13中，建模工作主要由ANSYS Workbench 自带的几何建模工具Design Modeler模块完成。对于小型或简单模型的建立可以直接在Design Modeler模块中建模，这样避免了从CAD系统中导入ANSYS的模型可能不能直接进行网格划分，需进行大量修补完善工作的麻烦。对于零部件较多的装配体的建模，通常先利用专业的三维建模软件完成模型的建立，然后再把它导入到ANSYS中进行分析。这样，工程技术人员就可以使用自己擅长的CAD软件建好模型，从而避免了重复现有CAD模型的劳动。
本文采用PTC公司的Pro/Engineer对定位卡锁机构进行三维建模。定位卡锁机构简化模型由液压缸、卡锁活塞杆、端盖、螺塞、螺钉组成，建好的三维模型如图1所示。建好后的三维模型可以在Pro/E中直接导入到ANSYS Workbench 13 中进行有限元分析。
图1 定位卡锁机构的三维模型
2 定位卡锁机构的有限元分析
2.1 定义模型材料属性
定位卡锁机构中液压缸采用Q345钢制造，弹性模量206GPa，泊松比为0.3；卡锁活塞杆为40Cr，弹性模量211GPa，泊松比为0.3；端盖为45钢，弹性模量200GPa，泊松比为0.269；其余材料按系统默认材料Structure steel 。
2.2 定义接触类型
由于导入的定位卡锁机构模型为装配体，因此需要设置接触类型。ANSYS Workbench中提供了5种不同的接触类型：Bonded（绑定） 、No Separation （不分离）、Rough（粗糙） 、Frictionless（光滑无摩擦）及 Frictional（摩擦）。其中绑定、不分离两种接触方式是线性的，其他三种为非线性接触方式。绑定要求接触体法向无间隙，切向不允许滑移。不分离方式要求接触体法向无间隙，切向允许滑移。
定位卡锁机构模型在ANSYS Workbench13中被定义了24对接触关系，其中液压缸和卡锁活塞杆以及端盖和卡锁活塞杆之间设为绑定，设置时采用将配合面中凸面一方的配合面设为接触面，凹面一方的配合面设为目标面。其他接触关系都设为不分离。
2.3 网格划分
有限元分析离不开网格的划分，网格划分的好坏将直接关系到求解的准确度以及求解的速度。在ANSYS Workbench13中提供的网格划分方法有自动划分法、四面体划分法、六面体主导法、扫掠划分法和多区划分法。
本文定位卡锁机构模型采用了自动划分法，自动划分法将自动设置四面体或扫掠网格划分，如果体是可以扫掠的，则体将被扫掠划分网格，否则将按四面体的网格划分器划分网格。定位卡锁机构模型的网格划分后的模型如图2所示，模型共计43529个单元，78871个节点。
图2 划分完网格后的有限元模型
2.4 施加约束与载荷
定位卡锁机构通过底部的燕尾槽安装于底座，底座固定于地面。因此定位卡锁机构模型采用固定约束方式约束液压缸的底面。
定位卡锁机构在伸出状态卡锁活塞杆头部一侧的直角槽受有径向最大17759N的力，对定位卡锁机构施加载荷。
2.5 求解
在ANSYS Workbench13中对定位卡锁机构模型的受力和变形情况进行求解，求解后得到定位卡锁机构伸出状态情况下的Von-Mises等效应力应变图以及总变形图，分别为图3、图4和图5。
图3 定位卡锁机构的应力分析云图
图4 定位卡锁机构的应变分析云图
图5 定位卡锁机构的总变形云图
由定位卡锁机构的应力应变图看出卡锁活塞杆的最大应力发生在卡锁头部的直角槽底部，说明该处有应力集中现象。因此可以在此处进行去应力处理，采用增加过渡圆角等方法去除应力集中的现象。
由定位卡锁机构的总变形云图看出最大变形发生在卡锁活塞杆的头部，说明该处是整个机构的薄弱环节。该处可进行淬火、镀Cr等工艺处理提高表面硬度，防止变形的发生。
3 强度校核
应按第四强度理论进行校核，由第四强度理论有：
___第四强度理论等效应力，即软件中的Von-Mises应力； ___许用应力，许用安全系数[S]=3。
液压缸材料是Q345钢，材料的屈服极限=275MPa，=91.7MPa；卡锁活塞杆是40Cr，材料的屈服极限=440MPa，=146.7MPa；端盖是45钢，材料的屈服极限=355MPa，=118.3MPa。
根据上述有限元分析计算所得，定位卡锁机构在伸出状态的最大应力86.7MPa小于各材料的许用应力，所以定位卡锁机构在伸出状态是安全的，是满足设备使用要求的。
4 结论
本文通过Pro/E和ANSYS Workbench 13平台对定位卡锁机构受最大外力时的情况进行了分析求解，用第四强度理论对各组成零件进行了强度校核，最后得出：
（1）各组成零件强度满足设备使用要求；
（2）在卡锁活塞杆的头部直角槽底部有应力集中现象，应进行去应力处理；卡锁活塞杆的头部应进行镀Cr处理，提高表面硬度。
参考文献：
[1]胡国良，任继文，龙铭.ANSYS13.0有限元分析实用基础教程[M].北京： 国防工业出版社， 2012.
[2]陈艳霞，陈磊. ANSYS Workbench工程应用案例精通[M] . 北京：电子工业出版社， 2012.
[3]凌桂龙，丁金滨，温正.ANSYS Workbench13.0从入门到精通[M].北京： 清华大学出版社，2012.