基于ANSYS Workbench龍門架橫梁受力分析

，，，

(西華大學(xué) 機械工程學(xué)院，四川 成都 610039)

0 引言

圖1 某夾具制造工廠平面圖

某汽車工裝夾具設(shè)計制造廠平面布局如圖1所示，左側(cè)車間與右側(cè)車間由兩根立柱隔開。圖中的四邊形均為汽車工裝夾具，重量約0.5～3 t之間，左側(cè)車間設(shè)有行吊，設(shè)計制造的工裝夾具能夠在左側(cè)通過行吊輕便移動，但是右側(cè)車間卻沒有行吊，在夾具的生產(chǎn)搬運過程中十分麻煩，耗費大量人力物力，生產(chǎn)效率低。

為此，決定自主設(shè)計一臺可移動龍門架提升機。該移動龍門架主梁采用工字鋼型材，既能承重，又可作為電動葫蘆的橫向移動軌道。該龍門架主梁與立柱之間使用高強度螺栓連接，拆卸方便。且可移動龍門架在底部安裝有萬向輪，能夠在工廠平地上實現(xiàn)全方位移動，從而在很大程度上實現(xiàn)節(jié)約人力、物力、實現(xiàn)起重機械化，提升生產(chǎn)效率。

圖2 龍門架模型

采用材料力學(xué)公式與有限元軟件相結(jié)合的方法對移動龍門架橫梁進行了強度和剛度校核，計算結(jié)果表明設(shè)計符合要求。

使用UG建立的龍門架模型如圖2。

1 可移動龍門架橫梁受力分析

圖2所示為可移動龍門架提升機構(gòu)，橫梁上有一個移動的電葫蘆，其輪距為d，最大起重量為F=50 kN，橫梁由工字鋼制成。所選用工字鋼的材料性能與載荷情況如表1。

表1 材料特性

1.1 工字鋼橫梁型號選擇

電葫蘆吊具在橫梁內(nèi)左右移動，兩輪對橫梁的壓力相等，故兩輪除截面內(nèi)可能產(chǎn)生的最大彎矩的極大值相同，且位置相對將對稱于梁的跨度中點?，F(xiàn)假設(shè)電葫蘆左輪距離A支撐點xm時，左輪位置在B點，此時橫梁承受最大彎矩，由平衡方程。

∑MD=0

(1)

可得，左支座的支反力FA為：

(2)

左輪B處截面上的彎矩MB為：

MB=FAx

(3)

將(2)帶入(3)式中：

(4)

(5)

將(4)帶入(3)式中，電葫蘆對梁產(chǎn)生最大彎矩的極大值：

(6)

按正應(yīng)力強度條件，計算梁所需要的彎曲截面系數(shù)Wz′為：

(7)

計算得出Wz′=192×10-6m3，查工字鋼(GB 706-1988)選取工字鋼型號為20a，其抗彎截面系數(shù)為：

Wz=237×103mm3則梁內(nèi)最大正應(yīng)力為：

σmax<[σ]，選用20a型號工字鋼滿足許用應(yīng)力的要求。

1.2 工字鋼橫梁切應(yīng)力強度校核

對于橫力彎曲下的等直梁，其截面上一般來說既有正應(yīng)力，也有切應(yīng)力。安全起見，需要對梁進行切應(yīng)力校核。

(8)

由(2)式得：

由此可見，τmax<[τ]，20a工字鋼滿足切應(yīng)力強度條件。

1.3 工字鋼橫梁鋼度校核

由于實際運用當(dāng)中，梁的位移過大也會影響其正常工作，在起重過程中會導(dǎo)致橫梁振動劇烈，因此必須對其進行剛度校核。

由于梁上的兩個集中載荷的方向都是向下的，其撓曲線無拐點，故可按梁跨中截面的撓度為最大撓度計算，并由疊加原理可得：

(9)

其中：Fi橫梁所受集中載荷；bi集中力矩支點距離；E材料彈性模量；Iz工字鋼截面慣性矩；l跨距。最后計算得出：w=5.0 mm。

(10)

因w<[w]，故滿足剛度條件。

2 運用ANSYS Workbench校核

2.1 ANSYS Workbench簡介

ANSYS Workbench是基于有限元法工程仿真集成平臺，具有快捷的參數(shù)優(yōu)化工具、裝配體自動分析、網(wǎng)格自動劃分，是一款操作界面非常方便的一款軟件。ANSYS Workbench具有較高的集成功能，真正實現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計、仿真、優(yōu)化功能于一身，用戶可以實現(xiàn)在一個平臺上面完成產(chǎn)品研發(fā)過程中的所有工作，從而具有節(jié)約產(chǎn)品開發(fā)周期、加速產(chǎn)品上市時間，迅速占領(lǐng)市場的優(yōu)勢。

2.2 有限元模型的建立

對龍門架橫梁的有限元分析方法，使用ANSYS Workbench的梁單元，選用ANSYS Workbench中的Static Structural模塊：

1)定義材料屬性，選用結(jié)構(gòu)鋼Q235屈服強度235 MPa。設(shè)置材料的彈性模量210 GPa，泊松比0.274，在DM模塊建立三維模型。

2)建立龍門架橫梁有限元模型并對橫梁進行網(wǎng)格劃分。ANSYS Workbench有自動劃分網(wǎng)格功能，但是為了取得較好的結(jié)果，還是需要對網(wǎng)格手動修改，更改網(wǎng)格尺寸等，結(jié)果如圖3。

圖3 龍門架橫梁模型

圖4 龍門架橫梁約束與載荷實加圖

4)結(jié)果分析。圖5是橫梁受力后的位移量及分布情況,圖中橫梁兩端顏色為深藍(lán)色，表示位移兩最小為0，然后從兩端向中間逐漸變?yōu)榧t色，表示位移從小變大的分布。最大值5.224 mm，小于許用撓度5.8 mm。圖6中橫梁所受彎矩最大值發(fā)生在圖中橫梁中部紅色區(qū)域處，最大值為32597 N·m，越靠近兩端彎矩越小，最小值為2.2145e-8 N·m接近于0，圖7為橫梁受載后橫梁內(nèi)應(yīng)力分布情況，兩端為固定支架處剛性最強所受應(yīng)力最小，為5.6156e-19 MPa接近于0，顏色從兩端深藍(lán)漸變?yōu)樯罴t表示橫梁應(yīng)力的逐漸增大，最大值為135.11 MPa，小于橫梁許用應(yīng)力170 MPa，即橫梁中部為橫梁的危險截面，最容易發(fā)生斷裂。

圖5 龍門架橫梁位移圖(放大28倍數(shù)后)

圖6 龍門架橫梁內(nèi)彎矩圖(放大28倍數(shù)后)

圖7 龍門架橫梁應(yīng)力圖(放大28倍數(shù)后)

3 生產(chǎn)加工后現(xiàn)場測量

圖8 可移動龍門架現(xiàn)場實物圖

設(shè)計后，按所選規(guī)格工字鋼進行焊接制造，并投入使用超過半年，未發(fā)現(xiàn)任何問題。實物如圖8所示。

對其撓度進行測量，在電動葫蘆位于龍門架橫梁中心偏左一點，左輪離支架中心1.375 m處，緩慢起吊一個重5 t的帶轉(zhuǎn)臺夾具，整個起吊過程緩慢、平穩(wěn)，振動較小，待龍門架提升機構(gòu)穩(wěn)定后，用一個水平滑槽置于龍門架橫梁下方，滑槽上安裝一個千分表，用千分表測出龍門架橫梁最大位移量，反復(fù)測量5次，計算平均值為5.132 mm。通過對工況的實際分析，計算得出可移動龍門架橫梁的型材規(guī)格選型，校核了橫梁的切應(yīng)力強度條件、剛度條件，并運用ANSYS Workbench對橫梁進行模擬仿真，對現(xiàn)場生產(chǎn)實物進行測量，得出結(jié)果如表2。

表2 橫梁受力結(jié)果對比

4 結(jié)束語

綜合以上各種數(shù)據(jù)計算結(jié)果，得到的結(jié)論如下：

1)所選用材料型號滿足具體使用要求，龍門架橫梁的強度、剛度、切應(yīng)力滿足設(shè)計要求。

2)由表2可以看出，ANSYS Workbench有限元分析結(jié)果與測量、力學(xué)計算的強度、剛度等誤差率較小，因此，有限元分析方法可以為其他梁類以及類似結(jié)構(gòu)的設(shè)計與分析提供參考。

[1] 趙雄夫.龍門架交通標(biāo)志桿的優(yōu)化設(shè)計與研究[D].合肥：安徽建筑大學(xué)，2016.

[2] 劉光利，李慶華.基于SolidWorks龍門橫梁的有限元分析及優(yōu)化[J].長春大學(xué)學(xué)報，2012，22(8)：915-917.

[3] 查太東，楊萍.基于Ansys Workbench的固定支架優(yōu)化設(shè)計[J].煤礦機械，2012，33(2) ：28-30.

[4] 陳正，李紅勛，高朝旺，等.基于AnsysWorkbench某運輸車車架的有限元分析[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2012，50(12)：44-47.

[5] 賈龍，劉健，馮曉虎.基于Ansys Workbench的上料手龍門架的分析[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2016，45(12)：49-54.

[6] 楊瑩.張專元.基于ANSYS Workbench的貨車車架有限元分析[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2013，51(12)：12-15.