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电子式万能试验机主机结构有限元分析

发布时间:2019-4-1 | 点击:0

了解试验机的朋友都知道,试验机是检测金属和非金属物理性能的主要设备之一,主要用来进行金属和非金属材料的拉伸、压缩、弯曲和剪切试验,从而得出材料的力学性能指标。主机是试验机工作的执行元件,是直接影响试验机工作能力的关键组成部分,既要满足使用要求,又要降低设备的重量,节省成本。所以,非常有必要对试验机的主机进行有限元分析,并在此基础上进行优化设计。下面以广州澳金生产的“广工”牌WDW-20KN微机控制电子式万能试验机主机为例,利用ANSYS软件进行静力及瞬时动态有限元分析。

1 主机结构有限元分析结果

1.1 静力学分析

静力学分析结果云图如图6所示,由分析结果可见,中横梁和工作台两个位置的Z方向变形量最大约为0.15mm,该变形量对于试验机的拉伸试验精度影响较大,将会带来大约0.3mm的误差;丝杠处X方向的变形量最大,会形成S型的变形,虽然数值不大,但增加了丝杠螺母副传动的阻力;由于对称性,试验机的Y方向变形量较小,不影响试验的精度。弹性应变最大值处于支持丝杠的下圆锥滚子轴承与工作台的接触处,应变量很小,可以满足设计要求。应力最大处位于工作台和中横梁,最大值为92.72MPa,两个零件的材料为Q235A,没有达到材料的屈服应力,且安全系数较大。

通过静力学分析,发现影响试验精度的最大变形处出现在中横梁与工作台处,且与这二者相连零件Z方向变形量不大于7.5e—3mm,可见,是选用的材料影响了其Z方向的变形。虽然中横梁与工作台的材料满足许用应力要求,但未保证Z方向的扰度不影响结果,对两者的材料进行热处理,提高其抗弯强度或换用强度更高的材料。最大应力出现在载荷施加面与上下表面的相交之处,即放置试验夹具的位置,面积较小。对该位置进行圆角处理,减少应力集中,可以将应力减少到78MPa,但对于零件加工和试验夹具的安装提出了更高的要求。

1.2 瞬态动力学分析

传统的桌式或落地式试验机在拉伸试验试样(尤其是金属试样)断裂瞬间,试验机主机对地面产生轻微的震动。进行瞬时动力学分析时,主要研究载荷突然消失时主机对地面的振幅变化情况。由于拉伸试样断裂瞬时载荷突然消失,采用三个分析步进行计算,每个分析步的载荷不同。

第一个分析步进行稳态计算,在1s内逐渐施加载荷,系统达到平衡;在1.0s处载荷由5kN突然减低为0N,为第二个分析步骤载荷情况;第三个分析步载荷一直为0N,用于观察主机的动态变形情况。

瞬态动力学分析主要零件震动变形曲线见图7。图7显示的为工作台中点处Z方向的震动变形。分析一步结束后中横梁和工作台都处于平衡状态的最大变形,当载荷突然消失时,变形量立即减小,随后围绕平衡位置上下做有阻尼震动,振幅逐渐减小。两者的波动情况相互对称。主机对地面X方向的力很大,初始值为5243N且随着载荷消失而锐减,其后不断上下波动,但始终小于初始值;初始Z方向的力较小,其后产生波动最大变化量为1834.72N;由于对称性,Y方向的力相互抵消。

2 主机有限元分析

2.1 网格单元选取与材料特性

从主机零部件三维尺寸考虑,在有限元分析计算中,这些零部件选用实体单元solid45.该单元为8节点六面体单元,每个节点有3个平动自由度,对各种实体复杂界面有较好的逼近。由于所有接触都是面接触,选取CONTA174与TARCE170接触副单元处理这类面接触问题。

根据力传递路线确定参与结构分析的零部件。将不关心的结构在不影响计算精度的前提下进行剔除,保留了23个主要零部件并分别采用不同的金属材料。主机整体仿真外观如图2所示。

2.2 网络划分

采用人工划分与自动划分相结合方法对主机结构进行单元网格划分。由于试验机具有双向对称性,仅对其四分之一的模型进行有限元分析,并施加对称约束,将载荷减少为相应大小的四分之一。共划分41,449个节点,18,042个单元。单元网格划分后如图3所示。

2.3 接触副

机械产品零部件之间往往是通过紧固螺栓、轴承等接触方式相互连接,属于接触问题。由于接触力随相互接触零部件的变形程度而变化,而变形又由结构位移决定,所以通过力求位移的有限元分析不再是一般的线性问题,而是需要反复迭代计算的接触非线性的问题。本项目的主机结构共取17个连接副,如图4所示。

3.4 加载与约束

(1)约束

主机采用门式结构,故须约束左右支脚底面节点的位移

(2)载荷的施加

电子万能试验机主要进行拉力试验,利用有限元分析软件ANSYS对主机结构进行静力学有限元分析时,将试验力通过面载荷来加载到中横梁和工作台上。由于仅取了主机结构的四分之一做研究,故载荷的大小也减少为额定载荷的1/4。

3 主机受力框架结构

电子万能试验机主机一般采用门式框架结构(如图1所示),主要由上横梁、中横梁、工作台、丝杠、螺母副、主机立柱、导向块、立柱、压盘、传感器、电机、同步齿形带、带轮、轴承等组成。

工作原理:电机经同步齿形带和行星轮减速系统减速后,拖动滚珠丝杠副旋转,从而带动中横梁上下移动,完成试验。

4 结论

对于传统的桌式或落地式试验机,在拉伸试验突然卸载时,试验机对地面的震动,应该考虑是由于工作台变形震动对于底座的冲击产生的,而不是Z方向的力突变的原因。故减轻震动的方式和精力

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