1000噸試驗(yàn)機(jī)機(jī)架優(yōu)化設(shè)計(jì)分析計(jì)算
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試驗(yàn)機(jī)機(jī)架是試驗(yàn)機(jī)承載試驗(yàn)樣品的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，工程上有嚴(yán)格的剛強(qiáng)度要求。已設(shè)計(jì)的1000噸試驗(yàn)機(jī)要求在1000噸試驗(yàn)載荷下強(qiáng)度滿足的同時(shí)最大變形不能超過3mm。本文利用ANSYS有限元程序?qū)ζ溥M(jìn)行了靜態(tài)剛度和強(qiáng)度校核。另外，根據(jù)要求，在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)分析計(jì)算的基礎(chǔ)上，對(duì)某些結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到節(jié)約成本的目的。
2 試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)
試驗(yàn)機(jī)機(jī)架主要由底座、橫梁、立柱組成，底座和橫梁由4根立柱連接在一起。其中底座和橫梁箱體內(nèi)由加強(qiáng)筋作支撐。主橫梁和主底座厚度320mm，上箱體加強(qiáng)筋厚度110mm，下箱體加強(qiáng)筋厚度110mm，立柱直徑280mm。試驗(yàn)機(jī)立柱采用45#鋼，其余用A3鋼焊接。本文計(jì)算時(shí)采用線彈性材料模型，材料參數(shù)選取如下：
彈性模量：210GPa；
泊松比： 0.3；
3 有限元計(jì)算
本試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，理論和工程計(jì)算都無法對(duì)部件復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行有效分析，因此采用有限元分析的方法對(duì)試驗(yàn)機(jī)的剛度和強(qiáng)度進(jìn)行分析。
3.1 計(jì)算結(jié)構(gòu)模型
考慮到試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，建立整個(gè)結(jié)構(gòu)的1/4模型。立柱和橫梁、立柱底部螺母和底座的下底板都簡化為固接。同時(shí)底座上的一些小的螺栓孔及橫梁框架上的四個(gè)Φ200的孔忽略不計(jì)?？紤]到實(shí)際結(jié)構(gòu)中底座下底板不能和底座的加強(qiáng)筋焊接，故建模時(shí)下底板與加強(qiáng)筋留了3mm的空隙，即加強(qiáng)筋比實(shí)際尺寸小了3mm；同樣橫梁的加強(qiáng)筋與上蓋板也留了3mm的空隙。計(jì)算模型如圖1所示。
圖1 計(jì)算模型圖和網(wǎng)格劃分圖
由于采用均質(zhì)彈性材料，而且總體結(jié)構(gòu)對(duì)稱，因此在滿載荷試驗(yàn)狀態(tài)下，無論是拉伸試驗(yàn)還是壓縮試驗(yàn)，底座與橫梁的受力大小相等、方向相反。而且在拉伸試驗(yàn)中，立柱參與變形的長度要比壓縮試驗(yàn)的短，所以，拉伸試驗(yàn)中的垂直變形比壓縮試驗(yàn)的小，而應(yīng)力水平相當(dāng)。因此只要壓縮試驗(yàn)狀態(tài)下結(jié)構(gòu)滿足要求即可。
在滿載荷壓縮試驗(yàn)狀態(tài)下，底座受向下壓力104kN，橫梁受向上壓力104kN。試驗(yàn)過程中，橫梁“耳朵”處還受200噸的橫梁鎖緊力作用。
3.3 其他計(jì)算條件的設(shè)定
A．網(wǎng)格劃分
根據(jù)結(jié)構(gòu)形式，本文采用六面體和四面體兩種單元，為了保證有足夠的計(jì)算精度，在容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的地方進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)分[1] ，有限元網(wǎng)格劃分如圖1所示。
B．載荷條件的施加
施加載荷時(shí)，為避免應(yīng)力集中現(xiàn)象，把滿載荷壓縮試驗(yàn)狀態(tài)下的底座和橫梁所受104kN拉力或壓力轉(zhuǎn)換為節(jié)點(diǎn)分布力，施加在底座的圓面上?！岸洹碧幩艿牧喕?00mm×80mm的矩形面上。
C．約束條件
計(jì)算模型中，在立柱和下螺母底面施加垂直方向（Z向）約束，由于1/4對(duì)稱，在對(duì)稱面上施加對(duì)稱約束。
D．求解控制
求解類型為線性、靜態(tài)求解。
4 計(jì)算結(jié)果
4.1 原結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果
按照原結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行有限元分析，主要計(jì)算結(jié)果見表1：
表1原結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果 
評(píng)論