某助老藥箱關(guān)鍵零部件的有限元分析案例某助老藥箱關(guān)鍵零部件的有限元分析案例 11.1抓握倒藥模塊底座的靜力學(xué)分析 1 2 31.1.3設(shè)置邊界條件及求解結(jié)果 4 51.2開蓋模塊支架靜力學(xué)仿真分析 6有限元方法主要應(yīng)用在復(fù)雜工程計(jì)算問題上，屬于數(shù)值計(jì)算的一種很有用的方法發(fā)表了一篇專著,而這篇專著被視為有限元思想的起源35。1.1抓握倒藥模塊底座的靜力學(xué)分析靜力學(xué)分析是設(shè)計(jì)檢驗(yàn)的重要步驟之一，反映了抓握倒藥模塊底座的設(shè)計(jì)合理性，的強(qiáng)度與應(yīng)力值成反比，即Mise愈大，材料在加工過程中被破壞的概率就越大；最大位移U所用材料剛度的體現(xiàn)，它是結(jié)構(gòu)產(chǎn)生型變量的最直接的體現(xiàn)。輕量化設(shè)計(jì)已經(jīng)成為現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。在工2設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)和重量是否可以輕量化，輕量化設(shè)計(jì)的主要目的是通過降低產(chǎn)品的重量，從而提高產(chǎn)品的性能和降低產(chǎn)品的成本[40-43。本節(jié)通過仿真軟件ANSYS來對(duì)抓握倒藥模塊的底座進(jìn)行靜力學(xué)分析，主要考察其靜力學(xué)強(qiáng)度和剛度，從而為進(jìn)一步為輕量化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。使用ANSYS軟件里的Workbench界面進(jìn)行靜力學(xué)分析，需要經(jīng)過模型簡(jiǎn)化、預(yù)處理、設(shè)置材料屬性、劃分網(wǎng)格、設(shè)置邊界條件、分析及后處理等步驟。下面闡述對(duì)底座進(jìn)行強(qiáng)度分析的主要步驟。模型簡(jiǎn)化是進(jìn)行有限元分析的前提。一個(gè)復(fù)雜且包含所有細(xì)節(jié)的三維模型對(duì)于有限元分析而言不僅沒有必要，還可能會(huì)導(dǎo)致分析時(shí)間過長(zhǎng)甚至完全失敗。本文所設(shè)計(jì)的底座包含了諸多結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，這些細(xì)節(jié)對(duì)于機(jī)架的強(qiáng)度分析并非都是必要的。凡是不屬于機(jī)架的零部件都不應(yīng)該作為靜力學(xué)分析對(duì)象，所以，首先在三維建模軟件中可以除去軸承座、墊塊以及底座下方的彈性板等部分，然后另存為通用三維模型格式Parasolid文件，再導(dǎo)入到ANSYSWorkbench中的的DesignModeler模塊中，其結(jié)果如圖1.1所示。簡(jiǎn)化后的底座包含兩大部分，即上半部分的兩個(gè)支撐塊和下半部分的墊板。將簡(jiǎn)化好的模型導(dǎo)入并查看是否有需要修復(fù)的倒角和小孔等，這些結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)對(duì)于靜強(qiáng)度分析影響較小，但是這些細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)的存在將導(dǎo)致網(wǎng)格劃分后的節(jié)點(diǎn)數(shù)量急劇上升，從而導(dǎo)致有限元方程規(guī)模急劇增大，進(jìn)而有可能導(dǎo)致失敗。因此本文對(duì)這些結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)進(jìn)行簡(jiǎn)化。將最終得到的結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步組裝，形成一個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)正確的簡(jiǎn)化底座模型。ANSYSWorkbench中材料屬性的設(shè)置是在EngineeringData模塊中完成的。本文底座材料采用的是鋁合金2219-T62,屈服極限為280MPa。選好材料后，就需要給模型賦3予對(duì)應(yīng)的材料。在Model模塊下找到Geometry,在Material中可以賦予設(shè)置好的鋁合金材料，材料屬性如圖1.2所示。=可可耗時(shí)的一件工作。在ANSYSWORKBENCH中為構(gòu)件的連接設(shè)置了五種連接關(guān)系：bonded,noseperation,frictio其摩擦力和正壓力的不同。對(duì)于本底座而言，由于各個(gè)部分是由螺紋連接件結(jié)合而成，在進(jìn)行連接關(guān)系設(shè)置時(shí)，可以默認(rèn)地首先把各有限元模型與幾何模型的本質(zhì)不同在于：有限元模型是由多個(gè)單元通過節(jié)點(diǎn)而連接本文使用各種網(wǎng)格劃分方式所劃分得到的有限元模型如圖1.3所示。由統(tǒng)計(jì)可知，該有限元模型有1524279個(gè)節(jié)點(diǎn)，有931603個(gè)單元。4正確地設(shè)置邊界條件是進(jìn)行有限元分析的最為重要的步驟。不同的邊界條件對(duì)結(jié)果產(chǎn)生的影響尤為重大。根據(jù)以上對(duì)各零部件重量的估算，對(duì)各個(gè)部件所在的位置施加載荷；對(duì)底座的底面設(shè)置邊界條件，類型為fixedsupport。本文對(duì)底座進(jìn)行的是靜力學(xué)分析，因此采用系統(tǒng)默認(rèn)的分析設(shè)置，并采用自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng)。求解類型均由程序控制，并關(guān)閉大變形開關(guān)。在后處理界面可以看到底座的應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D，如下圖1.4所示，可以看到最大應(yīng)力發(fā)生在底座的左墊塊上，為33.202MPa,2219-T62鋁合金的屈服極限為280MPa,安全系數(shù)達(dá)到8.43,而底座的其它各部分應(yīng)力非常小，基本上不超過20MPa,表明強(qiáng)度足夠但是安全余量太高。從底座的位移云圖可以看到，最大形變發(fā)生在底座墊板的中間部位，最大形變值為0.018mm,屬于微小形變。綜上所述，底座總體剛度足夠，滿足設(shè)計(jì)要求。這意味著可以對(duì)底座主體做輕量化設(shè)計(jì)以減少材料的損耗，底座墊塊在滿足基本的尺寸設(shè)計(jì)要求的前提下，可優(yōu)化各尺度的尺寸以到達(dá)減少耗材進(jìn)而達(dá)到降低制造成本的目的。51.1.4底座結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化按照工程設(shè)計(jì)要求，結(jié)合助老藥箱的實(shí)際情況，安全系數(shù)s可以取1.0,所以，墊 優(yōu)化目標(biāo)70MPa,最大位移為0.055mm。因此底座墊塊的鋁材厚度定為5.5mm,而底板6開蓋模塊支架的主要作用是支撐包含動(dòng)力輸入絲杠的整個(gè)開蓋模塊，同時(shí)也是開蓋裝置的定位零件。因此對(duì)此支架進(jìn)行靜力學(xué)仿真是十分必要的，開蓋模塊支架結(jié)構(gòu)示意圖如圖1.9所示，支架固定在機(jī)架上，動(dòng)力輸入組件及滑座等開蓋裝置由支架支撐。在停機(jī)狀態(tài)下，開蓋模塊支架受到的負(fù)載來自于動(dòng)力輸入組件及滑座等開蓋裝置，支架板材厚度初步定為2mm,具體數(shù)值需要根據(jù)有限元仿真分析結(jié)果進(jìn)行更改。氣缸支架的材料選擇Q235A,為了得到合適的支架厚度，需對(duì)支架做靜力學(xué)仿真分析。由于支架跟與之接觸的墊片是面接觸，因而支架受到的是局部載荷。在完成模型的導(dǎo)入等步驟之后的操作如下：(1)在DesignModeler模塊中繪制草圖，草圖的尺寸和位置均為墊片的尺寸與位置。采用拉伸extrude功能，拉伸形式為imprintfaces,結(jié)果如圖1.10所示(綠色部分即為受7(2)劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸控制為1mm。邊界條件和載荷施加。由于開蓋模塊支架通過螺栓鏈接固定在機(jī)架支承板的兩側(cè)，因此邊界條件設(shè)置在開蓋模塊支架的左