機(jī)械設(shè)計(jì)制造專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)--上料架總成靜態(tài)特性有限元分析

1、<p>　　本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</p><p>　　學(xué)院（系）： 機(jī)電工程系 </p><p>　　專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化</p><p>　　上料架總成靜態(tài)特性有限元分析</p><p>　　[摘 要]：采用有限元分析方法，研究了上料架總成的結(jié)構(gòu)和工作情況，建立了上料架總成的有限元模型，

2、運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)上料架總成進(jìn)行靜態(tài)分析，求出了上料架在載荷作用下產(chǎn)生的應(yīng)力和變形。根據(jù)計(jì)算結(jié)果提出了上料架的結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施，并對(duì)改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，分析結(jié)果表明，改進(jìn)后的上料架結(jié)構(gòu)即節(jié)約材料又安全可靠，材料節(jié)約率為17%。</p><p>　　[關(guān)鍵詞]：上料機(jī)總成；有限單元法；靜態(tài)特性；變形；應(yīng)力</p><p>　　Finite Element Analysis for Stat

3、ic Characteristics of the Feeder Assembly </p><p>　　Design、manufacture and automation of machinery Major XING Bao-ying</p><p>　　Abstract：Using the finite element method to study the structure a

4、nd the work situation of the feeder assembly，establishing the finite element mode of the feeder assembly，using ANSYS software to analyze the feeder assembly for a static analysis，and to calculate the stress and the displ

5、acement of the feeder assembly under load 。According to the calculations to put forward the improved structure of the feeder assembly ，then making a analysis for the improved structure，the analysis shows that the im</

6、p><p>　　Key words：the feeder assembly; finite element method; static characteristics; displacement; stress</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　1.前言…………………………………………………………………………… 1

7、</p><p>　　1.1 研究的目的和意義……………………………………………………… 1</p><p>　　1.2 目前國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀…………………………………………………… 1</p><p>　　1.3 簡(jiǎn)述論文的研究思路和主要內(nèi)容………………………………………2</p><p>　　2. 有限元簡(jiǎn)介…………………………………………

8、…………………………2</p><p>　　2.1 有限元簡(jiǎn)介……………………………………………………………… 2</p><p>　　2.2 靜態(tài)分析理論…………………………………………………………… 3</p><p>　　3. 有限元分析程序ANSYS概況…………………………………………………3</p><p>　　4. 上料架總成靜態(tài)

9、特性有限元分析過程………………………………………4</p><p>　　4.1 產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和工作情況介紹…………………………………………… 4</p><p>　　4.2 設(shè)置解題類型…………………………………………………………… 5</p><p>　　4.3 選擇單元類型…………………………………………………………… 5</p><p>

10、　　4.4 添加實(shí)常數(shù)……………………………………………………………… 5</p><p>　　4.5 添加材料屬性…………………………………………………………… 6</p><p>　　4.6 建模………………………………………………………………………6</p><p>　　4.6.1 創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)…………………………………………………………… 6</p>

11、;<p>　　4.6.2 創(chuàng)建單元并定義網(wǎng)格化屬性……………………………………… 8</p><p>　　4.6.3 生成單元……………………………………………………………11</p><p>　　4.6.4 檢查模型……………………………………………………………11</p><p>　　4.6.5 耦合和加約束……………………………………………………

12、…12</p><p>　　4.6.5.1 耦合……………………………………………………………12</p><p>　　4.6.5.2 加約束…………………………………………………………13</p><p>　　4.7 施加載荷…………………………………………………………………14</p><p>　　4.7.1 計(jì)算載荷…………………………

13、…………………………………14</p><p>　　4.7.1.1 分析上料架總成的受力………………………………………14</p><p>　　4.7.1.2 計(jì)算工作載荷…………………………………………………14</p><p>　　4.7.2 施加載荷……………………………………………………………17 </p><p>　　4.7.2.1

14、 施加重力載荷…………………………………………………17</p><p>　　4.7.2.2 整理和施加工作載荷…………………………………………17</p><p>　　4.8 結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析……………………………………………………………18</p><p>　　4.8.1 計(jì)算靜態(tài)解…………………………………………………………18</p><p&

15、gt;　　4.8.1.1 設(shè)定分析類型…………………………………………………18</p><p>　　4.8.1.2 設(shè)置分析選項(xiàng)…………………………………………………18</p><p>　　4.8.1.3 計(jì)算靜態(tài)解……………………………………………………18</p><p>　　4.8.2 后處理………………………………………………………………18</p

16、><p>　　4.8.2.1 觀察模型所受應(yīng)力……………………………………………19</p><p>　　4.8.2.2 觀察模型受力變形位移………………………………………19</p><p>　　4.8.2.3 用單元截面上的應(yīng)力評(píng)價(jià)鋼架結(jié)構(gòu)…………………………20</p><p>　　4.8.2.4 數(shù)據(jù)處理……………………………………………

17、…………20</p><p>　　4.9 結(jié)果分析…………………………………………………………………22</p><p>　　4.10 優(yōu)化方案……………………………………………………………… 22</p><p>　　4.11 優(yōu)化后結(jié)果分析……………………………………………………… 23</p><p>　　5. 結(jié)論…………………………

18、……………………………………………… 23</p><p>　　5.1 結(jié)論………………………………………………………………………24</p><p>　　5.2 工作展望…………………………………………………………………25</p><p>　　6. 參考文獻(xiàn)…………………………………………………………………… 25</p><p>　　7

19、. 致謝………………………………………………………………………… 26 </p><p><b>　　1 前言</b></p><p>　　1.1 研究的目的和意義</p><p>　　上料架總成是修筑高速公路時(shí)的穩(wěn)定土送料設(shè)備，用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)的合理性有待研究。為避免發(fā)生材料浪費(fèi)等現(xiàn)象，降低生產(chǎn)成本，本題目采用有限單元法，根據(jù)上料架

20、總成的工作情況及機(jī)架的結(jié)構(gòu)，建立了上料架總成的三維計(jì)算模型，運(yùn)用ANSYS軟件，對(duì)上料架總成進(jìn)行靜態(tài)特性分析，根據(jù)分析結(jié)果提出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)方案，為優(yōu)化上料架結(jié)構(gòu)和改善上料架的靜態(tài)特性提供理論依據(jù)。</p><p>　　1.2 目前國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　國(guó)外輸送機(jī)技術(shù)的發(fā)展較快，主要表現(xiàn)在2個(gè)方面：一方面是帶式輸送機(jī)的功能多元化、應(yīng)用范圍擴(kuò)大化，如高傾角帶輸送機(jī)、空間轉(zhuǎn)彎帶式輸

21、送機(jī)等各種機(jī)型；另一方面是帶式輸送機(jī)本身的技術(shù)與裝備有了很大的發(fā)展，尤其是長(zhǎng)距離、大運(yùn)量、高帶速等大型帶式輸送機(jī)已成為發(fā)展的主要方向，其核心技術(shù)是開發(fā)應(yīng)用于了帶式輸送機(jī)動(dòng)態(tài)分析與監(jiān)控技術(shù)，提高了帶式輸送機(jī)的運(yùn)行性能和可靠性。其關(guān)鍵技術(shù)與裝備有以下幾個(gè)方面： （1）設(shè)備大型化。其主要技術(shù)參數(shù)與裝備均向著大型化發(fā)展，以滿足年產(chǎn)300～500萬噸以上高產(chǎn)高效集約化生產(chǎn)的需要。 （2）應(yīng)用動(dòng)態(tài)分析技術(shù)和機(jī)電一體化、計(jì)算機(jī)監(jiān)控等高新技

22、術(shù)，采用大功率軟起動(dòng)與自動(dòng)張緊技術(shù)，對(duì)一方面是帶式輸送機(jī)的功能多元化、應(yīng)用范圍輸送機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與監(jiān)控，大大地降低了輸送帶的動(dòng)張力，設(shè)備運(yùn)行性能好，運(yùn)輸效率高。 (3)采用多機(jī)驅(qū)動(dòng)與中間驅(qū)動(dòng)及其功率平衡、輸送機(jī)變向運(yùn)行等技術(shù)，使輸送機(jī)單機(jī)運(yùn)行長(zhǎng)度在理論上已有受限制，并確保了輸送系統(tǒng)設(shè)備的通用性、互換性及其單元驅(qū)動(dòng)的可靠性。 (4)新型、高可靠性關(guān)鍵元部件技術(shù)。如包含CST等在內(nèi)的各種先進(jìn)的大功率驅(qū)動(dòng)裝置與調(diào)速裝置、高壽<

23、;/p><p>　　我國(guó)生產(chǎn)制造的輸送機(jī)的品種、類型較多。通過國(guó)家一條龍“日產(chǎn)萬噸綜采設(shè)備”項(xiàng)目的實(shí)施，帶式輸送機(jī)的技術(shù)水平有了很大提高，煤礦井下用大功率、長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)研究和新產(chǎn)呂開發(fā)都取得了很大的進(jìn)步。如大傾角長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)成套設(shè)備、高產(chǎn)高效工作面順槽可伸縮帶式輸送機(jī)等均填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，并對(duì)帶式輸送機(jī)的減低關(guān)鍵技術(shù)及其主要元部件進(jìn)行了理論研究和產(chǎn)品開發(fā)，研制成功了多種軟起動(dòng)和制動(dòng)裝置以及以PLC為核

24、心的可編程電控裝置，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用調(diào)速型液力偶合器和行星齒輪減速器。</p><p>　　1.3 簡(jiǎn)述論文的研究思路和主要內(nèi)容</p><p>　　本課題研究的主要內(nèi)容：</p><p>　　以上料架總成整體結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，建立整體結(jié)構(gòu)的有限元靜態(tài)模型，對(duì)上料架總成進(jìn)行靜態(tài)分析，求出上料架總成工作時(shí)因受力而產(chǎn)生的變形和應(yīng)力，為優(yōu)化上料架總成結(jié)構(gòu)和改善上料架總成的靜態(tài)特

25、性提供理論依據(jù)。</p><p><b>　　研究思路：</b></p><p>　?。?）熟悉上料架總成的工況條件、結(jié)構(gòu)、所用材料等；</p><p>　?。?）建立上料架總成的三維有限元模型；</p><p>　?。?）應(yīng)用大型有限元分析軟件ANSYS對(duì)機(jī)架進(jìn)行靜態(tài)分析，求出上料架工作時(shí)因受力而產(chǎn)生的變形和應(yīng)力；&l

26、t;/p><p>　?。?）根據(jù)計(jì)算結(jié)果提出了上料架的結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施，并對(duì)改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，分析結(jié)果表明，改進(jìn)后的上料架結(jié)構(gòu)即節(jié)約材料又安全可靠。為優(yōu)化上料架總成結(jié)構(gòu)和改善上料架總成的靜態(tài)特性提供理論依據(jù)。</p><p><b>　　2． 有限元簡(jiǎn)介</b></p><p><b>　　2.1 有限元簡(jiǎn)介</b></

27、p><p>　　有限元法基本思想的提出是在1943年Courant嘗試應(yīng)用定義在三角形區(qū)域上的分片連續(xù)函數(shù)和最小勢(shì)能原理相結(jié)合，來求解St.Venant扭轉(zhuǎn)問題。但是真正應(yīng)用于工程中則是隨電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用和發(fā)展。有限元法是隨著電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種現(xiàn)代計(jì)算方法。它是20世紀(jì)50年代首先在連續(xù)體力學(xué)領(lǐng)域——飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)態(tài)特性分析中應(yīng)用的一種有效的數(shù)值分析方法，隨后很快就廣泛地應(yīng)用于求解熱傳導(dǎo)、電磁場(chǎng)

28、、流體力學(xué)等連續(xù)性問題。1960年，美國(guó)的可拉夫，在一篇題為“平面應(yīng)力分析的有限元法”論文中第一次提出“有限元法”這一名稱。  有限元法從選擇基本未知量的角度來看，可分為3類：位移法、力法和混合法。由于位移法通用性較強(qiáng)，計(jì)算機(jī)程序處理簡(jiǎn)單、方便，因此得到廣泛的應(yīng)用。    有限元位移法的基本思想，首先是對(duì)求解的彈性區(qū)域進(jìn)行離散化，即把具有無限多個(gè)自由度的連續(xù)體，化為有限多個(gè)自由度的結(jié)構(gòu)

29、體。其次是選擇一個(gè)表示單元內(nèi)任意點(diǎn)的位移隨位置變化的函數(shù)式，并按照插值理論，將單元內(nèi)任一點(diǎn)的位移通過一定的函數(shù)關(guān)系用節(jié)點(diǎn)位移來表示。這種假設(shè)的試函數(shù)成為位移函數(shù)，在一般情況下，它應(yīng)滿足單元間位移的</p><p>　　2.2 靜態(tài)分析理論</p><p>　　靜態(tài)分析用來計(jì)算結(jié)構(gòu)在固定不變荷載作用下的響應(yīng)，如反力、位移、應(yīng)變、應(yīng)力等，也就是探討結(jié)構(gòu)受到外力后變形、應(yīng)力、應(yīng)變的大小。所謂固定

30、不變的荷載作用，指結(jié)構(gòu)受到的外力大小、方向均不隨時(shí)間變化。與固定不變的荷載對(duì)應(yīng)，結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析中結(jié)構(gòu)的響應(yīng)也是固定不變的。靜態(tài)分析中固定不變的荷載和響應(yīng)是一種假定，即假定荷載和結(jié)構(gòu)的響應(yīng)隨時(shí)間的變化非常緩慢。一般來講，靜態(tài)分析所施加的荷載包括外部施加的作用力和壓力、穩(wěn)態(tài)的慣性力（如重力和離心力等）、位移荷載（如支座位移等）、溫度荷載等。</p><p>　　在各種結(jié)構(gòu)分析類型中，靜態(tài)分析是最簡(jiǎn)單的形式。靜態(tài)分析主要

31、從靜力學(xué)（靜力平衡條件）、幾何學(xué)（位移協(xié)調(diào)條件）、物理學(xué)（胡克定理）三方面對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，對(duì)應(yīng)的力學(xué)知識(shí)主要為材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、彈性力學(xué)等。</p><p>　　靜態(tài)分析主要包括以下3步驟：</p><p><b>　　(1)建立模型；</b></p><p>　　(2)施加荷載并求解；</p><p>　　(3)提取

32、并評(píng)價(jià)和分析結(jié)果。</p><p>　　3. 有限元分析程序ANSYS概況</p><p>　　ANASYS軟件是集結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國(guó)ANASYS開發(fā)，可廣泛用于航空航天、土木工程、機(jī)械制造、車輛工程、生物醫(yī)學(xué)、核工業(yè)、電子、造船、能源、地礦、水利、輕工等一般工業(yè)及科學(xué)研究。該軟件可在大多數(shù)計(jì)算機(jī)及操作

33、系統(tǒng)中運(yùn)行，從PC 機(jī)到工作站直至巨型計(jì)算機(jī)，ANASYS文件在其所有的產(chǎn)品系列工作平臺(tái)上均兼容它能與</p><p>　　多數(shù)CAD軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如ALGOR,I-DEAS,Pro/Engineer,AutoCAD等，是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級(jí)CAD工具之一。</p><p>　　1970年，John Swanson博士洞察到計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算具有廣泛的市場(chǎng)前景，于

34、是創(chuàng)建了位于美國(guó)賓夕法尼亞州的匹茲堡的ANASYS公司。30多年來，ANASYS公司致力于設(shè)計(jì)分析軟件的開發(fā)，不斷吸取新的計(jì)算方法和計(jì)算技術(shù)，領(lǐng)導(dǎo)著世界有限元技術(shù)的發(fā)展，并為全球工業(yè)廣泛接受，有50000多個(gè)用戶，遍及全世界。ANASYS的第一個(gè)版本與現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于微機(jī)上的版本相比已有了很大的區(qū)別，它僅提供了熱分析及線性結(jié)構(gòu)分析功能，只是一個(gè)批處理程序，且只能在大型計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。在20世紀(jì)70年代初期，ANASYS程序中加入了許多新的技

35、術(shù)，非線性、子結(jié)構(gòu)以及更多的單元類型被加入了程序，從而使程序具有更強(qiáng)的通用性。20世紀(jì)70年代后期，交互方式的加入是改程序最為顯著的變化，它大大地簡(jiǎn)化了模型生產(chǎn)和結(jié)果評(píng)價(jià)（前處理和后處理）。在進(jìn)行分析之前，可用交互式圖形來驗(yàn)證模型的幾何形狀、材料及邊界條件；在分析完成后立即可用交互式圖形來分析檢驗(yàn)計(jì)算結(jié)果。</p><p>　　ANASYS軟件主要包括3個(gè)部分：前處理模塊、分析計(jì)算模塊和后處理模塊。</p&

36、gt;<p><b>　　前處理模塊</b></p><p>　　前處理模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型。</p><p><b>　　分析計(jì)算模塊</b></p><p>　　分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁

37、場(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析以及多物理場(chǎng)的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力。</p><p><b>　　(3) 后處理模塊</b></p><p>　　后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出

38、。</p><p>　　4. 上料架總成靜態(tài)特性有限元分析過程</p><p>　　4.1 產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和工作情況介紹</p><p>　　上料架總成屬于鋼架結(jié)構(gòu)，主要由槽鋼、角鋼、鋼板及鋼板折彎后焊接而成，材料均為Q235A，機(jī)架總長(zhǎng)21.091m 、總寬0.8542m 、總高2.04398m 。機(jī)架由三段組成：底架后段、底架前段和斜機(jī)架，底架后段和底架前段之間用螺

39、栓和墊圈連接，底架前段和斜機(jī)架之間通過圓柱銷連接。底架后段、底架前段平行于地面水平放置，斜機(jī)架與地面成18°夾角傾斜放置。機(jī)架上裝有電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)、鏈條、張緊機(jī)構(gòu)、被動(dòng)滾筒、托輥、輸送帶和刮料器等。</p><p>　　工作時(shí)電動(dòng)機(jī)和減速機(jī)通過鏈傳動(dòng)帶動(dòng)主動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，主動(dòng)滾筒通過放置在托輥上的輸送帶帶動(dòng)被動(dòng)滾筒一起轉(zhuǎn)動(dòng)，物料就放置在輸送帶上，通過輸送帶的傳動(dòng)，可以將物料運(yùn)走。</p>&l

40、t;p>　　該成品輸送系統(tǒng)輸送量為170噸/小時(shí)，電機(jī)功率5.5KW，輸送帶速度1.25m/s 。</p><p>　　4.2 設(shè)置解題類型</p><p>　　在Preference下,選擇Structural選項(xiàng)，完成解題類型設(shè)置。</p><p>　　4.3 選擇單元類型</p><p>　　在前處理模塊下，選擇beam, 3De

41、lastic(三維彈性梁?jiǎn)卧?選項(xiàng)，完成單元類型添加操作。</p><p>　　BEAM4單元有三個(gè)節(jié)點(diǎn)（I，J，K）組成，其中K節(jié)點(diǎn)為參考節(jié)點(diǎn)，用于確定單元坐標(biāo)系。圖1所示為BEAM4的單元坐標(biāo)系，其中TKZ為Z方向梁厚度、TKY為Y方向梁厚度、IZZ為Z軸慣性矩、IYY為Y軸慣性矩。</p><p>　　定義單元時(shí)，如果不定義K節(jié)點(diǎn)，單元坐標(biāo)軸Y與空間坐標(biāo)系Y坐標(biāo)軸方向相同。本文模型中

42、所有單元都定義了K節(jié)點(diǎn)，I節(jié)點(diǎn)到J節(jié)點(diǎn)為單元坐標(biāo)系的X軸，Y軸在節(jié)點(diǎn)I，J和K構(gòu)成的平面上且與X軸垂直，應(yīng)用右手定則可以得到Z軸。</p><p>　　圖1 BEAM4單元坐標(biāo)系</p><p>　　4.4 添加實(shí)常數(shù) </p><p>　　添加實(shí)常數(shù)即為添加各種材料的截面屬性。表1為模型中所用梁的實(shí)常數(shù)，將數(shù)據(jù)輸入到ANSYS Command Prompt 窗口，

43、按Enter鍵，執(zhí)行實(shí)常數(shù)添加命令。 </p><p><b>　　表1 實(shí)常數(shù)</b></p><p>　　表1中R為實(shí)常數(shù)序號(hào)、Area為型鋼截面面積、TKZ為Z方向梁厚度、TKY為Y方向梁厚度、IZZ為對(duì)Z軸慣性矩、IYY為對(duì)Y軸慣性矩、ADDMAS為梁的線質(zhì)量。</p><p>　　表1中的實(shí)常數(shù)由《材料力學(xué)》可查到。</p>

44、;<p>　　4.5 添加材料屬性</p><p>　　總體機(jī)架所用的材料為普通碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235A，根據(jù)機(jī)械手冊(cè)查得彈性模量E=2.0E+11Pa，泊松比0.26。把彈性模量為2.0E+11Pa，泊松比為0.26輸入，來完成材料屬性設(shè)置。</p><p><b>　　4.6 建模</b></p><p>　　4.6.1 創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)

45、</p><p>　　通過n命令創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)，共創(chuàng)建212個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)如表2所示。復(fù)制Excel表中的數(shù)據(jù)，粘貼到ANSYS Command Prompt窗口，按Enter鍵即可執(zhí)行節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建命令。創(chuàng)建的節(jié)點(diǎn)如圖2所示。</p><p><b>　　表2 部分節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)</b></p><p><b>　　圖2 節(jié)點(diǎn)顯示</b>

46、;</p><p>　　4.6.2 創(chuàng)建單元并定義網(wǎng)格化屬性</p><p>　　通過e命令創(chuàng)建單元,共創(chuàng)建245個(gè)單元,并定義了網(wǎng)格化屬性,創(chuàng)建的部分單元如表3所示。</p><p>　　表3 部分結(jié)構(gòu)單元表</p><p>　　4.6.3 生成單元</p><p>　　將表3中的數(shù)據(jù)輸入ANSYS Command

47、Prompt窗口，按Enter執(zhí)行命令，即可創(chuàng)建單元，單擊Plot菜單中的Element命令，單擊PlotCtrol菜單中的Pan Zoom Rotate命令，用ISO視圖顯示單元模型圖，如圖3所示。</p><p><b>　　圖3 單元顯示</b></p><p>　　4.6.4 檢查模型</p><p>　　為了更清晰地顯示各種實(shí)常數(shù)材料

48、，在PlotCtrles、Style、Size and Shape菜單下、選中[\ESHAPE]右面的ON復(fù)選框。此時(shí)顯示的模型如圖4所示。依次檢查各個(gè)截面形狀和單元坐標(biāo)系是否正確。 </p><p>　　圖4 顯示實(shí)常數(shù)的模型</p><p>　　4.6.5 耦合和加約束</p><p>　　4.6.5.1 耦合</p><p>　　兩支架

49、與支座之間，斜機(jī)架總成兩邊的大梁與支架之間和底架前段與斜機(jī)架總成之間由于使用圓柱銷連接（間隙配合），故對(duì)相連的節(jié)點(diǎn)自由度進(jìn)行耦合，使它們的UX=UY=UZ=RY=RZ，留下RX自由活動(dòng)。表4中的數(shù)據(jù)輸入ANSYS Command Prompt窗口執(zhí)行命令，即可耦合所要耦合的點(diǎn)。</p><p><b>　　表4</b></p><p>　　4.6.5.2 加約束<

50、;/p><p>　　根據(jù)上料架總成工作時(shí)的實(shí)際情況，對(duì)其相應(yīng)節(jié)點(diǎn)施加約束。由于底架后段、底架前段的支腿和斜機(jī)架總成的支座平放在地面上，故約束其下部與地面接觸的節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)為108，110，112，114，116，118，120，122，124，126，128，130，201，202，203，204。</p><p>　　圖5 施加耦合和約束后的模型</p><p><

51、;b>　　4.7 施加載荷</b></p><p>　　4.7.1 計(jì)算載荷</p><p>　　4.7.1.1 分析上料架總成的受力</p><p>　　上料架總成的最大輸送量是170噸/時(shí)，電機(jī)功率是5.5Kw,輸送帶帶速是1.25米/秒，托輥直徑是φ273mm，鏈輪直徑是φ233.17mm，托輥轉(zhuǎn)速是n 轉(zhuǎn)/秒，物料密度是1600千克/立方米

52、。架子承受的力包括物料重、皮帶重、托輥總重、電機(jī)重、電機(jī)支架重、被動(dòng)滾筒和張緊機(jī)構(gòu)的重力。</p><p>　　4.7.1.2 計(jì)算工作載荷</p><p>　　上料架總成的總長(zhǎng)L=L1+L2=8.6 + 7.2 + 0.15 + 0.45 + 4.98 =21.382（米）</p><p>　　其中L1為底架后段和底架前段長(zhǎng)，L2為斜機(jī)架總成長(zhǎng)度。</p&g

53、t;<p><b>　　（1） 計(jì)算土重</b></p><p>　　T(時(shí)間) = L÷1.25= 21.382÷1.25 = 17.1（秒） = 0.00475（時(shí)）</p><p>　　S(輸送量)= T×170 = 0.00475×170 = 0.8075（噸）= 7913.5（牛頓）</p>

54、<p><b>　?。?） 計(jì)算皮帶重</b></p><p>　　皮帶重= 419.24÷2 =209.62（千克）= 2054.276（牛頓）</p><p>　　（3） 計(jì)算托輥總重</p><p>　　托輥總重= 124 + 139.5 + 77.5= 341（千克）= 3341.8（牛頓）</p>

55、<p>　　分析結(jié)構(gòu)可知，將所受總力F總分成3份</p><p>　　F總 =（土重+皮帶重+托輥總重）÷3 =13309.576÷3 =4436.525（牛頓）</p><p><b>　　圖6 托輥受力分析</b></p><p>　　n1點(diǎn)數(shù)=n2點(diǎn)數(shù) =22個(gè)，F(xiàn)=4436.525÷22= 201

56、.66（牛頓）, F÷2 = 2218.26÷22= 100.83（牛頓）.分配載荷：節(jié)點(diǎn)5、6、9、10、13、14、17、18、21、22、25、26、29、30、33、34、37、38、41、42、45、46、49、50、53、54、57、58、61、62、65、66、69、70、77、78、81、82、85、86、89、90、93、94承受力為F，方向均為Z軸負(fù)方向;節(jié)點(diǎn)151、152、153、154、156

57、、157、158、159、160、161、162、163、164、165、166、167、168、169、170、171、172、173、174、175、176、177、178、179、180、181、182、183、184、185、186、187、188、189、190、191、192、193、194承受力為F/2，方向均為Z軸負(fù)方向。</p><p>　　其中 ： n1 、n2為托輥中間節(jié)點(diǎn)，F(xiàn)為各個(gè)位置所受

58、的力。</p><p>　?。?） 計(jì)算電機(jī)重和電機(jī)支架重</p><p>　　電機(jī)重和電機(jī)支架重= 175 +45.66= 220.66（千克）= 2162.468（牛頓）</p><p>　　將所求的電機(jī)重和電機(jī)支架重分配到節(jié)點(diǎn)145、146、147、148上，每個(gè)節(jié)點(diǎn)受力為2162.468/4 =540.617（牛頓），方向均為Z軸負(fù)方向。</p>

59、<p>　　（5） 計(jì)算被動(dòng)滾筒和張緊機(jī)構(gòu)重</p><p>　　被動(dòng)滾筒和張緊機(jī)構(gòu)重= 72.39（千克）=709.422（牛頓）</p><p>　　將所求的被動(dòng)滾筒和張緊機(jī)構(gòu)重分配到節(jié)點(diǎn)141、142、143、144上，每個(gè)節(jié)點(diǎn)受力為709.422÷4 = 177.35555（牛頓），方向均為Z軸負(fù)方向。</p><p>　?。?） 計(jì)

60、算皮帶拉力</p><p>　　皮帶拉力= 皮帶重÷2÷2 = 209.62÷2 = 104.81（千克）= 1027.138（牛頓）</p><p>　　將所求的皮帶拉力分配到節(jié)點(diǎn)141、142、143、144上，每個(gè)節(jié)點(diǎn)受力為1027.138÷4 = 256.7845（牛頓）</p><p>　　節(jié)點(diǎn)141、142、143

61、、144上重力為256.7845 + 177.35555 = 434.14（牛頓）</p><p>　?。?） 計(jì)算皮帶和鏈輪拉力</p><p>　　鏈輪轉(zhuǎn)速 n轉(zhuǎn)/秒</p><p>　　3.14×0.273×n =1.25 → n = 1.25÷3.14× 0.273 =1.458（轉(zhuǎn)/秒）</p>

62、<p><b>　　鏈速 V1米/秒</b></p><p>　　V1= 3.14×0.23317×1.458= 1.067（米/秒）</p><p>　　鏈工作拉力F1= 1000P÷V1=1000 ×5.5÷1.067= 5154.64（牛頓）</p><p>　　近似作用在軸上

63、的力Fc = 1.2 ×F1 = 1.2 ×5154.64 = 6185.57（牛頓）</p><p>　　帶兩邊拉力差F，緊邊F1，松邊F2</p><p>　　F = F1- F2 = 1000P÷V = 1000×5.5÷1.25 =4400（牛頓）</p><p>　　F1÷F2=3 → F1=

64、 3×F2</p><p>　　3×F2- F2=4400 → F2= 2200（牛頓） </p><p>　　F1=6600（牛頓）</p><p>　　作用在軸上的力Fd = F1 + F2=8800（牛頓）</p><p>　　圖7 皮帶和鏈輪拉力受力分析</p><p>　　F1= F

65、d×cos18°= 8320.56（牛頓）</p><p>　　F1’=8320.56（牛頓）</p><p>　　F2= Fd×sin18°=2865（牛頓）</p><p>　　F2’= 2865（牛頓）</p><p>　　F1’分到141、142、143、144，4個(gè)節(jié)點(diǎn)上</p>

66、<p>　　Fy1 = F1’÷4 =8320.56÷4 =2080.2（牛頓），方向?yàn)閅軸正方向。</p><p>　　F2’分到127、129，2個(gè)節(jié)點(diǎn)上</p><p>　　Fz 1= F2’÷2 =2865÷2 =1432.5（牛頓）, 方向?yàn)閆軸正方向。</p><p>　　Fd分到105、106，2個(gè)節(jié)

67、點(diǎn)上</p><p>　　Fy2 = F1÷2 =8320.56÷2 =4160.28（牛頓），方向?yàn)閅軸負(fù)方向。</p><p>　　Fz 2= F2÷2 =2865÷2 =1432.5（牛頓）,方向?yàn)閆軸負(fù)方向。</p><p>　　其中F1為軸上的力的水平分力，F(xiàn)2為軸上的力的垂直分力，F(xiàn)1’為底架后段張緊機(jī)構(gòu)所受皮帶拉

68、力，F(xiàn)2’為支撐托輥的支撐力，F(xiàn)y1為F1’的1/4力，F(xiàn)z 1為F2’的1/2力，F(xiàn)y2為F1的1/2力，F(xiàn)z 2為F2的1/2力。</p><p>　　4.7.2 施加載荷</p><p>　　4.7.2.1 施加重力載荷</p><p>　　選擇Solution,依次選中Define Loads,Apply,Structual,Inertia,Gravity,

69、在彈出的對(duì)話框里面，輸入重力加速度9.8m /s²。</p><p>　　4.7.2.2 整理和施加工作載荷</p><p>　　將以上計(jì)算的力的結(jié)果進(jìn)行整理在表5中，將表5中的數(shù)據(jù)輸入ANSYS Command Prompt窗口執(zhí)行命令，即看到上料架總成的受力模型，如圖8所示。</p><p><b>　　表5 部分載荷顯示</b>

70、</p><p>　　圖8 施加載荷后的模型</p><p>　　4.8 結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析</p><p>　　4.8.1 計(jì)算靜態(tài)解</p><p>　　4.8.1.1 設(shè)定分析類型</p><p>　　進(jìn)入ANSYS求解器，選擇Static，確定分析類型為靜態(tài)分析。</p><p>　　4.8.

71、1.2 設(shè)置分析選項(xiàng)</p><p>　　在Static nalysis中，接受其默認(rèn)設(shè)置。</p><p>　　4.8.1.3 計(jì)算靜態(tài)解</p><p>　　在Solve Current Loaded Step中，單擊OK，開始求解。求解完畢后，在Note窗口顯示Solution is done！說明結(jié)果正確，退出求解器。</p><p>

72、;<b>　　4.8.2 后處理</b></p><p>　　進(jìn)入通用后處理器POST1，觀察模型所受應(yīng)力和變形位移</p><p>　　4.8.2.1 觀察結(jié)構(gòu)應(yīng)力</p><p>　　選取菜單路徑Main Menu > General Postproc > Plot Results > Contour Plot >

73、Nodal Solution列表，顯示Contour Nodal Solution Data對(duì)話框，選擇Nodal Solution下的Stress中的von Mises stress選項(xiàng)，顯示模型所受應(yīng)力如圖9。</p><p>　　圖9上料架應(yīng)力分布云圖</p><p>　　4.8.2.2 觀察結(jié)構(gòu)變形</p><p>　　選取菜單路徑Main Menu >

74、; General Postproc > Plot Results > Contour Plot > Nodal Solution列表，顯示Contour Nodal Solution Data對(duì)話框，選擇Nodal Solution下的DOF中的Displacement vector sum選項(xiàng)，顯示上料架的變形云圖如圖10所示。</p><p>　　圖10 上料架變形云圖</p>

75、<p>　　4.8.2.3 用單元截面上的應(yīng)力評(píng)價(jià)鋼架結(jié)構(gòu)</p><p>　　選擇General Postproc,依次再選中Element Table,Define Table,在彈出的對(duì)話框中選中Add按鈕，彈出對(duì)話框，輸入數(shù)據(jù)項(xiàng)標(biāo)識(shí)“MaxStr_I”(即為I節(jié)點(diǎn)上的最大應(yīng)力)，選擇By sequence num選項(xiàng)，并選擇NMISC選項(xiàng)，輸入1；</p><p>

76、　　選中Apply按鈕，輸入數(shù)據(jù)項(xiàng)標(biāo)識(shí)“MaxStr_J”(即為J節(jié)點(diǎn)上的最大應(yīng)力)，選擇By sequence num選項(xiàng)，并選擇NMISC選項(xiàng)，輸入3；</p><p>　　選中Apply按鈕，輸入數(shù)據(jù)項(xiàng)標(biāo)識(shí)“MixStr_I”(即為I節(jié)點(diǎn)上的最小應(yīng)力)，選擇By sequence num選項(xiàng)，并選擇NMISC選項(xiàng)，輸入2；</p><p>　　選中Apply按鈕，輸入數(shù)據(jù)項(xiàng)標(biāo)識(shí)“Mi

77、xStr_ J”(即為J節(jié)點(diǎn)上的最小應(yīng)力)，選擇By sequence num選項(xiàng)，并選擇NMISC選項(xiàng)，輸入4；</p><p>　　選擇OK按鈕，選中Close按鈕，關(guān)閉對(duì)話框。</p><p>　　依次選中General Postproc，Element Table，List Elem Table,選擇剛剛定義的4個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)。</p><p>　　選擇OK按鈕

78、，彈出文本文件顯示每個(gè)單元上I節(jié)點(diǎn)和J節(jié)點(diǎn)的最大和最小應(yīng)力數(shù)值。保存此文件為“Beam2Stress”備用。</p><p>　　4.8.2.4 數(shù)據(jù)處理</p><p>　　用Excel對(duì)“Beam2Stress”進(jìn)行處理，處理的數(shù)據(jù)按單元號(hào)大小從小到大排列，表6所示部分?jǐn)?shù)據(jù)。</p><p>　　表6 部分單元應(yīng)力表</p><p>&l

79、t;b>　　4.9 結(jié)果分析</b></p><p>　　由圖10看出，最大變形Dmax=1.435mm。位置處在由節(jié)點(diǎn)147與105構(gòu)成的第70號(hào)單元和由節(jié)點(diǎn)148與106構(gòu)成的第82號(hào)單元上，不影響上料架正常工作。</p><p>　　由圖9看出，最大應(yīng)力為：24200000Pa=24.2MPa,位置處在單元65、66的連接處和單元77、78的連接處。</p&g

80、t;<p>　　24.2MPa遠(yuǎn)小于Q235A的屈服強(qiáng)度235MPa。在保證安全的情況下有9.71的安全系數(shù)。</p><p><b>　　4.10 優(yōu)化方案</b></p><p>　　根據(jù)分析結(jié)果，提出以下改進(jìn)措施：</p><p>　　1.將上料架總成的兩邊的大梁由C14號(hào)槽鋼改為C12號(hào)槽鋼；</p><

81、;p>　　2.斜機(jī)架總成部分的短支架和長(zhǎng)支架C10號(hào)槽鋼改為C8號(hào)槽鋼；</p><p>　　3.上料架總成上的斜撐由熱軋等邊角鋼L63×5改為熱軋等邊角鋼L50×6。</p><p>　　4.去掉支座，將斜支架換成豎直的支架并改變長(zhǎng)支架的位置。</p><p>　　按照前述方法對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，得到結(jié)構(gòu)變形云圖如圖11所示，應(yīng)力云圖

82、如圖12所示，部分單元應(yīng)力表如表7所示。</p><p>　　表7 部分單元應(yīng)力表</p><p>　　圖11 優(yōu)化后的模型圖</p><p>　　圖12 優(yōu)化后的應(yīng)力云圖</p><p>　　圖13 優(yōu)化后的變形云圖</p><p>　　4.11 優(yōu)化后結(jié)果分析</p><p>　　（1）由圖

83、11看出，優(yōu)化后最大變形Dmax=0.514mm,位置處在由節(jié)點(diǎn)65與181構(gòu)成的第159號(hào)單元和由節(jié)點(diǎn)66與182構(gòu)成的第161號(hào)單元上。</p><p>　　（2）根據(jù)GB50017-----2003查知梁的變形不大于L/250就不會(huì)失穩(wěn)，其中L為梁的跨長(zhǎng)。斜機(jī)架總成變形值：0.514mm，其梁的跨長(zhǎng)：950mm。0.514mm＜950/250=3.8mm，所以不會(huì)失穩(wěn)。</p><p&g

84、t;　　(3）由圖12看出，上料架總成結(jié)構(gòu)優(yōu)化后其最大應(yīng)力值出現(xiàn)在元22、23的連接處和單元51、52的連接處，其大小為18400000Pa=18.4MPa。18.4MPa小于Q235A的屈服強(qiáng)度235MPa。在保證安全的情況下有12.77的安全系數(shù)。</p><p><b>　　5． 結(jié)論</b></p><p><b>　　5.1 結(jié)論</b>

85、;</p><p>　　通過對(duì)上料架總成的結(jié)構(gòu)分析，得出以下結(jié)論：</p><p>　　1.將上料架總成的兩邊的縱梁由C14a號(hào)槽鋼改為C12號(hào)槽鋼；</p><p>　　2.將上料架總成的支腿和支架由C10號(hào)槽鋼改為由C8號(hào)槽鋼；</p><p>　　3.上料架總成的橫梁和斜橫梁熱軋等邊角鋼L63×5改為熱軋等邊角鋼L50

86、5;6；</p><p>　　4.節(jié)約了材料。被替換的槽鋼C14a、C10和角鋼L63×5總長(zhǎng)總長(zhǎng)分別為36.34m、29.98m和6，4m，而C14a、C12、 L63×5、L50×6、C10和C8線密度分別為：14.536Kg/m、12.15 Kg/m、 4.822 Kg/m、 4.465 Kg/m、 10.007 Kg/m 和8.045 Kg/m，去掉的支座重12.23 Kg,

87、所以優(yōu)化后機(jī)架減少的材料重量：△M=12.23+36.34×2.536+29.98×0.356+6.4×1.557=125.06 Kg，原機(jī)架重量為725.94Kg。節(jié)約的材料占原機(jī)架重量的17.22%。</p><p>　　5.提高了安全系數(shù)。優(yōu)化前，上料架總成的最大應(yīng)力值是24.2 Mpa，安全系數(shù)為9.71；優(yōu)化后，上料架總成的最大應(yīng)力值是18.4 Mpa,安全系數(shù)為12.77

88、。通過優(yōu)化，上料架總成的安全系數(shù)增大了3.06。</p><p>　　由此可以得出結(jié)論，經(jīng)過優(yōu)化既提高了機(jī)架的安全系數(shù)，又節(jié)約了材料，經(jīng)濟(jì)效益顯著。</p><p><b>　　5.2 工作展望</b></p><p>　　在今后的研究中可以對(duì)上料架總成的其它零部件進(jìn)行優(yōu)化，這樣有望節(jié)省更多的材料，進(jìn)一步降低成本。</p><

89、;p><b>　　6. 參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　　[1] 黃國(guó)權(quán).有限元法基礎(chǔ)及ANSYS應(yīng)用 [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.</p><p>　　[2] 任重. ANSYS實(shí)用分析教程 [M].北京：北京大學(xué)出版社，2003.</p><p>　　[3] 劉國(guó)慶，楊慶東. ANSYS工程應(yīng)用教程機(jī)械篇[M]. 北

90、京:中國(guó)鐵道出版社，2003.</p><p>　　[4] 邵敏.有限單元法基本原理和數(shù)值方法[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，1995.</p><p>　　[5] 譚建國(guó).使用ANSYS6.0進(jìn)行有限元分析[M] .北京：北京大學(xué)出版社，2002.</p><p>　　[6] 吳宗澤、羅圣國(guó).機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)[M] .北京：高等教育出版社，1999.</

91、p><p>　　[7] 劉鴻文.材料力學(xué)Ⅰ[M]. 北京：高等教育出版社，2007.</p><p>　　[8] 邱峰、尙曉江等.ANSYS結(jié)構(gòu)有限元高級(jí)分析方法與范例應(yīng)用[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2006.</p><p>　　[9] 李紅云、孫雁等.ANSYS10.0基礎(chǔ)及工程應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.</p><p&g

92、t;　　[10] 趙經(jīng)文，王宏鈺.結(jié)構(gòu)有限元分析[M].北京：科學(xué)出版社，2001.</p><p>　　[11]王富恥,張朝暉編著.ANSYS 10.0有限元分析理論與工程應(yīng)用. 北京：電子工業(yè)出版社，2007.</p><p>　　[12] 劉國(guó)慶編著.ANSYS工程應(yīng)用教程.中國(guó)鐵道出版社，2002.11.02</p><p>　　[13] ANSYS. In

93、c.ANSYS Elements Reference.Ninth Edition [M] .SAS， IP Inc-1997. </p><p>　　[14] ANSYS. Inc.ANSYS Workbook Release 5.4 Third Edition [M] .SAS， IP Inc-1997.</p><p>　　[15] AN

94、SYS. Inc.ANSYS Analysis Guides.First Edition[M].SAS. IP Inc-1998.</p><p><b>　　7. 致謝：</b></p><p>　　非常感謝***畢業(yè)設(shè)計(jì)期間給予我的悉心指導(dǎo)，xx老師嚴(yán)謹(jǐn)、細(xì)致、務(wù)實(shí)的治學(xué)態(tài)度使我收益匪淺，為我今后的學(xué)習(xí)和工作樹立了榜樣。在這里也對(duì)在畢業(yè)設(shè)計(jì)期間給予我?guī)椭睦蠋熀屯?/p>