电子式万能试验机主机结构有限元分析

　　1　引言

　　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。

　　2　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:电机经同步齿型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。

　　3　主机有限元分析

　　3·1　网格单元选取与材料特性

　　从主机结构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TARGE170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。

　　3·2　网格划分

　　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。

　　3·3　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个接触副,如图4所示。

　　3·4　加载与约束

　　(1)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。