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导向滑块改进设计的强度有限元分析

发布于:2020-12-25 18:49
有限元分析

       某下挂式导轨结构中,为保证滑块滑行精度,确保滑块在矩形导轨中滑行时无扭转、偏航等现象,在滑块设计时采用导向滑块结构。导向滑块周圈倒圆角;精加工表面进行倒斜角处理;滑块中间做凹槽,配合导轨设计,保证滑块的导向功能;凹槽尺寸增大有利于滑块导向,但是凹槽尺寸直接影响滑块自身结构的强度,因此,必须对改进后导向滑块的强度进行有限元分析
       由于在简化结构基础上进行近似解析计算,校核发现结果偏差较大,无法获得较真实的受力分析变形。本文采用CAEApp建立精确导向滑块有限元模型,施加边界条件后用获得导向滑块的仿真分析结果。
       在模型I的基础上加宽、加深凹槽尺寸,建立模型II,模型II的凹槽尺寸和UG模型见图,将模型II的UG模型导入ANSYS ICEMCFD,在ICEM中为模型II划分网格,将模型I和II导入CAE前、后处理AppPatran。由于上述模型针对同一结构不同尺寸的类比仿真,模型材料、边界条件和单元数均设置相同。模型单元均为六面体单元,总单元数不少于62000个,并针对模型进行网格无关性分析。
       导向滑块在导轨中匀速运动时,受静载作用,对导向滑块底部节点创建六自由度的边界条件约束,模拟导向滑块受横向2g,轴向2.5g和法向3g过载时的变形情况和最大应力,其中g=100N。
       选取2个模型中一侧面单元加载,面积为0.000042m2,施加476kPa压强(等同于导向滑块受横向受力200N),模型I和II横向过载2g时变形、选取2个模型中导向滑块正面单元加载,面积为0.00256m2,施加976kPa压强(等同于导向滑块受轴向受力250N),模型I和II轴向过载2.5g时变形、应力见图。
       选取2个模型中导向滑块与导轨相接触的单元加载,面积为0.00021m2,施加1428kPa压强(等同于导向滑块受法向受力300N),模型I和II法向过载2.5g时变形、应力见图。
       为验证瞬态响应对凹槽增大后导向滑块的影响,对滑块受瞬态响应的情况进行仿真。由于滑块在受到瞬态过载时轴向不受约束,只针对横向和法向的瞬态过载进行分析,根据实际工况下的测量数据获得横向和法向过载因数。分别仿真计算模型I和II在工作过程中受横向、法向瞬态过载时的变形情况和最大应力,仿真计算时对模型I和II的底部节点创建六自由度约束。
       根据实际工况数据获得工作载荷,导向滑块的受力在0.000314s内由0增加到2140N。具体仿真时将过载换算为压强,选取模型中导向滑块一侧面单元加载,面积为0.000042m2。对比模型I和II变形情况结果,见图;对比模型I和II应力变化情况结果,见图,加载输入见表。
       根据实际工况数据获得工作载荷,导向滑块的受力在0.000314s内由0增加到2140N。具体仿真时将过载换算为压强,选取模型中导向滑块与导轨相接触的单元对应的上侧单元加载压强,选取导向滑块与导轨相接触的单元加载压强,面积均为0.00021m2,加载输入见表。对比模型I和II变形情况结果见图;对比模型I和II变形情况结果见图。
       考虑到导向滑块受法向过载时应力最大,按超额定负载状态考核凹槽加深后的导向滑块,即对其施加10倍的法向过载.在仿真中,选取模型中后吊耳与导轨相接触的单元进行加载,面积为0.00021m2,施加12857kPa压强(等同于后吊耳受法向受力3000N)。模型II法向过载10×2.5g时变形和应力见图。
       考虑到导向滑块在与导轨接触时理论上会出现线接触状态,以上文中的过载值考核线接触时导向滑块的强度情况,即对其施加10倍的法向过载于单边棱上。在仿真中,选取模型中导向滑块与一侧棱边上的节点加载3000N的力。模型II单边线接触受载10×2.5g时变形和应力见图。

       用MSC Nastran对2种结构的动刚度进行虚拟仿真测试,得出2种结构的动刚度值,有利于降低产品开发周期,降低开发成本,提高工作效率。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
                                                                                                                                                      杭州那泰科技有限企业
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