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CAE/模拟仿真 |
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基于MSC Patran/Nastran的试验台架强度分析 |
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作者： |
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摘 要：应用有限元分析软件MSC Patran/Nastran，分析试验台架在挂载试验件情况下的受力情况，给出其在不同结构形式下的应力位移值大小，分析结果为试验台架的设计改进提供依据。
关键词： 有限元 试验台架 强度分析
1 引言
试验台架是产品试验平台，在试验台架上可以模拟产品的工作状态。因此，试验台架的设计要求它能够承受产品工作状态的极限载荷情况。以往，由于试验台架的结构一般较为简单，试验台架设计通常以经验为主，往往使得试验台架整体强度设计趋于保守，而局部强度、刚度控制不好。本文在MSC Patran中建立了试验台架的三维有限元模型，使用MSC Nastran进行求解计算，并将计算结果反馈用于试验台架的设计改进。
2 三维有限元模型分析
2.1 有限元模型的建立
有限元分析的第一步就是建立几何模型，有限元模型的建立是以良好的几何模型为基础的。试验台架结构由钢管、方钢以及槽钢等焊接而成，按照功能划分为吊挂台架、工艺挂架以及小挂架等几个部分。以试验台架初步设计图样（图2）为依据，在MSC Patran 环境下，直接建立试验台架的三维有限元模型。其中，对于次要的不参与试验台架整体受力的零部件进行了简化。
图2 试验台架三维模型图
建立好几何模型后，便是有限元网格的划分。在建立有限元模型时，网格的划分很是关键。在本文中，由于试验台架结构比较简单，因而，模型网格的划分很容易就能解决。试验台架三维有限元模型如图3 所示。
图3 试验台架三维有限元模型图
2.2 载荷及边界条件
网格划分完成后，就可以施加边界条件了。在MSC Patran 中，可以定义非常复杂的边界条件，比如随时间或空间变化的边界条件等等。该试验台架支撑结构简单，通过四个支撑圆柱处的地脚螺栓直接固定在地面上。因而，我们可以将其作为固支来处理。由于试验台架自重与试验台架的受载相比在一个很小的水平，可以忽略不计。试验台架在水平以及垂直方向的载荷是通过工艺挂架传递到试验台架上来的。另外，根据地面试验设备安全系数的选取原则，试验台架的安全系数取为5。经过分析简化，可以得到如上图3 中的受载情况。
2.3 定义材料及物理特性
在有限元分析软件中，材料是通过模量、强度、本构关系等参数，以数值的形式来描述的。试验台架使用了两种材料，其中，方钢以及槽钢均为Q235-A，弹性模量E=192GPa，泊松比为μ=0.26。钢管选用的是1Cr18Ni9，弹性模量E=176GPa，泊松比为μ=0.24。定义好材料属性后，进行物理属性的定义。对槽钢、方钢以及钢管分别进行定义，并将定义好的材料属性赋予到有限元模型上。
2.4 分析及后处理
在建立几何模型，划分网格，定义边界条件，加载，定义材料，赋予单元物理属性后，整个有限元模型建立完成。在MSC Patran 的分析模块中选择相应的解算器以及分析参数进行分析。分析结束后，将会生成一系列的文件，其中，*.xdb 和*.f06 为结果数据文件。文件*.xdb可读入到MSC Patran 中，通过MSC Patran 的后处理程序可以查看试验台架的应力及位移图等等。如果需要得到各节点详细结果时，可以查阅结果文件*.f06。
2.5 结果分析
根据设计员的初步设计，在考虑现场吊装以及安全因素的情况下，工艺挂架与试验台架主体间采用搭接方式。
本文分析了钢管间无横管以及有横管的两种情况，其结果通过后处理显示云图如下。
图4 无横管情况下试验台架应力位移云图
图5 有横管情况下试验台架应力位移云图
通过图4 和图5 的比较，我们可以很直观的看出：两种结构情况下，试验台架的应力最大位置均在工艺挂架的两个挂点处，为σ=289MPa 。可以看出，钢管中间有无连接横管对最大应力没有任何影响，这与实际情况相符。通过查看结果文件，我们可以读出钢管最高点处的位移，在无横管的情况下是26.7mm，有横管的情况下是12.6mm，相比减少了52.8%。可见，横管对于控制试验台架的变形起到了很好的作用。
3 结论
通过试验台架的三维建模以及对有无横管情况下的试验台架应力水平及位移情况的计算表明：试验台架的应力危险点在工艺挂架挂点位置。更为严重的情况是，由于初步设计采用垫片直接搭接的方式，很可能会造成工艺挂架两个挂点不能同时承受水平方向载荷，加上冲击载荷的影响，在工艺挂架挂点处很可能造成破坏。另外，从结果中可以看到，增加横管能够很好的解决试验台架整体变形过大的问题。
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(10/24/2011) |
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