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關于套筒連接機構的靜力數值仿真分析論文
有限元法最初被稱為矩陣近似方法，應用于航空器的結構強度計算，由于其方便性、實用性和有效性而成為一種應用廣泛并且實用高效的數值分析方法。ANSYS軟件是有限元分析最常用的一種軟件，極強的分析功能覆蓋了幾乎所有的工程問題，在我國也得到了廣大用戶的承認和推崇。本文通過ANSYS軟件對套筒連接機構在載荷下的變形和應力進行了研究，并通過一種新的方法獲得了無法直接從云圖中得到的套筒自身的相對彎曲變形的最大值，新方法對ANSYS分析后處理中的變形云圖進行一定處理后導入AutoCAD軟件中進行關鍵尺寸的測量，從而可以得到套筒的變形對套筒內部功率傳輸設備的影響。
1分析模型的建立與工作載荷條件
1.1套筒連接機構分析模型的建立
之前通過UG建模軟件已經對套筒連接機構進行了詳細的結構建模，而在ANSYS有限元數值仿真分析中，需要對模型進行適當簡化，保留模型的主要承載機構和零部件之間的連接特征，去除細小的無關緊要的零部件和特征，如小孔特征和螺釘零件等，這樣有利于有限元網格的劃分和計算機資源的合理利用，并且不會影響主承載部件的分析精度。經過適當簡化之后，獲得的套筒連接機構簡化模型。套筒中間為通孔式結構，功率傳輸設備通過套筒內的通孔，套筒對功率傳輸設備進行防護，套筒端面2連接固定于工作時存在平移位移載荷的部件，套筒端面1連接固定到支撐機架上，支撐機架通過底部固定位置可靠固定。套筒由五段組成，彼此通過螺栓螺母連接在一起構成一整體套筒。套筒連接機構主要由套筒和支撐機架組成，將簡化后的模型通過接口從UG 中導入ANSYS中，就可以進行數值仿真分析。
1.2套筒連接機構工作載荷條件
在工作時，套筒連接機構端面2由于受外界載荷的作用會產生一定量的形變，當套筒連接機構的變形使得套筒的相對彎曲變形過大時，會使功率傳輸設備發生彎曲變形，從而影響到功率傳輸設備的正常工作。需要說明的是，在套筒根部和支撐機架連接處在載荷作用下發生角度偏轉時，套筒內部的功率傳輸設備會隨之旋轉相應的角度，就是說功率傳輸設備相對套筒兩端面有自定心作用，也就是說功率傳輸設備所在的直線始終會通過套筒兩端面的圓心。功率傳輸設備與套筒通孔的最小直徑差距為0.52mm，因此對功率傳輸設備影響最大的就是在載荷作用下套筒自身的彎曲變形程度，驗證套筒的彎曲變形能否引起功率傳輸設備的彎曲變形，這也是最主要的分析考察目的。
套筒連接機構的設計承載要求是套筒端面2在承受最大橫向位移載荷(為1mm)的情況下，能保證功率傳輸設備不發生彎曲變形，套筒連接機構的位移載荷形式可以看作是套筒端面受約束的橫向平移。
2套筒連接機構的數值仿真分析
導入ANSYSWorkbench中的模型，通過材料定義、接觸定義、網格劃分、邊界條件和載荷施加、有限元求解等一系列過程就可以完成對套筒連接機構的靜力學數值仿真分析，并通過對分析結果的討論和研究得出相關結論。
2.1材料與接觸定義
由于套筒與功率傳輸設備之間的間隙很小，因此套筒和機架材料的選擇就比較苛刻，要選擇剛度和硬度較好的材料，其中套筒使用材料為不銹鋼2Cr13，其余承載機架使用材料為鈦合金TA2，在ANSYSWorkbench分析中分別給各個零部件賦予正確材料。
由于分析模型是裝配體，因此定義各個零部件之間的接觸關系至關重要，套筒連接機構簡化后的零部件之間的接觸基本為綁定接觸方式，ANSYSWorkbench軟件中全部接觸會自動設為綁定接觸方式，當然也可以根據實際接觸情況的不同進行修改和刪除操作，在這里將套筒連接機構模型中的所有接觸均設為綁定接觸方式，這樣可以有效地等效產品實際裝配中采用的螺栓螺母等連接形式。
2.2網格劃分
統籌考慮計算機資源和分析精度要求，最后模型統一劃分為六面體網格，支撐機架和套筒的網格劃分。支撐機架和套筒的網格單元尺寸均為20mm，在零部件接觸處使用單元尺寸10mm，這樣大小的網格相對于模型大小和分析精度來說已經足夠。
2.3邊界條件與載荷施加
邊界條件為在支撐機架底面四個圓面固定處施加固支約束。
在套筒端面與天線體連接端施加位移載荷。加載方向為沿套筒端面橫向，大小為1mm，并與水平面方向平行。
2.4求解分析結果
在套筒端面施加1mm的橫向位移載荷條件下得到的機構整體和套筒變形可知，最大變形為1mm，最大變形位置在套筒端面和靠近套筒端面的位置。
在連接支撐套筒端部施加1mm
的橫向位移載荷條件下得到的機構整體和套筒等效應力可知，最大等效應力為14.575MPa，遠小于材料的屈服極限，可見整體結構和套筒均處在彈性變形階段。
3套筒彎曲變形程度的測量
以上分別獲得了套筒連接機構在橫向載荷作用下的變形和應力云圖，而最關注的套筒自身的相對彎曲變形的最大值卻無法從云圖中直接獲得，由于套筒并非是均勻形狀，每一段套筒的形狀有所差別，因此套筒剛度不均勻，套筒的變形比較復雜，無法采用簡單均勻的懸臂梁進行等效，也無法利用材料力學中的相關懸臂梁變形計算公式直接計算得到。因此本文采取一種新方法，對套筒連接機構分析后處理中的變形云圖進行變形程度放大處理后導入AutoCAD軟件中進行關鍵尺寸的測量。
由于套筒自身的彎曲變形程度很小，因此在ANSYS后處理中將套筒的彎曲變形程度放大1100倍，并顯示套筒未承載變形前的位置狀態，然后將變形云圖導入AutoCAD中。在AutoCAD中分別繪制出套筒變形前、后的中心線，已經知道套筒端面中心變形為橫向平移1mm，通過CAD中尺寸測量可以得到套筒相對彎曲變形的最大值與端面橫向平移大小的比例關系，從而通過計算可以得到套筒彎曲變形后自身的相對彎曲變形的最大值為0.148mm，由于套筒的彎曲程度已經被放大了1100倍，因此采用此種測量方法的測量誤差較小，可以采信。
通過零部件尺寸公差計算得知套筒內孔內徑和功率傳輸設備在直徑方向的最小間隙為0.52mm，由于功率傳輸設備和套筒兩端面之間的自定心作用，因此在半徑方向的最小間隙為0.26mm，由上得知套筒自身的相對彎曲變形的最大值為0.148mm，可知套筒的彎曲變形沒有使功率傳輸設備發生彎曲變形，不會影響功率傳輸設備的正常工作，因此滿足之前設定的套筒連接機構的設計承載要求。
4結論
本文以套筒連接機構為研究對象，將三維建模軟件UG、有限元分析軟件ANSYS和繪圖軟件AutoCAD有機結合起來，對套筒連接機構進行了靜力有限元數值仿真分析，通過UG三維建模、ANSYS有限元數值仿真分析、AutoCAD測量關鍵結果，完成了對套筒連接機構在位移載荷作用下相對彎曲變形對功率傳輸設備影響情況的評估，驗證了套筒連接機構的承載可靠性。
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