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【濟南索迪技術分享】基于SolidWorks的馬扎受力分析

來源:SolidWorks 3D社群作者:席久恒網址:http://fans.solidworks.com.cn/article-729-1.html瀏覽數:212 

【濟南索迪技術分享】基于SolidWorks的馬扎受力分析

2014-6-6 16:36| 發布者: CSWP| 查看: 140| 評論: 1|原作者: 席久恒|來自: 原創

摘要: 上次是馬扎的建模,這次一起來看看馬扎的受力。首先確立分析目的。我們想了解馬扎上做一個人,木質支撐腿和碳鋼銷軸的強度和應力分布。一般在有限元分析前我們要做這么幾件事:1.模型理想化;2.邊界條件模擬;3.裝配 ...

上一次我們在SolidWorks中將馬扎的模型已經建立完成,可以通過下面路徑查看:

馬扎建模(文章):  http://fans.SolidWorks.com.cn/article-691-1.html  

馬扎建模(視頻):  http://www.sdsolid.cn/h-col-138.html

另外這里也附上這次的操作視頻地址(源創匯一旦發表就不能修改,在發表此文章時視頻還未上傳,不要著急,兩周內肯定上傳):

馬扎分析(視頻):  http://www.sdsolid.cn/h-col-145.html

一.             分析目標的確立

這次一起來看看馬扎的受力。首先確立分析目的。我們想了解馬扎上做一個人,木質支撐腿和碳鋼銷軸的強度和應力分布。一般在有限元分析前我們要做這么幾件事:1.模型理想化;2.邊界條件模擬;3.裝配體干涉檢查。以前發過類似文章,這里就不在贅述了,需要了解的可以查看這個帖子:

http://fans.SolidWorks.com.cn/thread-35872-1-1.html

如下圖所示,將我們不關心的尼龍繩坐面、兩個裝飾條和螺母去掉,只剩下內側腿、外側腿和螺栓銷軸,還有那些無關緊要的圓角也壓縮掉。



二.             受力情況的分析

在添加載荷與約束之前,我們先一起看看馬扎的受力過程。先是人的屁股坐在尼龍繩的椅面上,尼龍繩會變形下凹(箭頭A),下凹后拉扯著木質小孔下邊緣,使得上面有合攏的趨勢(箭頭B),由于中間鉸鏈的作用,上面下壓,下面就會有往外岔開的趨勢(箭頭C),最終達到力的平衡。如下圖


上端細節處受力:整體看完了,我們再看看細節部分。先看上面部分。尼龍繩受拉力以后,直接作用在木質小孔的下半邊緣,如下圖



背面的尼龍繩是纏繞在兩個孔之間的,因此兩孔近端邊緣之間受相向的拉力;還有沿著軸向的拉力



提示:分析細節受力固然重要,但是與我們的分析目標相悖,我們關心整體受力,這些局部受力對整體相對影響小,因此在整體分析時可以先忽略這些細節。如果關心局部受力,可以單獨考慮。

中間鉸鏈處的受力相對沒有上面復雜了。不過需要注意的是,銷軸與孔之間是有間隙的,裝配當然可以最理想化的同心就行,但是分析時是需要有真實接觸的。一般帶有真實接觸的分析計算時間較長,因此這里用分割線將銷軸分割成幾個部分,這樣可以提高效率。



下面木質腿與地面受力最簡單了,就是一個壓力,但是壓在哪里呢,難道要把地面也建立出來嗎?當然不用,相信用過Simulation的工程師,肯定能想到利用“接觸”里面的“虛擬壁”。不過這里我們分析的是穩態受力,因此用約束代替。



三.             建立算例

材料定義:好了,準備工作做完了,下面該讓Simulation亮個相了。打開Simulation插件、建立靜態算例,添加材料…  到這里停一下,需要交代一句,對于木材,橫紋受力和縱紋受力是差別很大的,也就是木材是各向異性的材料,我們需要定義不同方向的彈性模量、泊松比、屈服強度等參數(如下圖)。當然了,既然各向異性,那就得有方向,需要建立用戶坐標系,坐標系的XYZ方向要與定義的材料參數一致。每一塊木條的方向都不同,因此這里需要建立多個坐標系來定義方向。



約束定義 材料定義好了,下面就是約束與載荷了。上面我們已經分析過了,就是馬扎上面坐人,人的重力壓著馬扎有合攏的趨勢;下面支撐,由于摩擦力和壓力角的存在,合攏到“死點”的位置達到靜力平衡。我們就是要分析在平衡時的受力,但是如何添加約束呢?對于一個腿來說,上面受向下的力,中間有鉸鏈連接,下面支撐有旋轉的趨勢,因此在這里可以給底部添加“固定鉸鏈”的約束。



對于橫向雖然不受力,但是由于離散化誤差,也很容易引起模型不穩定的情況。因此這里找一個基本不變形、就是變形也不影響整體結果的點進行固定(如下圖)。當然了我們這里有兩個腿一個銷軸,因此這三處都需要相同的約束,既約束軸向移動自由度。



載荷定義 約束好了,載荷呢,通過上面的分析我們知道,當有人坐在馬扎上時,會使得馬扎有合攏的傾向,接近“死點”時平衡。那問題來了,什么時候能平衡呢?尼龍繩椅面下凹到什么程度平衡呢?這是個很棘手的問題。不過不用擔心,SolidWorks是設計仿真一體化解決方案平臺。這里我們可以利用SolidWorks Motion功能得到這個死點。

在用Motion計算前,需要先建立零輔助零件,來模擬人坐在馬扎上,尼龍繩椅面下凹的過程。輔助零件長度要達到椅面的一半,然后兩部分鉸接到一起(如下圖)。



在兩個輔助件之間加入線性馬達,使其保持恒速下凹。底面馬扎腿與地面的接觸加入摩擦,在地面加入向上(力是相互的,加到哪端都行)的推力750N(一個150斤人體的重量)。不要忘記地面與馬扎腿的接觸,然后計算。

計算后得到馬達力的時間曲線。觀察下圖我們會發現,在經過平穩上升后,力量急劇增加,這個拐點我們就認為是“死點”位置了。為了更精確得到這個鎖死的位置,可以在Excel中得到精確的時間位置。這里我們就取出下圖紅線處為平衡點或“死點”(749約等于750,力和反力相等時平衡)。在這一時刻我們得到下凹角度為71.59°,凹點到中心銷軸距離為104.06mm。將這種狀態返回到Simulation進行應力計算。



人的坐骨是兩側對稱的,施力點就在這兩塊突出的坐骨上,這里我們就假設人坐在馬扎的正中間。這樣我們就可以建立兩個坐標系了(如下圖)。這兩個坐標系可以用于定義力的施加位置。



定義遠程載荷,左邊的12個孔施加750/2=375N,受力點在坐標5上;右側同樣的方式施加375N到坐標6上,如下圖



還不能計算,中間銷軸與馬扎腿的接觸的四個地方要定義為“無穿透”。下面就可以進行計算了。不過計算過程中有可能會出現提示,使用大位移計算還是小位移計算。這是由于銷軸直徑小于孔的直徑,受力后位置發生了變化引起的。這里我們選擇“否”進行小位移計算。下圖是計算完的應力分布,調整顯示最大圖解為10MPa,如下圖



只有調整到10MPa才能看到有顏色變化,否則絕大部分都是藍色的。這說明整體的結構強度是足夠的。

銷釘的應力  再看一下危險截面。銷釘的應力最高了,單獨顯示他,發現在與孔接觸的部分應力較高,這種情況是常見的應力集中問題。如果不關心此處的應力可以直接忽略,如果關心的話不能簡單的直接讀取。下圖中探測出的曲線跳躍較大,說明網格還是較粗糙。如果網格足夠小,可以看到較為均勻的曲線,看曲線整體走向確定最終的應力集中區域的數值水平。我們這個例子大約在185MPa左右。對于Q235來說,此處安全系數為1.27



只顯示木質的馬扎腿,從中心的孔處剖開(如下圖)。邊緣處應力較大是我們預期的,但是下圖紅圈處在中間,但是有應力突變的現象,這其實是由于接觸與網格粗糙造成的,這種點的應力是不正確的,同銷軸一樣,也可以調整網格密度來提高局部精度。



沿著孔的軸向取點探測(如下圖),發現應力集中非常的明顯。仔細觀察生活中的馬扎,此處一般會有局部的變形的。通過上面的方法我們可以到的此處的計算應力在20MPa左右,也就是說此處也是安全的,但是此處是危險點。



總結:

1.       SolidWorks Simulation可以非常有效的模擬馬扎受力問題(用Motion找到死點和用Simulation計算應力);

2.       操作上Simulation秉承了SolidWorks的簡單易用,但是要用其解決實際問題,還是需要有一定經驗:力學基礎、產品熟悉(馬扎)和軟件操作;

3.       在對帶有接觸問題計算時,花費時間會更多;分步驟計算效率更高(馬扎腿和螺栓分開計算)。限于篇幅沒有做兩種計算的對比,對于大的分析,分步驟計算效率尤其高。

最后,也請大家積極批評指正不當之處,共同進步!


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