meshfree試用.rar

1 緒論

某龍骨吊件吊掛物品的最大質量為120kg，本文對該龍骨吊件在吊掛最大質量物件情況下進行受力分析，通過有限元分析得到龍骨吊件各部件在懸掛重物條件下整體應力云圖分布及整體變形云圖，確定該龍骨吊件是否滿足吊掛最大質量100kg的要求。

龍骨吊件結構示意圖如附圖1所示。

附圖1 龍骨吊件結構圖

2 主要部件材料特性

該龍骨吊件中螺桿與螺母材料8.8級螺栓螺母，材質為碳鋼，U形架和龍骨材質為鋁合金7075-T6。

龍骨吊件各部件材料主要力學參數如下表1所示。

表1 龍骨吊件各部件材料主要力學參數

編號	部件	材料名稱	彈性模量 (MPa)	泊松比	屈服強度(MPa)
1	U形架、龍骨	7075-T6	7.2E4	0.33	450
2	螺桿、螺母	8.8級螺栓	2.1E5	0.27	640

 

有限元分析時模型中各部件按照表1進行材料屬性添加。

3  Meshfree仿真模型建立

3.1 分析流程

1) 在CAD軟件中建立三維裝配模型，并進行相關簡化以便適用于有限元分析；

2) 將三維裝配模型導出為*.stp中性文件；

3) 幾何模型導入meshfree，進行載荷和約束施加、接觸關系添加等；

4) 提交分析并得到仿真分析結果。

3.2 模型簡化原則

在保證仿真結構準確度的基礎上，需要對模型進行相應的簡化，以滿足減小計算量與保證仿真計算收斂需要，其中本次仿真進行了如下簡化：

1) 刪除各部件中不影響分析結果的小倒角、小圓角等特征；

2) 由于龍骨吊件為左右對稱結構，故采用1/2模型進行分析，對稱分割面施加對稱約束，保證與整體模型分析結果一致。

3.3 分析工況

根據技術要求中給定載荷條件，對最大吊掛質量120kg靜載荷工況進行有限元仿真分析。

工況情況如下表2所示。

表2 分析工況情況表

工況編號	加載方式	備注
1	螺桿軸向垂直600N拉力	由于采用1/2模型，故載荷值取實際載荷值1/2

3.4  部件相互關系、約束及載荷施加

1) 在個部件之間施加相互關系，實際裝配中采用螺紋連接部位采用焊接，其他相互接觸部位采用通用接觸關系，摩擦系數設置為0.1；

2) 對龍骨端面上節點施加固定約束；對模型對稱面上節點施加對稱約束；

3) 在螺桿底面施加600N向下拉力。

最后建立有限元分析模型如附圖2所示。

 

附圖2 Meshfree龍骨吊件1/2模型

3.5 分析結果

在上述靜載荷工況及力學模型基礎上，通過Meshfree對龍骨吊件進行了仿真計算分析，應力計算計算結果如附圖3所示（其中，計算結果中的應力均為按第四強度理論求得的等效von- mises應力），位移變形云圖如附圖4所示。

附圖3 龍骨吊件應力云圖

附圖4 龍骨吊件變形云圖

 

4 abaqus仿真模型建立

為驗證Meshfree分析模型，特在abaqus中采用同樣幾何模型及材料參數，邊界條件和載荷進行分析。

4.1  分析流程

1) 在CAD軟件中建立三維裝配模型，并進行相關簡化以便適用于有限元分析；

2) 將三維裝配模型導出為*.stp中性文件；

3) 在hypermesh中進行六面體網格劃分，將劃分的網格模型導出abaqus可用的*.inp文件；

4) 在abaqus中對模型進行模型網格劃分、載荷和約束施加、接觸關系添加等；

5) 提交分析并得到仿真分析結果。

4.2  模型簡化原則

為驗證Meshfree仿真模型，故在abaqus中采用和Meshfree中同樣的簡化方式：

1) 刪除各部件中不影響分析結果的小倒角、小圓角等特征；

2) 由于龍骨吊件為左右對稱結構，故采用1/2模型進行分析，對稱分割面施加對稱約束，保證與整體模型分析結果一致。

4.3  網格劃分

采用C3D8R單元進行六面體網格劃分，最后建立的有限元分析網格模型如附圖5所示。

 

附圖5 abaqus龍骨吊件1/2網格模型

最終得到單元數量為35288，節點數為46128。

4.4 分析工況

根據技術要求中給定載荷條件，對最大吊掛質量120kg靜載荷工況進行有限元仿真分析，工況情況如表2所示。

4.5  部件相互關系、約束及載荷施加

4) 在個部件之間施加相互關系，實際裝配中采用螺紋連接部位采用綁定關系，其他相互接觸部位采用通用接觸關系，摩擦系數設置為0.1；

5) 對龍骨端面上節點施加固定約束；對模型對稱面上節點施加對稱約束；

6) 在螺桿底面創建參考點，參考點與螺桿底面施加耦合約束，在參考點上施加600N向下拉力。

最后建立有限元分析模型如附圖6所示。

 

附圖6 龍骨吊件有限元分析模型

4.6 分析結果

在上述靜載荷工況及力學模型基礎上，對龍骨吊件進行了仿真計算分析，計算結果如附圖7所示（其中，計算結果中的應力均為按第四強度理論求得的等效von- mises應力）。

附圖7 龍骨吊件應力云圖

龍骨吊件變形位移云圖如附圖8所示。

附圖8 龍骨吊件變形位移云圖

由附圖7可以得到龍骨吊件在最大載荷作用下最大應力為277.3MPa，位于下部與U形架螺母上，未超出材料屈服極限，且安全系數K=640/277.3=2.31;同時，U形架和龍骨上最大應力值為220.5MPa,位于U形架螺孔處，未超出材料屈服極限，且安全系數K=450/220.5=2.04。

由附圖8可以得到龍骨吊件在最大載荷作用下最大位移位于龍骨吊件下部螺桿上，最大變形約0.5mm。

5 結論

兩種軟件分析結果對比如下表3所示。

表3 分析結果匯總表

編號	Meshfree計算結果	abaqus計算結果	備注
最大值	最大值部位	最大值	最大值部位
1應力	273.23Mpa	龍骨吊架下部與U形架螺母上	277.3Mpa	龍骨吊架下部與U形架螺母上	兩者應力整體分布基本一致
2變形量	0.32	整個螺桿	0.5mm	整個螺桿	兩者變形量整體分布基本一致

 

根據表3可以得出以下結論：

1) 龍骨吊件在垂直方向承受120kg載荷情況下，通過Meshfree與abaqus計算，各部件最大應力值均未超出材料屈服極限；

2) Meshfree計算最大應力值為273.23MPa，位于龍骨吊架下部與U形架螺母上；abaqus計算最大應力值為277.3MPa，最大值部位與Meshfree計算結果一致。兩者計算得到的應力云圖分布基本一致，最大應力值相差4Mpa，相對誤差百分比為1.5%（以abaqus計算結果為基準）；

3) Meshfree計算最大變形量為0.32mm，abaqus計算最大變形量為0.5mm，兩者相差0.18mm，相對誤差百分比為36%（以abaqus計算結果為基準）；

4)Meshfree整個仿真過程耗時相對abaqus減少較多，分析效率較高。