C型結構中沒有應力集中部位, 因此鉚機的鉚接框架通常設計為C型。另外, 在相同質量的框架結構中, C型框架的鉚接深度最大。盡管C型鉚接框架在結構上具有諸多優勢, 但對設計的C型鉚接框架的強度和變形校核卻一直是困擾設計人員的難題。C型鉚接框架是變截面結構, 經典力學方法無法確定變截面結構的危險截面。隨著有限元理論和計算機技術的發展, 采用基于有限元理論的軟件對變截面零件進行校核的方法成為現實。本文以自沖鉚接機的C型鉚接框架為例, 按照設計、建模、網格劃分、環境設置、加載和結果分析的思路研究鉚接框架的仿真流程, 特別是提出了采用彈性支承代替傳統校核仿真的剛性支承, 使仿真環境與實際情況更加接近, 提高了仿真結果的精度。以某鉚接機的C型框架為例進行鉚接仿真, 仿真結果表明基于彈性約束的C型鉚接框架的仿真結果精度高于傳統的剛性支承。
1 C型框架仿真前處理
設計的鉚接機C型鉚接框架結構, 材料為灰口鑄鐵, 牌號為HT300, σb=250MPa, 彈性模量E=1.2e5MPa, 泊松比μ=0.25。材料特性是能承受高彎曲應力, 抗拉力。
選用單元類型為SOLID45, 最小精度為0.9mm, 采用自由網格劃分的法則對設計的C型鉚接框架進行網格劃分, 網格劃分結果, 如圖1所示。
對設計的C型鉚接框架的固定端采用剛性全約束, 框架的下端施加均布載荷, 根據設計最大載荷與受力面積可以計算框架下端承受約4.6MPa的壓力, 剛性全約束的C型鉚接框架, 如圖2所示。為了實現鉚接框架固定端的彈性約束, 需要將液壓缸等效為彈性元件 (等效彈簧) , 彈性約束的C型鉚接框架, 如圖3所示。據虎克定律:
式中N為液壓缸受到的拉力;
l為液壓缸的長度;
E為彈性模量 (206GPa) ;
A為液壓缸的截面面積。
根據等效剛度的轉換公式:
計算液壓缸的等效剛度系數ke=2.28×106 N/m, 如圖2、圖3所示。
2 C型框架有限元仿真結果分析
采用ANSYS有限元CAE軟件對剛性約束和彈性約束分別進行求解, 主要考核指標是C型鉚接框架在X/Y/Z坐標方向上的變形情況。剛性約束的仿真結果, 如圖4所示。結果表明, Y向位移最大, 變形量約為0.0 524m m, X/Z方向基本沒有變形。最大壓應力約為186.533MPa, 小于HT300的強度極限σb=250MPa。
彈性約束的變形結果, 如圖5所示。彈性約束的固定端也有少量下移, 這種下移將會與Y向的位移疊加, 疊加后的最大變形量?S=0.0647-0.0033=0.0614mm, X/Z向無明顯變形。結論表明, C型框架應用彈性約束時變形比剛性約束的變形略大, 但這個變形量并不影響鉚接機的鉚接精度?；趶椥约s束的C型鉚接框架的最大壓應力約為197.53MPa, 強度滿足要求。
分析C型鉚接框架剛性/彈性約束仿真結果可知, 剛性約束是的變形量和最大壓應力都小于彈性約束, 而彈性約束的結果與實際實驗結果更加接近。仿真結果表明, 傳統的剛性約束仿真結果誤差較大。
3 結語
(1) 采用CAE仿真方法對C型鉚接框架進行了剛度和強度校核, 校核結果與實驗結果基本一致, 解決了變截面C型鉚接框架的校核難題。
(2) 采用彈性支承對C型鉚接框架的固定端進行約束, 并將仿真結果與傳統的剛性全約束對比。結果表明, 彈性支承結果更接近實際情況。
(3) 彈性支承的作用點設置在網格節點的方法切實, 可行。
(4) 采用自由劃分的SOLID四邊型網格進行仿真分析, 精度和運算速度都符合工程計算要求。
摘要：為了解決C型鉚接框架剛度和強度的校核難題, 提出了采用ANSYS有限元CAE軟件對其進行強度和剛度的仿真校核。為了提高仿真結果的精度, 本文提出了采用彈性支承代替傳統的剛性支承約束C型框架固定端的方法, 采用自由劃分的SOLID四邊形網格。仿真結果表明, 采用彈性支承約束C型框架固定端的方法可行、精度高。
關鍵詞：C型鉚接框架,彈性支承,校核,剛度,強度
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