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ANSYS在高速運動體安全分離裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用

文檔作者：譚小群顧立彬徐婭萍陳自立文檔來源：西北工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年01月04日
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· 現(xiàn)代設(shè)計與先進制造技術(shù)· 譚小群顧立彬徐婭萍等ANSYS在高速運動體安全?? 25
ANSYS在高速運動體安全
分離裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用
譚小群，顧立彬，徐婭萍，陳自立
(西北工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院，陜西西安710021)
摘要：采用三維設(shè)計軟件SolidWorks建立高速運動體安全分離裝置關(guān)鍵部件的三維實體模型，導(dǎo)
入ANSYS計算軟件對其進行有限元分析，為高速運動體安全分離裝置關(guān)鍵部件的優(yōu)化設(shè)計提供
了重要依據(jù)，既保證了設(shè)計要求，也縮短了設(shè)計周期。
關(guān)鍵詞：分離裝置；SolidWorks；ANSYs；有限元分析
中圖分類號：TB121 文獻標識碼：A 文章編號：1672—1616(2010)11—0025一O3
高速運動體運行前，必須對其各項性能、狀態(tài)
進行測試與檢查。但是，如果缺乏有效的安全保護
措施，在測試與檢查時由于運動體的狀態(tài)不穩(wěn)定，
常常會因為誤觸發(fā)，導(dǎo)致傷人等意外事故的發(fā)生。
為保證測試人員的安全，故在對高速運動體進行檢
測時，利用高速運動體安全分離裝置將高速運動體
鉤住，檢測完畢后自動打開釋放運動體，這樣有效
地解決了在檢測高速運動體時出現(xiàn)意外而引發(fā)的
安全問題。
在傳統(tǒng)的高速運動體安全分離裝置設(shè)計方法
中，多以靜態(tài)理論分析或模型實驗等方法來確定關(guān)
鍵部件的各種結(jié)構(gòu)尺寸，即首先用類比的方法設(shè)計
出其結(jié)構(gòu)、形狀和尺寸，之后再根據(jù)設(shè)計尺寸運用
材料力學(xué)的校核公式對其進行強度和剛度的校核
計算。如滿足要求，則采用；如不滿足要求，則增大
設(shè)計零件的結(jié)構(gòu)尺寸。這樣做，不僅浪費材料，還
延長了設(shè)計和研制周期。
目前，隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展和有限元分
析理論的日趨完善，有限元分析軟件得到了快速發(fā)
展。ANSYS就是基于有限元理論分析方法，通過
計算機的運算仿真，來獲得機械零件優(yōu)化設(shè)計結(jié)果
的一種CAE軟件。本文通過ANSYS計算分析軟
件，對高速運動體安全分離裝置進行了有限元分
析，在滿足要求的情況下，使得設(shè)計和研制周期大
大縮短。
1 高速運動體安全分離裝置結(jié)構(gòu)簡
介
高速運動體安全分離裝置以電動推桿為動力
驅(qū)動，經(jīng)齒條、齒輪傳動，帶動攔截鉤爪旋轉(zhuǎn)，從而
達到鉤住或釋放高速運動體的目的，進而有效保護
了測試員在測試時的安全。其結(jié)構(gòu)原理如圖1所
示。
1一電動推桿；2一齒條；3一齒輪；4一攔截鉤爪；5一觸發(fā)開關(guān)
圖1 高速運動體安全分離裝置結(jié)構(gòu)
2 關(guān)鍵部件的實體模型的建立
在高速運動體安全分離裝置的設(shè)計過程中，首
先用SolidWorks軟件建立了各個零部件的實體模
型，并按要求虛擬裝配成整機；再利用ANSYS軟
件對其關(guān)鍵零部件進行仿真分析，檢驗設(shè)計方案是
否滿足設(shè)計要求，進而進行優(yōu)化、修改。該裝置的
關(guān)鍵零部件主要有電動推桿、齒條、齒輪和攔截鉤
爪，它們的強度和剛度將直接影響到該裝置是否能
收稿日期：2010—03—29
作者簡介：譚小群(1960一)，男，山東濰坊人，西北工業(yè)大學(xué)副教授，主要從事機械電子的研究工作。
26 2010年6月 中國制造業(yè)信息化第39卷第1l期
安全可靠地工作，因此對其進行強度分析是十分必
要的。由于篇幅的限制，本文只針對攔截鉤爪進行
了有限元分析，并介紹了ANSYS軟件在靜強度分
析中的應(yīng)用。攔截鉤爪的實體模型如圖2所示。
圖2 攔截鉤爪的實體模型
3 攔截鉤爪有限元分析
3．1 ANSYS分析的一般步驟
ANSYS是基于有限元分析理論方法的通用分
析軟件，它主要包括3部分：前處理模塊、分析計算
模塊和后處理模塊?1?；贏NSYS靜強度分析
屬于ANSYS結(jié)構(gòu)分析中的靜力分析，即求解靜力
作用下產(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變_2j。
a．前處理階段(General Preprocesser，PREfy7)。
前處理主要包含定義屬性、建模和劃分網(wǎng)絡(luò)。
定義屬性包括定義單元類型、定義單元實常數(shù)、定
義單元材料屬性和定義單元截面【3l。建模有2種
方法：一種是轉(zhuǎn)換其他CAD的文件；另一種是直接
在ANSYS中建立實體模型。后一種模型的建立
又有2種方式：一種是以簡單的幾何模型組件布爾
運算做出想要的模型，稱為Top—Down；另一種是
建立點，再建線，然后合成面，合成體，稱為
Bottom —Up[引
。網(wǎng)絡(luò)化的方式分為2種：一種是由
計算機自動產(chǎn)生，稱為Free Mesh；另一種是通過人
工設(shè)置產(chǎn)生規(guī)則的網(wǎng)絡(luò)，稱為Mapped Mesh[5l。
ANSYS提供了豐富的單元類型和靈活的屬性設(shè)置
方式，可以定義各種材料、各種形狀的結(jié)構(gòu)模型。
b．計算階段。
計算階段包括設(shè)置邊界條件和求解。設(shè)置邊
界條件可以對模型施加自由度約束和施加荷載。
施加邊界條件的方式有2種：一種是施加于實體模
型上，另一種是施加于有限元素模型上。求解前可
以設(shè)置分析的種類及選項、荷載步驟選項。分析的
種類包括：靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析(Static)、模態(tài)分析
(Moda1)、用來計算結(jié)構(gòu)在頻率空間(Frequency
Domain)下的穩(wěn)態(tài)行為(Harmonic)、瞬時模擬
(Transient)、頻譜分析或隨機振動分析(Spec—
trum)、子結(jié)構(gòu)分析(Substructure)和屈曲分析
(Bucking)[ 。
c．后處理階段。
ANSYS對結(jié)構(gòu)求解完成后，剩下的工作就是
進行后處理。后處理有2種：通用后處理腳1
和時問歷程后處理POST26。PoST1用于靜態(tài)結(jié)
構(gòu)分析、屈曲分析及模態(tài)分析；P()S1、26用于動態(tài)
結(jié)構(gòu)分析，以及與時間相關(guān)的時域處理【 。
3．2 攔截鉤爪有限元分析的具體步驟
a．建立攔截鉤爪的實體模型。如圖2所示。
因為ANSYS軟件的建模功能不是很強大，故先在
專業(yè)CAD軟件SolidWorks上建好三維模型，再通
過ANSYS的轉(zhuǎn)換接口導(dǎo)人ANSYS中。具體操作
是：在SolidWorks軟件中建好模型后，點擊File控
件下Save a Copy選項，在Type項中選中Parasolid
(*～ 一t)，這樣就把(*．prt；*．sldprt)文件轉(zhuǎn)換
成了Parasolid(*～ 一t)格式，然后在ANSYS中點
擊File控件下Import選項，彈出下一級菜單，選擇
Parasolid，即可打開看到模型。選用三維20節(jié)點
的Solid95單元，采用智能網(wǎng)絡(luò)劃分方式，按照6級
精度對該構(gòu)件進行網(wǎng)絡(luò)劃分，可以得到14 549個
元素和24 130個節(jié)點。其材料為45#鋼，彈性模
量為2．06E11Pa，泊松比為0．3。調(diào)質(zhì)處理后，屈
服極限應(yīng)力為370MPa。網(wǎng)絡(luò)劃分后的攔截鉤爪
模型如圖3所示。
圖3 網(wǎng)絡(luò)劃分后的攔截鉤爪模型
b．邊界條件的設(shè)置。ANSYS將邊界條件區(qū)分
為5大類：自由度的約束(DOF Constraints)、集中
式負載(Force Loads)、表面負載(Surface Loads)、
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內(nèi)部負載(Body Loads)和慣性負載(Inertia
Loads)l8 J。攔截鉤爪通過銷軸連接在箱體上，銷軸
與攔截鉤爪又用對稱設(shè)置的兩個鍵連接，故可以將
銷軸與攔截鉤爪的接觸面設(shè)為全約束，如圖3所示
的曲面1，2。高速運動體與攔截鉤爪為面接觸，接
觸面為攔截部分后背面，經(jīng)仿真和實際檢測，表面
壓力載荷約為4 032 710Pa?？紤]到實際環(huán)境的復(fù)
雜性和攔截鉤爪的疲勞腐蝕，加上一定的安全因數(shù)
1．5，施加到面上的壓力載荷約為6．049E6Pa，如圖
3所示的曲面3，其13身重力為23．44N。由于攔截
鉤爪的自重相對較小，可以忽略不計。載荷與約束
施加完成后，點擊Solution控件中的solve選項進
行求解運算。
經(jīng)ANSYS計算結(jié)束后，通過General Postproc
(POST1)進行結(jié)果查詢，一般結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析會看到
結(jié)果數(shù)據(jù)有3種：變形、應(yīng)力與應(yīng)變和反作用力。
該構(gòu)件的分析結(jié)果可查看應(yīng)力、應(yīng)變云圖。
在顯示應(yīng)力或應(yīng)變圖時，有2種方式：Nodal
Solution和Element Solution。Nodal Solution會將
數(shù)據(jù)在節(jié)點的地方做平均處理，所畫出來的應(yīng)力或
應(yīng)變圖其數(shù)據(jù)是連續(xù)的；而Element Solution不做
平均處理，數(shù)據(jù)在元素與元素之間會呈現(xiàn)不連續(xù)的
情況。
攔截鉤爪的分析使用POST1以Nodal Solu—
tion方式觀看該構(gòu)件的應(yīng)力圖和應(yīng)變圖，如圖4和
圖4 應(yīng)力圖
圖5所示。由圖中找出其最大應(yīng)力是277MPa，小
于45#鋼的屈服極限370MPa；其最大應(yīng)變是
0．001 347mrn，也在允許的應(yīng)變范圍內(nèi)。
圖5 應(yīng)變圖
通過上面的計算分析可知，用ANSYS分析攔
截鉤爪的靜力學(xué)特性，方法簡單、計算迅速，得到的
應(yīng)力應(yīng)變云圖準確、形象、直觀。
4 結(jié)束語
本文通過SolidWorks軟件對攔截鉤爪進行實
體建模，簡單快捷，再通過ANSYS的轉(zhuǎn)換接口，導(dǎo)
入ANSYS計算軟件中進行靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析，得到該
構(gòu)件的應(yīng)力應(yīng)變云圖，進而得出詳細的應(yīng)力、應(yīng)變
情況，為攔截鉤爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了強有力幫助，
從而大大提高了設(shè)計水平，縮短了設(shè)計周期。
參考文獻：
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[4] 劉濤，楊鳳鵬．精通ANSYS[M]．北京：清華大學(xué)出版社，
20H02．
[5] 陳曉霞．ANSYS7．0高級分析[M]．北京：機械工業(yè)出版社，
2004．
The Application of ANSYS in Structure Design of Breakaway Device of High Speed Object
1’AN Xiao—qun，GU Li—bin，XU Ya—ping，C N Zi—li
(Northwestern Polytechnical University，Shaanxi Xi’an，710072，China)
Abstract：It creates the 3D mod el of a key part of the breakaway device of high speed object based on So lid—
W orks，and imports the model into ANSYS for analysis．The simulation provides the theoretical basis for de—
signing the key parts of the breakaway device of high speed object，meets the demand of the design，shortens
the period of design．
Key words：Breakaway Device；So lidW orks；ANSYS；Finite Element Analysis

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