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鋼絲繩拉力試驗機主框架設計與優化

發布時間:2023年07月06日

1 前言

世界上許多國家已經建立了鋼絲繩性能的相關測試標準[1],在測試鋼絲繩的過程中,已經探索了各種鋼絲繩測試的測試方法[2],目的是準確地反映鋼絲繩的整體性能[3],本文就是以提高鋼絲繩試驗的準確性為目標,針對鋼絲繩等長試件拉力試驗機的主框架進行設計與研究。

2 機械結構設計概述

機械結構的設計應符合產品的功能需求,并保證結構設計的可靠性、工藝的合理性以及成本的最低化[4],同時還需兼顧機械結構受力不均等問題,所以對于機械結構的設計需要全方面考慮[5]。

主框架是整個機械結構中關鍵性的承載部件,框架的整體力學性能對拉伸試驗結果有直接的影響。本文鋼絲繩拉力試驗裝置采取單缸雙拉桿結構,利用此結構將液壓缸的推力轉化為對鋼絲繩的拉力。其優點是:它可以確保拉伸試驗具有更好的對中性,無偏心載荷,并且水平框架結構的穩定性良好,并且易于加工和拆卸試件[6]。對于試驗機主框架的設計,主要圍繞以下內容:

1)鋼絲繩等長試件在拉伸過程中主框架的實際受力情況;

2)合理制定框架內各鋼板的布置形式,并在關鍵位置設置加強筋,使主框架滿足滿載時的變形要求。

3 框架結構設計

3.1 液壓缸安裝框架設計

液壓缸安裝框架用于安裝液壓缸,承受液壓缸的反作用力,液壓缸安裝框架采用焊接方式,鋼板材料均采用Q345B。在液壓缸安裝框架中,底部的焊接鋼板用于找平并用地腳螺栓與地基連接,同時在框架中還要留有安裝液壓缸和拉桿的孔。加工時要確保液壓缸及拉桿孔的中心線在同一水平面上,液壓缸安裝框架的高度要根據液壓缸的尺寸所決定。由于液壓缸安裝框架直接與液壓缸相連,承受的反向力較大,故在其主要受力面上焊加強筋板。液壓缸安裝框架的結構以及加強筋的布局如圖1所示。其中上鋼板、下鋼板、以及加強筋板都采用厚度為30mm的Q345B鋼板。

3.2 中間框架設計

中間框架是由4個短框架用螺栓拼接而成,用于連接液壓缸安裝框架與框架尾座,每個短框架的下部都與支撐架用螺栓相連,中間框架總長為8m,在保證框架整體強度的情況下,應盡可能的縮小整體尺寸,如圖2所示,在試驗機拉伸試件的過程中,主要承受液壓缸安裝框架以及后橫梁的壓力,隨著載荷的逐步施加,框架整體會向兩邊產生一定的外張力,因此在裝配過程中必須嚴格保證中間框架的水平度,以免翹偏。

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圖1 框架結構圖   


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圖2 中間框架結構圖  


4 主框架有限元分析

4.1 框架模型的輸入以及網格劃分

由于從主框架中無法提取出規則的橫截面和確定的斷面系數,所以很難用材料力學方法去求解,因此針對主框架這種大型的結構件[8],需要利用有限元分析軟件ANSYS Workbench進行力學分析。

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圖3 網格劃分情況   


ANSYS Workbench中的自動化分網格功能可以保證網格在高質量的條件下自動生成形狀和特性較好的元素[7],并且可以自動調整網格的密度以滿足具有高精度要求的區域。劃分網格的方法有很多種。圖3為主機框架的網格劃分情況,劃分后的節點總數為288832,單元總數為169902。

4.2 載荷及約束的施加

在主框架中,液壓缸安裝框架承受液壓缸的支反力,中間框架上的插銷孔承受鋼絲繩的拉力,故在液壓缸與安裝框架的接觸面上進行縱向加載,方向指向框架內部,由于在拉伸過程中,主框架受力復雜,包括壓力、摩擦力、附加力等,但以壓力為最大,其余力遠小于壓力,因此忽略其它力的影響,只取壓縮力為外載荷,施加10000kN的力(按最大試驗力分析)。主框架與地基通過地腳螺栓固定,因此地腳處采用固定約束。

4.3 有限元結果分析

通過ANSYS Workbench求解上述有限元模型,得到拉力機主框架的應力云圖和總變形云圖,如圖4和5所示。從應力云圖中可以清楚地看出等效應力值最大為1456.6MPa,并且發生在中間框架的插銷孔處,此插銷孔的主要作用是連接中間框架與后橫梁,一旦插銷孔處承受的最大載荷超過了其周圍材料的屈服強度,那么在插銷孔附近將會發生塑性變形,甚至出現裂紋或斷裂,因此需要在插銷孔處進行結構優化。

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圖4 框架應力云圖   


從框架變形云圖中看出主框架的總變形量最大為12.159mm,超過了規定的最大變形量即10mm,最大變形位于液壓缸與液壓缸安裝框架接觸的位置,出現該現象的原因是中間框架與液壓缸安裝框架接觸面積較小,造成此處應力集中,因此需要對液壓缸安裝框架進行必要的結構優化。

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圖5 框架變形云圖   


5 主框架結構優化

根據金屬材料拉伸試驗標準得知:本文試驗機的變形量要控制在合理的范圍內即小于總變形量的0.5%,因此針對上述主框架中存在的一些問題進行局部結構優化,如圖6所示為結構優化后的主框架。關于插銷孔處應力偏大的問題,解決措施是在中間框架上的四個插銷孔附近布置環形加強筋,從而提高了局部抗壓強度。針對液壓缸安裝框架下部總變形量稍大的問題,采取的優化措施是將液壓缸安裝框架與中間框架之間的加強筋板改為橫梁結構,目的是增加受力面積,減少應力集中,降低接觸處的應力。

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圖6 優化后的框架模型 


將結構優化后的主框架模型也導入ANSYS Workbench進行應力和變形分析。圖7和圖8分別顯示了優化后框架的應力云圖和變形云圖。圖7顯示了結構優化后框架的等效應力最大為342.86MPa,盡管最大應力仍然出現在中間框架的銷孔附近,但應力值小于材料的屈服強度。因此,框架所受應力均在材料的允許應力范圍內,從而得出以下結論:結構優化的主框架滿足強度和剛度要求。

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圖7 優化框架的應力云圖 


從等效變形云圖8中可以看出,結構優化后主框架的最大變形量為4.268mm,出現在液壓缸安裝框架與液壓缸的接觸區域,其變形結果符合要求。因此結構優化后的主框架滿足變形量要求。

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圖8 優化框架的變形云圖   


圖9顯示了結構優化后的主框架基于失效準則的安全系數(其中安全系數是指工程結構設計方法中用以反映結構安全程度的系數),安全系數低于1即表示材料失效,安全系數較大即表明此處應力較低,從圖中可以看出除少數應力集中處的安全系數為1.0062,如插銷孔、中間框架與液壓缸安裝框架的接觸區域,其他位置的安全系數均分布在5~15范圍內。同時在裝配時務必保證主框架各部件間的相對位置關系。

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圖9 優化后主框架安全系數   


通過對主框架結構的優化,雖然改善了整個機架的力學性能,但是由于局部加強筋板數目的增多,使得整個機架的質量也相應的增加,由原先的3700kg增至4100kg,增加了10.8%,同時,鋼板數量的增加,加大了焊接的難度,并導致焊后的殘余應力較大,針對這一問題需要操作者在焊接過程中盡量使用小電流,減少熱量輸入,盡量對稱焊接,從中間往兩邊,分段退焊,并且焊后熱處理消除內應力。

6 結論

通過對拉力試驗機主框架的設計研究,可以得到如下結論:利用ANSYS對拉力試驗機的三維模型進行有限元分析,可得初始框架的最大應力值為1456.6MPa,最大變形量為12.159mm,通過對局部區域優化后,將主框架的最大應力降低為342.86MPa,最大變形量降低為4.268mm,從仿真結果來看,優化后的框架結構符合了強度和剛度要求。


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