基于SolidWorks的连接销座设计的强度分析

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随着机械设计技术的不断进步，随着计算机软、硬件水平的不断提高，数值计算科学的成熟，近年来各种CAD/CAM/CAE软件普遍集成了有限元法的思想，基本实现了设计、分析、制造一条龙的机械产品辅助设计制造体系。本文就某液压支架试验台一关键件的强度分析及由此完成的设计修改进行了叙述，适时预防了可能发生的安全隐患。
1 液压支架试验台总体样式及承载方式
该液压支架试验台采用了内加载框架式结构，总体外观如图1所示。

图1 液压支架试验台整体结构

试验时将液压支架安放于试验台内部，顶梁、底座是在压架试验中和液压支架直接接触部分，当系统施压时，力将通过框架上的4个销子进行传递，销子作为传力部件又将力传递到销座上再传给框架，所以销座的强度是否足够直接关系到试验台的设计质量和使用安全性。因此，对于精确完成后的三维实体模型，利用SolidWorks软件集成的COSMOSWORKS有限元软件对各主要部件进行了强度分析，其中销座的强度分析过程如下。
2 销座有限元分析参数定义
由于该件受力较大，设计时选用了ZG35Mn材料，分析过程中首先将该材料的弹性模量、泊松比、抗剪模量、张力强度、屈服强度、以及密度按照要求输入系统。参数值如表1所示。
表1 材料参数表

根据结构特性进行受力分析可以发现，零件的A面（图2）和顶梁紧密接触，两个零件通过两个销孔以及12条螺栓连接，B面上的孔用来安装插拔销子，所以，在A面及该面各孔上应施加完全约束；在销孔上根据销座的安装方向施加轴承载荷（如图3所示）。轴承载荷的大小取决于试验过程中采用的不同工况，该工况严格按照《MT312-2000液压支架通用技术条件》规范执行，该试验台要求最大承载2000 t，故而分析过程中从所有工况中选取销座最恶劣的工作状态完成。

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图2  销座受力面分析   

图3 销座约束与受力分析

    施加完合理约束以及载荷后，设置合理的网格参数，对实体进行分网操作，网格成功划分后即可执行有限元运算。
    3  销座有限元分析结果
    图4、图5分别是有限元分析过程结束后采集到的应力、位移结果。
     

图4  销座应力分析结果

图5  销座位移分析结果

    从图4分析结果可以看出，销座最大应力存在于B面和C面的转角处，此处初始设计时受到结构限制不能取更大的圆角，因而造成工作过程中产生较大的应力，最大应力值为996.2 MPa，而该材料的σs=345MPa，σb=570MPa,可见应力水平已经远远超过材料的屈服极限和强度极限，工作过程中将会发生不可预料的危险。
    图5显示出了销座受力后的变形情况。
    通过上述模拟分析,可见即使在静态载荷的作用下，结构已经处于非常危险的状态。如果考虑到试验过程中的反复打压试验，机件真正受到的载荷是疲劳载荷，还应进行疲劳强度校核。因此必须以此为依据重新更改设计。
    新设计中，首先把圆角半径加大，同时将两条加强筋的位置以及尺寸进行了重新布置，更改后重新进行上述分析，使得应力程度大幅度降低，而且降到了材料屈服极限以下。
    4  结语
    CAD技术是高效、直观的设计手段，CAE则是对设计参数进行检测的科学方法，在设计过程中，做到二者相辅相成、有机结合，必将起到事半功倍的设计效果。