曳引机机座和端盖有限元结构分析毕业设计(编辑修改稿)

曳引机机座和端盖有限元结构分析毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

盖 2D 零件图 曳引机的机座和端盖的二维零件图分别如下图 和 所示： 图 曳引机机座零件图 7 图 曳引机端盖零件图 Solid Works 建模工程流程 根据零件图，利用 Solid Works 2020 软件进行产品的三维设计，必须先了解该软件的设计工作流程，就是说在设计零部件的过程中需对零部件形成的形成过程有一个比较流畅的设计思路，明确先大局，后小节；先整体，后细节的产品形成流程。 使用 Solid Works 2020 进行三维设计，同时，按照软件设计的产品设计流程进行一步一步的建立。 在对 Solid Works 2020 中的零部件进行建模中，在总体上可以将其分为以下流程进行建立，如图 23 所示： 8 图 Solid Works 建模工程流程图 曳引机整体受力和 3D 模型 该曳引机主要受重力作用，轮毂上受到电梯桥厢对它的拉力和转动产生的力矩，转子上电磁作用产生的力矩和定子上产生的反作用力矩。 曳引机整体安装在工字钢梁上，包括曳引机转子环、转子、曳引轮、后端盖、前轴承外盖、转轴、前轴承、后轴承、花键、螺钉、机座、工字钢梁等主要部件，部件中的修饰或装配圆角、导角等非结构性设计被简化。 曳引机整体安装网格化 曳引机有限元网格模型采用二阶实体四面体单元划分网格方式，并生成其爆炸视图。 装配中为了简化模型，端盖和机座采用“结合”的连接方式 ，既不影响结论的得出，又节省计算时间，其他部分的接触采用的面面结合的接触方式，从而保证总装图的各个部件之间能够进行有效的约束。 边界条件施加情况如下，工字钢梁两端面的 6 个自由度均被约束住，施加在曳引轮、定子转子环上的扭矩以及加在曳引轮上的压力通过耦合到中间轴的方式进行加载。 零件 1 零件 2 零件 3 零件 n 参考几何体 特征 材质 表面素材 灯光和照相机 参考点 参考轴 参考平面 总装图 9 第三章 结构静力学分析 线性静力学分析基础知识 静力学分析概述 结构线性静力学分析是零件结构分析最基础的部分，用于计算系统在固定不变的载荷下的响应，或者在对于该系统可以等同于固定不变的载荷下的响应。 另外，当随时 间变化的载荷可以用近似等价的静力载荷来代换，或者载荷和系统的响应随时间变化足够缓慢时，也可以作为静力学分析。 静力学分析可以计算结构或者零部件中由于静态或者稳态载荷而引起的位移，应变，应力和各种力。 这些载荷可以是外部作用力和压力，稳态惯性力（重力和离心力），强制（非零）位移，温度（热应变）。 线性静载中认为材料在线弹性范围内变形，结构在线性范围内变化，排除任何的非线性行为，是结构静力学分析中最基本、最常用的。 Solid Works 2020 有两类解算器： FFE Plus 和 Direct sparse。 通常，如 果所需的解算器选项支持，则所有解算器会给出可比较的结果。 处理小问题时（ 25000个自由度或更少），所有的解算器都很有效；而当求解大问题时，它们的性能（速度和内存使用）会出现很大差异。 以下一些因素可帮助选择合适的解算器： 1） 问题的大小。 一般而言 FFE Plus 解算器在计算机可用内存足够多时速度较快。 2） 计算机资源。 Direct sparse 解算器在计算机可用内存足够多时速度较快。 3） 分析选项。 4） 单元类型。 5） 材料属性。 当模型中使用的材料弹性模量差异很大时（比如钢和尼龙），迭代求解比直接求解精度低，在这种情况下，推荐 使用 Direct sparse 解算器。 在算例的属性栏中可以选择解算器的类型，如图 所示。 因为选择合适的解算器需要一定的经验，这时可以选择自动，在不确定哪个解算器是分析的最佳选项时，使用该选项 [6]。 10 图 Solid Works 2020 解算器类型 静力学分析的一般流程 做结构静力学分析的软件很多，对 FEA，列出以下步骤： 1）建立数学模型，2）建立有限元模型， 3)求解有限元模型， 4）结果分析。 使用 Solid Works 操作流程一般归纳为如图 所示： 图 静力学分析流程图 通常情况下，几何模型对网格的要求有着极其重要的意义，需要修改 CAD几何模型，以满足网格划分的要求。 这种修改可以通过采取特征消隐、理想化或清除的方法。 建立 3D 模型 开始静力学分析 赋予材料属性 添加约束关系 施加外界载荷 划分单元网格 运行 计算算例 查看结果文件得出结论 11 机座及端盖的有限元仿真 材料类型 Solid Works 2020 软件本身提供了 Solid Works DIN material 和 Solid Works material 两种常用材料的材质库，用户可以选择“自定义材料”选项或安装企业需要的材料库，对所需材料的 属性进行编辑或定义。 本次设计分析，采用 QT40018 和 HT300 两种材料，其主要属性参数见表 表 材料属性参数表 单元类型 为模拟机座和端盖的结构，均应用 Solid Works 2020 建模工具，采用三维实体、自下而上分别建模，由于一阶单元组成的网格，其模拟出真实复杂的位移和应力场是有严重局限性的，并且直线和平面不能正确的模拟曲面型几何形状，故选用二阶实体四面体单元网格。 本次设计结合拉伸和旋转的方法 ,应用布尔运算 ,采用实体建模 .曳引机的主要部件均有复杂的空间结构 ,如不进行简化处理 ,分析过程中不仅工作量大 ,占用较多计算资源 ,重要的是在划分单元过程中一些细微的结构极易产生较多奇异单元 ,即畸形单元网格，使计算不能继续。 因此 ,对 三维模型进行必要简化既提高了工作效率 ,又可使计算顺利进行。 简化的原则是以不影响或少影响构件受力状况为前提 ,略去小的沟槽、倒角、圆角和小孔等细微结构 ,得到与实际受力基本相符的简化的几何模型，如图 所示： 模拟材料类型 质量密度 kg/mm^3 弹性常数 E/N/m^2 泊松比 μ 强度极限σ/ aMp 屈服极限σ/ aMp QT40018 +011 400 250 HT300 +011 300 220 12 图 机座和端盖简化模型 网格划分 网格划分是 CAE 软件进行模拟计算的关键步骤之一，网格划分过程即离散化过程，网格划分的质量精度高低直接关系到分析结果的优劣，而网格自动划分的关键是合理给出自动划分信息，可以根据要求选用不同的网格划分方法，也可以根据要求灵活地控制生产的单元数量以 及网格的密度，从而提高求解精度。 根据曳引机机座和端盖的受力情况和几何形状，对于机座和端盖两部分有限元模型均采用了二阶实体四面体单元网格，采用“基于曲率的网格”的划分方式，应用网格控制，对必要的部分进行网格加密，从而提高计算精度，同样计算所需的时间也相对较长。 其有限网格模型及相关信息分别如图 和 所示： 13 图 机座及端盖的有限元网格模型图 图 机座的有限元网格控制加密模型图 为模拟机座和端盖之间实际的装配和相互约束关系，对于曳引机机座和端盖两部件的有限元模型，为了简化模型，在装配接触 面上设定“结合”连接，装配后的有限元模型如图 所示： 14 图 机座和端盖的装配模型 载荷及边界条件 整体受力 根据曳引轮受力状况及曳引机整体结构，推出在曳引机正常运行中（此时忽略制动器对结构的约束作用）整机受力状况，按理想约束与加载，确立了简化的力学模型，如图 和 所示： 图 曳引轮受力示意图 15 图 曳引机整机受力简化模型 其中       2212222x s i nc o s   TTTpPP y )c o s ( )s in (a r c t a na r c t a n 2 21     T TTpP XY 2)( 121 DTTMe  Pl llRF 2 21 , PllRC 21 根据实际载荷（轿厢按 125%额定载荷加载）及曳引机结构知：当轿厢平稳 运行时， kgfT 13001  , kgfT 9002  , mmD 4041  , 150 , mml 271  , mml 1402  从而有： kNP  , 24 , mkNMe  , kNRF  , kNRC  当电梯启动和停车过程中，轿厢有向下的加速度 2/ sma  ，考虑其产生的附加惯性力，则： kNT  , kNT  . 从而有 : , KNP   , mkNMe  , kNRF  , kNRC  其余参数同上。 16 机座和端盖的约束及受力 机座和端盖的约束主要是机座下底面及底脚螺栓孔处受到的螺栓的约束和机座与端盖装配时的面面结合约束，载荷则主要来自于机座轴承和端盖轴承处对应于轮毂和轴所受约束的径向反力，分别为 FR 和 CR ；及机座上定 子铁心装配处用于约束定子铁心的切向力矩为 Me。 有限元模型的加载和约束 根据上述受力状况，对于装配后的曳引机支承部件（机座和端盖）有限元模 型，在机座底脚螺栓孔处施加固定约束，在机座和端盖连接处施加面面粘合或面面接触约束。 有三组载荷施加于该装配模型上： （ 1）机座轴承装配处相应部位的轴承载荷分布力，对于电梯平稳运行和加速 运行，均值分别为 aMP 和 aMP。 （ 2）端盖轴承装配处相应部位的轴承载荷分布力，对于电梯平稳运行和加速 运行，均值分别为 aMP 和 aMP。 （ 3）机座定子铁心装配处沿圆周表面的切向面均布力，其值为 aMP 和 aMP。 有限元模型的加载和约束情况如图 所示 : 17 图 有 限元模型的约束和加载 应力应变及安全性能分析 机座及端盖采用 QT400 材料 对装配的支撑部件的有限元模型，按相应的材料常数及曳引机平稳运行和加 速运行两种工况下的加载状况，进行应力应变分析，得到其受力后的应力、应变、位移和安全系数状况。 本分析从计算结果中提取位移量和 von Mises 应力进行分析，从而评估其强度和刚度。 1 机座及端盖装配体分析 1）平稳工况下的位移分析 以下为曳引机受 125%额定载荷平稳运行中机座和端盖装配模型的位移分布云图。 由图 中可知， 位移 最大位置在机 座顶部前端，其值为 mm。 2）平稳工况下的应变分析 由图 可知其受力后的变形状况， 应变 最大处在机座后地脚螺栓连接处。 18 图 机座及端盖位移量分布云图（曳引机 125%载荷平稳运行，材料 QT400） 图 机座及端盖应变情况（曳引机 125%额定载荷平稳运行，材料 QT400） 19 3）加速工况下的位移及应变分析 曳引机受 125%额定载荷以 2/ sma  加速运行中机座和端盖装配模型的位移、应变分布云图状况如图 和 所示。 由图中 可知，位移最大的位置在机座顶前端，其值为 ，与平稳运行时的 mm，相差%。 图 （曳引机 125%额定载荷加速运行，材料 QT400） 20 图 机座及端盖应变情况（曳引机 125%额定载荷加速运行，材料 QT400） 图 125%额定载荷平稳和加速运行两工况下端盖的最大位移分布状况，其中最大值分别为 和。 由图 可知，最大值发生在机座顶前端。