基于ANSYS的牵伸机箱体结构有限元分析与改进.doc

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1、基于ANSYS的牵伸机箱体结构有限元分析与改进以牵伸机的箱体为研究对象，通过Ansys有限元分析软件对其进行结构分析，分析了产生应力集中的区域以及箱体变形的位置。并根据分析的结果提出了合理的解决方案，为今后的箱体设计工作提供了参考。1前言   日产100t涤纶后处理联合机的工艺流程为：集束架→导丝机→浸浴槽→第一牵伸机→水浴牵伸槽→第二牵伸机→蒸汽加热箱→紧张热定型机→冷却喷淋装置→第三牵伸机→叠丝机→三辊牵引机→张力机→卷曲预热箱→卷曲机→铺丝机→上油机→松弛热定型机→导丝组件→曳引张力机→切断机→打包机。从工艺流程看，各单元机离不开传动箱体，而牵伸机箱体是大型

2、的钢件焊接箱体，长宽高约为4×1.5×2.5m，重十几t，牵伸机箱体工作中承受几十t的牵伸力，并且牵伸设备受力为悬臂状，而且悬臂较长，受力条件比较恶劣，如图1所示。图1牵伸机设备   箱体是牵伸机的主体，如何保证大型牵伸机传动箱体的强刚度是设计的关键。通过利用有限元方法，对其进行结构分析计算，分析箱体的应力分布和变形情况，保证设备运转的可靠性，降低制造成本。2用Ansys对牵伸机箱体进行结构分析2.1牵伸机箱体分析模型   有限元分析的精度，主要取决于有限元计算模型，模型必须如实反映箱体结构的力学特征，所以模刑化的基本原则是在硬件可以承受的情况下，尽量细分网格，使

3、有限元模型尽量与箱体几何模型一致。此次分析的结构为由钢板焊接而成的箱体，在分析中假设所有焊接良好，没有焊接缺陷，在建模时作为一个整体。在Ansys中，定义箱体的板和加强筋定义为板壳单元Shell63，轴承座由实体单元Solid45组成。板壳单元Shell63具有模拟弯曲和拉伸(压缩)能力，该单元具有6个自由度，绕X、Y、Z轴的转动和平动。Solid45为三维实体单元，由8个节点组成，该单元具有3个自由度，即X、Y、Z轴的平动。   通过有限元分析，使箱体上应力最大值不超过75MPa，变形量为0.3mm。   建立的模型如图2所示。材料特性：材料为Q235-A，密度

4、为7.85×103kg/m3，泊松比为0.26，杨式模量200GPa。图2箱体模型2.2载荷   牵伸机箱体主要承受7个辊筒通过轴承座对箱体的压力，而且作用力较大，有的达到几十t，每个轴承座上的受力都不一样，针对牵伸机的受力状况将丝束作用在辊筒上的力换算到箱体支承孔上，其在X和Y轴的受立方向和受力情况如图3和图4所示。图3前轴承受力方向   图4后轴承受力方向表1各轴承受力分解后的情况   各轴承受力分解后的情况见表1所示。2.3有限元计算分析   Ansys程序可以分析大型三维模型，Ansys软件是融结构、流体、电磁场、声场和耦合场分析于一体的大型通用有限元分析

5、软件，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换。通过用Ansys对箱体进行分析，并确定结构中由此产生的应力、应变和变形。   我们利用Ansys有限元计算分析软件对箱体模型进行网格划分见图5所示。图5箱体网格划分模型   箱体上的应力分布如图6所示。   由图6分析，应力最大的地方是与轴承相连接的箱体和加强筋，其最大值232MPa，可考虑增加加强筋的厚度，改善应力分布情况。   箱体的变形如图7所示，变形较大的位置仍是与轴承相连接的箱体和加强筋，最大变形量为0.526mm。图6箱体应力分布          图7增加加强筋后箱体变形3防止箱体变形的对策3.1

6、改进箱体变形方案一   根据以上的分析结果，受力最大的地方为加强筋，其最大值为232MPa，而加强筋的材料为Q235-A钢板，其屈服极限为235MPa，由此可见，加强筋的应力值已经接近其屈服极限，并且箱体变形最大的地方在与轴承相连接的箱体和加强筋上，最大变形量为0.526mm。为了降低应力和减小最大变形，可以先考虑增加箱体和加强筋的厚度的方法。表2是箱体钢板厚度变化情况。表2改进前后箱体各部位钢板厚度                                                                                   

7、            单位：mm   箱体钢板厚度增加后，再用改进前的方法对箱体进行加载箱体上的应力分布如图8所示。   由图8分析，应力最大的地方仍是与轴承相连接的箱体和加强筋，其最大值为82.4MPa，由此可见箱体钢板厚度改变后，应力减少很多。   箱体的变形如图9所示，变形较大的位置仍然是与轴承相连接的箱体和加强筋，最大变形量为0.414mm，这说明箱体钢板厚度改变后，箱体的变形并没有明显改变，仍需对箱体结构进行调整。图8箱体钢板厚度增加后盈利分布         图9改进一得箱体变形情况3.2改进箱体变形方案二   根据改进一的分析结果，受力最大的地方仍

8、在与轴承连