基于ANSYS Workbench 的安装误差测试台有限元分析

2022-08-08牛晓武

机械管理开发 2022年7期

牛晓武

（中国空空导弹研究院，河南洛阳 471009）

引言

安装误差测试台主要用于某型产品的安装误差性能测试，测试时承受产品及夹具的全部质量，并能保证发动机意外点火后产品被固定在测试台上而不离架，使其不对测试操作人员造成伤害，对周围的设施不造成大的破坏。测试台采用整体式结构，如图1所示。台体是测试台的承载基体，承受支撑梁、夹具以及被测产品的质量，通过螺栓与测试间地基连接。要求台体刚度好、变形量控制严格，既要满足安装误差测试的需要，又必须要有足够的强度和刚度。因此必须对测试台台体的受力状况进行分析。传统的设计方法多是根据类比和经验进行设计，需要较大的计算量且计算结果精确度不高。

图1 安装误差测试台结构简图

随着有限元技术的发展和应用，计算机辅助分析（CAE）越来越受到重视。ANSYS 软件集结构、流体、热、声学、电磁等于一体，可广泛应用于航天航空、机械制造、水利、土木工程等诸多领域的研究，可进行从线性、静态分析到非线性、瞬态分析等多种分析[1-3]。Workbench 把ANSYS 系列产品融合在仿真平台，为仿真模拟和设计提供了全新协同仿真环境，提高了仿真效率。

本文利用Pro/E 三维设计软件建立了测试台台体的三维实体模型[4]，利用Pro/E 与ANSYS 的数据接口，将模型导入ANSYS Workbench 中进行网格划分，设置好边界条件后，进行加载求解，得到台体的应力和应变分布情况，并对测试台与测试间地基之间螺栓的连接强度进行了理论分析计算。

1 ANSYS 有限元分析过程

1.1 前处理

1.1.1 导入几何模型

由于测试台台体形状较为复杂，利用ANSYS 自带的建模模块不方便建立准确的实体模型，且耗时较多。因此采用专业的三维设计软件Pro/E，建立测试台台体的三维模型，通过Pro/E 与ANSYS 的数据接口，可将该模型直接导入ANSYS Workbench 软件中进行分析。导入ANSYS Workbench 中的台体三维实体模型如图2 所示。

图2 台体三维实体模型

1.1.2 材料定义与网格划分

测试台台体材料选用Q235A 钢，材料的主要力学参数如下页表1 所示。ANSYS Workbench 软件在Engineering Data 项目栏中定义材料属性。

表1 材料的主要力学参数

网格划分是整个有限元分析过程中的重要步骤，是有限元分析结果正确与否的关键，目的是把求解域分解成可得到精确解的适当数量的单元。采用智能网格划分方式划分，在网格控制（Mesh Control）下定义尺寸（Sizing）和方法（Method）两个控制选项即可完成对网格的自动划分。网格划分后的台体有限元模型如图3 所示，划分网格后共计66 073 个节点、9 508 个单元。

图3 网格划分后的台体有限元模型

1.1.3 边界条件的确定与载荷施加

在前处理器中完成台体有限元模型的网格划分后，需要在求解器中对其定义约束和施加载荷。这些约束和载荷是在环境（Environment）工具条下进行的。

1）自由度约束：测试台工作时，台体通过底部的支撑座固定在测试间地基上，因此对台体的下横梁施加固定约束。

2）载荷施加：根据测试台的实际工作情况，产品发动机轴向推力不大于10 t。因此选择最大载荷Fmax作为初始载荷进行加载。对台体的上横梁中央部位施加Fmax。

1.2 分析求解与后处理

当设置好边界条件和施加载荷后，即可利用ANSYS 的求解功能进行求解。点击Solve 进行求解。在Solution 模块，插入Total deformation 和Equivalent Stress 可查看求解后的结果。台体应力、变形情况如图4、图5 所示。

从图4 可以看出，台体向左侧发生弯曲变形。从图5 可以看出，在台体上横梁的中间部位有应力集中，最大应力出现在上横梁的中间部位，这也与实际情况相符。在工作状态下，最大变形量约为0.3 mm，台体的大部分应力都在100 MPa 以下，最大应力值约为152 MPa，小于Q235A 钢的屈服极限许用强度[σ]，故台体的强度符合要求。

图4 台体变形量分布云图

图5 台体应力分布云图

1.3 螺栓连接强度的计算

台体与测试间地基的连接使用12 个M24 螺栓，所有螺栓均受到倾覆力矩M 的作用，因此对距结合面对称轴最远的螺栓进行强度校核[5]，其计算如下：

式中：Fmax为最大的工作载荷；z 为总的螺栓个数；Li为各螺栓轴线到底板轴线的距离；Lmax为Li中最大的值；M 为所受力矩。

由式（1）可求得螺栓承受最大的工作载荷Fmax。

螺栓材料强度等级为9.8，螺栓屈服强度σs=720 MPa；安全系数Ss=3；由，可求出螺栓许用应力[σs]=240MPa；由，其中FA为螺栓所受力，d1为螺栓直径，可求出台体与测试间地基间连接螺栓应力值σ=27.6 MPa。

由上述计算结果可知，σ≤[σs]，故螺栓的连接强度符合要求。

2 结论

利用三维设计软件Pro/E 建立安装误差测试台的三维模型，导入有限元分析软件ANSYS Workbench中。设置好边界条件和施加载荷，对测试台的受力情况进行了有限元分析，得出了在最大载荷作用下的变形和应力分布情况。通过分析得出了台体上横梁处为应力最大处，小于材料的许用强度，满足强度要求。因此在台体设计时在两侧进行了局部加强，并对测试台与测试间地基之间螺栓的连接强度进行了理论分析计算，连接强度符合要求。采用有限元分析的方法，为进行测试台的精确设计提供了重要的参考。该研究对于缩短设备研发周期与降低研发成本，具有一定的参考意义。