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技术文章
电子式万能试验机主机结构有限元分析
发布时间:2013-01-22 19:32:11
1 引言
试验机是检测金属和非金属物理性能的主要设备之一，主要用来进行金属和非金属材料的拉伸、压缩、弯曲和剪切试验，从而得出材料的力学性能指标。主机是试验机工作的执行元件，是直接影响试验机工作能力的关键组成部分，既要满足使用要求，又要降低设备的重量，节省成本。所以，非常有必要对试验机的主机进行有限元分析，并在此基础上进行优化设计。下面以广州澳金生产的“广工”牌WDW-20KN微机控制电子式万能试验机主机为例，利用ANSYS软件进行静力及瞬时动态有限元分析。
2 主机结构有限元分析结果
2.1 静力学分析
静力学分析结果云图如图6所示，由分析结果可见，中横梁和工作台两个位置的Z方向变形量最大约为0.15mm，该变形量对于试验机的拉伸试验精度影响较大，将会带来大约0.3mm的误差；丝杠处X方向的变形量最大，会形成S型的变形，虽然数值不大，但增加了丝杠螺母副传动的阻力；由于对称性，试验机的Y方向变形量较小，不影响试验的精度。弹性应变最大值处于支持丝杠的下圆锥滚子轴承与工作台的接触处，应变量很小，可以满足设计要求。应力最大处位于工作台和中横梁，最大值为92.72MPa，两个零件的材料为Q235A，没有达到材料的屈服应力，且安全系数较大。
通过静力学分析，发现影响试验精度的最大变形处出现在中横梁与工作台处，且与这二者相连零件Z方向变形量不大于7.5e—3mm，可见，是选用的材料影响了其Z方向的变形。虽然中横梁与工作台的材料满足许用应力要求，但未保证Z方向的扰度不影响结果，对两者的材料进行热处理，提高其抗弯强度或换用强度更高的材料。最大应力出现在载荷施加面与上下表面的相交之处，即放置试验夹具的位置，面积较小。对该位置进行圆角处理，减少应力集中，可以将应力减少到78MPa，但对于零件加工和试验夹具的安装提出了更高的要求。
2.2 瞬态动力学分析
传统的桌式或落地式试验机在拉伸试验试样（尤其是金属试样）断裂瞬间，试验机主机对地面产生轻微的震动。进行瞬时动力学分析时，主要研究载荷突然消失时主机对地面的振幅变化情况。由于拉伸试样断裂瞬时载荷突然消失，采用三个分析步进行计算，每个分析步的载荷不同。
第一个分析步进行稳态计算，在1s内逐渐施加载荷，系统达到平衡；在1.0s处载荷由5kN突然减低为0N，为第二个分析步骤载荷情况；第三个分析步载荷一直为0N，用于观察主机的动态变形情况。
瞬态动力学分析主要零件震动变形曲线见图7。图7显示的为工作台中点处Z方向的震动变形。分析一步结束后中横梁和工作台都处于平衡状态的最大变形，当载荷突然消失时，变形量立即减小，随后围绕平衡位置上下做有阻尼震动，振幅逐渐减小。两者的波动情况相互对称。主机对地面X方向的力很大，初始值为5243N且随着载荷消失而锐减，其后不断上下波动，但始终小于初始值；初始Z方向的力较小，其后产生波动最大变化量为1834.72N；由于对称性，Y方向的力相互抵消。
3 主机有限元分析
3.1 网格单元选取与材料特性
从主机零部件三维尺寸考虑，在有限元分析计算中，这些零部件选用实体单元solid45.该单元为8节点六面体单元，每个节点有3个平动自由度，对各种实体复杂界面有较好的逼近。由于所有接触都是面接触，选取CONTA174与TARCE170接触副单元处理这类面接触问题。
根据力传递路线确定参与结构分析的零部件。将不关心的结构在不影响计算精度的前提下进行剔除，保留了23个主要零部件并分别采用不同的金属材料。主机整体仿真外观如图2所示。
3.2 网络划分
采用人工划分与自动划分相结合方法对主机结构进行单元网格划分。由于试验机具有双向对称性，仅对其四分之一的模型进行有限元分析，并施加对称约束，将载荷减少为相应大小的四分之一。共划分41,449个节点，18,042个单元。单元网格划分后如图3所示。
3.3 接触副
机械产品零部件之间往往是通过紧固螺栓、轴承等接触方式相互连接，属于接触问题。由于接触力随相互接触零部件的变形程度而变化，而变形又由结构位移决定，所以通过力求位移的有限元分析不再是一般的线性问题，而是需要反复迭代计算的接触非线性的问题。本项目的主机结构共取17个连接副，如图4所示。
3.4 加载与约束
(1)约束
主机采用门式结构，故须约束左右支脚底面节点的位移
（2）载荷的施加
电子万能试验机主要进行拉力试验，利用有限元分析软件ANSYS对主机结构进行静力学有限元分析时，将试验力通过面载荷来加载到中横梁和工作台上。由于仅取了主机结构的四分之一做研究，故载荷的大小也减少为额定载荷的1/4。
4 主机受力框架结构
电子万能试验机主机一般采用门式框架结构（如图1所示），主要由上横梁、中横梁、工作台、丝杠、螺母副、主机立柱、导向块、立柱、压盘、传感器、电机、同步齿形带、带轮、轴承等组成。
工作原理：电机经同步齿形带和行星轮减速系统减速后，拖动滚珠丝杠副旋转，从而带动中横梁上下移动，完成试验。
5 结论
对于传统的桌式或落地式试验机，在拉伸试验突然卸载时，试验机对地面的震动，应该考虑是由于工作台变形震动对于底座的冲击产生的，而不是Z方向的力突变的原因。故减轻震动的方式和精力
试验机是检测金属和非金属物理性能的主要设备之一，主要用来进行金属和非金属材料的拉伸、压缩、弯曲和剪切试验，从而得出材料的力学性能指标。主机是试验机工作的执行元件，是直接影响试验机工作能力的关键组成部分，既要满足使用要求，又要降低设备的重量，节省成本。所以，非常有必要对试验机的主机进行有限元分析，并在此基础上进行优化设计。下面以广州澳金生产的“广工”牌WDW-20KN微机控制电子式万能试验机主机为例，利用ANSYS软件进行静力及瞬时动态有限元分析。
2 主机结构有限元分析结果
2.1 静力学分析
静力学分析结果云图如图6所示，由分析结果可见，中横梁和工作台两个位置的Z方向变形量最大约为0.15mm，该变形量对于试验机的拉伸试验精度影响较大，将会带来大约0.3mm的误差；丝杠处X方向的变形量最大，会形成S型的变形，虽然数值不大，但增加了丝杠螺母副传动的阻力；由于对称性，试验机的Y方向变形量较小，不影响试验的精度。弹性应变最大值处于支持丝杠的下圆锥滚子轴承与工作台的接触处，应变量很小，可以满足设计要求。应力最大处位于工作台和中横梁，最大值为92.72MPa，两个零件的材料为Q235A，没有达到材料的屈服应力，且安全系数较大。
通过静力学分析，发现影响试验精度的最大变形处出现在中横梁与工作台处，且与这二者相连零件Z方向变形量不大于7.5e—3mm，可见，是选用的材料影响了其Z方向的变形。虽然中横梁与工作台的材料满足许用应力要求，但未保证Z方向的扰度不影响结果，对两者的材料进行热处理，提高其抗弯强度或换用强度更高的材料。最大应力出现在载荷施加面与上下表面的相交之处，即放置试验夹具的位置，面积较小。对该位置进行圆角处理，减少应力集中，可以将应力减少到78MPa，但对于零件加工和试验夹具的安装提出了更高的要求。
2.2 瞬态动力学分析
传统的桌式或落地式试验机在拉伸试验试样（尤其是金属试样）断裂瞬间，试验机主机对地面产生轻微的震动。进行瞬时动力学分析时，主要研究载荷突然消失时主机对地面的振幅变化情况。由于拉伸试样断裂瞬时载荷突然消失，采用三个分析步进行计算，每个分析步的载荷不同。
第一个分析步进行稳态计算，在1s内逐渐施加载荷，系统达到平衡；在1.0s处载荷由5kN突然减低为0N，为第二个分析步骤载荷情况；第三个分析步载荷一直为0N，用于观察主机的动态变形情况。
瞬态动力学分析主要零件震动变形曲线见图7。图7显示的为工作台中点处Z方向的震动变形。分析一步结束后中横梁和工作台都处于平衡状态的最大变形，当载荷突然消失时，变形量立即减小，随后围绕平衡位置上下做有阻尼震动，振幅逐渐减小。两者的波动情况相互对称。主机对地面X方向的力很大，初始值为5243N且随着载荷消失而锐减，其后不断上下波动，但始终小于初始值；初始Z方向的力较小，其后产生波动最大变化量为1834.72N；由于对称性，Y方向的力相互抵消。
3 主机有限元分析
3.1 网格单元选取与材料特性
从主机零部件三维尺寸考虑，在有限元分析计算中，这些零部件选用实体单元solid45.该单元为8节点六面体单元，每个节点有3个平动自由度，对各种实体复杂界面有较好的逼近。由于所有接触都是面接触，选取CONTA174与TARCE170接触副单元处理这类面接触问题。
根据力传递路线确定参与结构分析的零部件。将不关心的结构在不影响计算精度的前提下进行剔除，保留了23个主要零部件并分别采用不同的金属材料。主机整体仿真外观如图2所示。
3.2 网络划分
采用人工划分与自动划分相结合方法对主机结构进行单元网格划分。由于试验机具有双向对称性，仅对其四分之一的模型进行有限元分析，并施加对称约束，将载荷减少为相应大小的四分之一。共划分41,449个节点，18,042个单元。单元网格划分后如图3所示。
3.3 接触副
机械产品零部件之间往往是通过紧固螺栓、轴承等接触方式相互连接，属于接触问题。由于接触力随相互接触零部件的变形程度而变化，而变形又由结构位移决定，所以通过力求位移的有限元分析不再是一般的线性问题，而是需要反复迭代计算的接触非线性的问题。本项目的主机结构共取17个连接副，如图4所示。
3.4 加载与约束
(1)约束
主机采用门式结构，故须约束左右支脚底面节点的位移
（2）载荷的施加
电子万能试验机主要进行拉力试验，利用有限元分析软件ANSYS对主机结构进行静力学有限元分析时，将试验力通过面载荷来加载到中横梁和工作台上。由于仅取了主机结构的四分之一做研究，故载荷的大小也减少为额定载荷的1/4。
4 主机受力框架结构
电子万能试验机主机一般采用门式框架结构（如图1所示），主要由上横梁、中横梁、工作台、丝杠、螺母副、主机立柱、导向块、立柱、压盘、传感器、电机、同步齿形带、带轮、轴承等组成。
工作原理：电机经同步齿形带和行星轮减速系统减速后，拖动滚珠丝杠副旋转，从而带动中横梁上下移动，完成试验。
5 结论
对于传统的桌式或落地式试验机，在拉伸试验突然卸载时，试验机对地面的震动，应该考虑是由于工作台变形震动对于底座的冲击产生的，而不是Z方向的力突变的原因。故减轻震动的方式和精力
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