各種標準化零部件在設(shè)備設(shè)計時被大量而頻繁地采用，如螺紋緊固件、滾動軸承、油杯和支座等，這些標準化零部件一般參變量多、規(guī)格品種齊全，其結(jié)構(gòu)、尺寸可在有關(guān)標準中直接查取，因而大大方便與簡化了設(shè)計過程。由于受其幾何參數(shù)多且相互間的制約關(guān)系復雜、標準建立時實驗與研究條件的限制等諸多因素的影響，致使現(xiàn)行零部件標準中的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)置不盡完備合理。利用集成于Inventor中的應力分析模塊，通過對A型耳式支座（JB/T4725－1992）的標準結(jié)構(gòu)進行有限元分析并找出問題，再對其有關(guān)參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，以期該標準部件的系列參數(shù)的設(shè)置更科學、使用成本更低。

1 支座的參數(shù)化造

圖1 參數(shù)表名稱及表達式修改

    支座零件創(chuàng)建完成后，切換到應力分析環(huán)境中，首先“指定材料”。設(shè)計選取Q235A型碳素結(jié)構(gòu)鋼作為支座的材料。但由于系統(tǒng)現(xiàn)有材料庫中并未提供此材料的樣式，因此需要自定義材料。單擊“管理”＞“樣式和標準”面板＞“樣式編輯器”選項，打開[樣式和標準編輯器]對話框，展開左側(cè)材料項，在其中選定相近的現(xiàn)有材料，便可激活“新建”按鈕，創(chuàng)建名稱為Q235A的新材料樣式。隨后輸入Q235A的彈性模量為206 GPa； 泊松比為0.28； 屈服強度為235MPa 及極限拉伸強度為375 MPa 等物理參數(shù)。這樣，Q235A 的材料就被定義并保存在該模型中，接著便可以指定Q235A作為支座零件的材料了。

    設(shè)加強墊板內(nèi)圓柱面的壓力為0.1MPa(表壓)，查標準JB/T4725－1992 可知：5號A型耳式支座本體允許載荷為100 kN。首先點擊“載荷”面板＞“壓力”選項，指定承載“面”為加強墊板內(nèi)圓柱面，載荷“大小”為0.1 MPa。再點擊“力”選項，指定底板下端面作為受力“位置”，力的“大小”為100 kN。選取“準備”面板＞“網(wǎng)格設(shè)置”，通過有關(guān)參數(shù)設(shè)置來指定網(wǎng)格的大小和粗略度，網(wǎng)格越小越反映真實模型，但所需的仿真時間越長。點取“網(wǎng)格視圖”項，便將網(wǎng)格設(shè)置應用于零件中，同時產(chǎn)生圖形化的網(wǎng)格表達（見圖2），并將在圖形區(qū)域的左上角顯示節(jié)點和元素數(shù)。接著開始仿真“分析”，在彈出的“分析”對話框中點擊“運行”后，進度欄便動態(tài)顯示仿真運行的進度。仿真完成后，生成.png 圖像和.html的文件。通過瀏覽器的“結(jié)果”節(jié)點可查看應力、位移、安全系數(shù)等結(jié)果。由圖3可見， 支座的最大Von Mises 應力為235.5 MPa， 發(fā)生在肋板根部與加強墊板的連接處，其值略高于屈服強度。底板產(chǎn)生最大位移為0.3059mm。

圖2 支座結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格表達 1.加強墊板 2.底板

3 支座結(jié)構(gòu)的改進設(shè)計及優(yōu)化

    3.1 支座結(jié)構(gòu)的改進設(shè)計方案

    結(jié)構(gòu)1：將底板加寬5mm，從而使底板與加強墊板之間間隙減小5mm。

    結(jié)構(gòu)3：將肋板根部向下延伸，其延伸長度取為底板厚度的2倍即為32mm（見圖4（b））。

圖4 支座結(jié)構(gòu)設(shè)計方案 1.肋板延伸部分

    將以上4種結(jié)構(gòu)分別進行應力分析， 生成html擴展名的仿真分析“報告”。表1是對“結(jié)果概要”部分所作的對比分析。由表1所示，結(jié)構(gòu)1、2及3的各項指標基本上都劣于標準結(jié)構(gòu)。但結(jié)構(gòu)4的應力及位移的最大值則顯著降低、安全系數(shù)則明顯提高。因此，對標準A型耳式支座而言，僅需要將兩肋板之間的間距減小20%，便能大大提高承載能力。

4 結(jié)語

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本文標題：基于Inventor應力分析標準化零部件的優(yōu)化設(shè)計探究

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