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1000吨试验机机架优化设计分析计算
王炳雷 陈以蔚 李树虎 贾华敏 郭建芬
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摘 要：本文运用ANSYS有限元程序对已设计的某大型试验机机架的刚强度进行了校核。另外，在现有结构分析计算的基础上对主底座和主横梁以及其隔板的厚度进行了优化设计，既达到了设计要求又降低了成本。
关键词：试验机机架 优化设计 底座 横梁
1 前言
试验机机架是试验机承载试验样品的基础结构，工程上有严格的刚强度要求。已设计的1000吨试验机要求在1000吨试验载荷下强度满足的同时最大变形不能超过3mm。本文利用ANSYS有限元程序对其进行了静态刚度和强度校核。另外，根据要求，在现有结构分析计算的基础上，对某些结构参数进行了优化设计，达到节约成本的目的。
2 试验机结构及材料参数
试验机机架主要由底座、横梁、立柱组成，底座和横梁由4根立柱连接在一起。其中底座和横梁箱体内由加强筋作支撑。主横梁和主底座厚度320mm，上箱体加强筋厚度110mm，下箱体加强筋厚度110mm，立柱直径280mm。试验机立柱采用45#钢，其余用A3钢焊接。本文计算时采用线弹性材料模型，材料参数选取如下：
弹性模量：210GPa；
泊松比： 0.3；
3 有限元计算
本试验机结构复杂，理论和工程计算都无法对部件复杂的应力状态进行有效分析，因此采用有限元分析的方法对试验机的刚度和强度进行分析。
3.1 计算结构模型
考虑到试验机结构的对称性，建立整个结构的1/4模型。立柱和横梁、立柱底部螺母和底座的下底板都简化为固接。同时底座上的一些小的螺栓孔及横梁框架上的四个Φ200的孔忽略不计。考虑到实际结构中底座下底板不能和底座的加强筋焊接，故建模时下底板与加强筋留了3mm的空隙，即加强筋比实际尺寸小了3mm；同样横梁的加强筋与上盖板也留了3mm的空隙。计算模型如图1所示。

（图片）

图1 计算模型图和网格划分图

3.2 计算工况条件
由于采用均质弹性材料，而且总体结构对称，因此在满载荷试验状态下，无论是拉伸试验还是压缩试验，底座与横梁的受力大小相等、方向相反。而且在拉伸试验中，立柱参与变形的长度要比压缩试验的短，所以，拉伸试验中的垂直变形比压缩试验的小，而应力水平相当。因此只要压缩试验状态下结构满足要求即可。
在满载荷压缩试验状态下，底座受向下压力104kN，横梁受向上压力104kN。试验过程中，横梁“耳朵”处还受200吨的横梁锁紧力作用。
3.3 其他计算条件的设定
A．网格划分
根据结构形式，本文采用六面体和四面体两种单元，为了保证有足够的计算精度，在容易产生应力集中的地方进行网格细分[1] ，有限元网格划分如图1所示。
B．载荷条件的施加
施加载荷时，为避免应力集中现象，把满载荷压缩试验状态下的底座和横梁所受104kN拉力或压力转换为节点分布力，施加在底座的圆面上。“耳朵”处所受的力简化成600mm×80mm的矩形面上。
C．约束条件
计算模型中，在立柱和下螺母底面施加垂直方向（Z向）约束，由于1/4对称，在对称面上施加对称约束。
D．求解控制
求解类型为线性、静态求解。
4 计算结果
4.1 原结构的计算结果
按照原结构尺寸进行有限元分析，主要计算结果见表1：

表1原结构的计算结果

（图片）

图2~图4是原结构在1000吨压力、200吨锁紧力下试验机部件的相对位移和等效应力图。 根据计算结果，横梁和底座相对变形最大为1.96mm，小于设计变形3mm。

（图片）

图2 原结构垂直（Z向）相对变形

（图片）

图3 原结构的等效应力图

（图片）

图4 原结构上箱体的等效应力图

根据等效应力图（图3~图4），结构中各部件的主要应力值在110MPa以下，最大应力仅出现在个别极小的拐角或尖角处；这是因为在计算模型中所有焊接处都采用固结建模，没有加倒角，以及上面提到的3mm的间隙，所以在计算中出现了应力集中的现象，与实际情况不完全相符。为了更好的显示绝大部分的应力分布情况，在图3中，我们有意控制应力显示的最大应力值，以不显示应力集中区域的应力(后面的图6也如此)。图中也可以看出，应力集中区域是在非常小的范围内。
4.2 改进结构的计算结果
4.2.1 改进结构计算的目的
根据原结构的计算结果，在结构满足使用要求的前提下，改变主底座板和加强筋以及主横梁板和加强筋的尺寸，进行系列计算，达到优化设计的目的。
4.2.2 改进结构方案
改进结构计算，保持结构的外形尺寸、立柱间距以及底座与横梁间距等不变，只对表2中编号A-D项目的尺寸进行变化组合。

表2 计算方案

（图片）
注：盖板厚度变化相应的加强筋高度也会变化。比如：底座上盖板厚度由320mm变为200mm，那么底座加强筋高度会增加120mm。

4.2.3 计算结果
结果是在1000吨载荷、200吨锁紧力下计算得到的，详见表3：

表3 各种尺寸组合下的计算结果

（图片）

图5~图7所示分别为是A=B=200mm，C=D=60mm时的位移及应力图。

（图片）

图5 主横梁和主底座板200mm，加强筋60mm，结构的垂直（Z向）相对位移图

（图片）

图6 主横梁和主底座板200mm，加强筋60mm，结构的等效应力图

（图片）

图7 主横梁和主底座板200mm，加强筋60mm，横梁的等效应力图

5 结论
从表2的原结构计算结果中可以看出，原设计结构完全满足设计要求；而从表3中的计算结果中可以看出，A=B=200mm，C=D=60mm的改进结构也完全满足要求，这种结构也是确定的最终优化方案。
[参考文献]
[1] 王国强. 实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践. 西安：西北工业大学出版社，2000：59-61. 2/1/2007

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