【導讀】性、降低制造成本、增強企業(yè)競爭力具有重要意義。本文以典型的剪式千斤頂結(jié)。建模和非線性分析，并根據(jù)分析結(jié)果進行形狀尺寸和拓撲結(jié)構(gòu)的設計。主要選用殼單元對頂板板和支臂的簡化幾何模型進行網(wǎng)格劃分。采用材料的參數(shù)，求得用于彈塑性分析的雙線性隨動強化材料參數(shù)。對其主模型的非線性性分析給出了支臂在各個位置的應力和位移及其變化。來驗證ANSYS計算所確定的最大應力點及最大應力值與實驗結(jié)果有較好地。吻合，以確定最大應力點發(fā)生的區(qū)域，為結(jié)構(gòu)設計和使用提供參考。汽車千斤頂是汽車保養(yǎng)、維修不可缺少的主要舉升工具。和汽車工業(yè)的發(fā)展，小轎車的產(chǎn)量逐年遞增。轎車普遍進入平民百姓的家庭生活。將成為社會發(fā)展的趨勢，這使得千斤頂?shù)男枨罅咳找嬖龃蟆Ｆ嚨呢涇?、?lián)運車以及高車頂車輛。另外一種名為TruckJack的便攜式液壓千斤頂可用于對已斷裂的貨車轉(zhuǎn)向。架彈簧進行快速的現(xiàn)場維修。一數(shù)值方法，比較常用的有有限差分法和有限單元法。

　　

【正文】 絲杠之間的接觸； 在上述的五種接觸類型中， 將有兩種線性接觸可被用，“ Bonded”與“ No Separation” 。本論文的研究對象采用“ Bonded”。 圖 411 模型的接觸單元 25 邊界條件的施加方式與有限元網(wǎng)格模型的生成方式有著直接的關(guān)系。對不基于幾何模型建立的有限元網(wǎng)格模型，所有邊界條件都必須通過手工計算進行位移轉(zhuǎn)換，然后將等效的邊界條件值施加在相應的有限元節(jié)點或單元上。對基于幾何模型建立的有限元網(wǎng)格模型，則可以將邊界條件施加于幾何模型。 如圖 41所示，上支臂 在工作的過程中通過絲杠的支反力、載荷、對稱性及其本身為二力桿件來保持平衡。載荷是通過上段的銷孔傳遞到支臂上的。在前面我們已經(jīng)定義了一個對稱平面，如圖 47所示，它限制了關(guān)于對稱平面在 Y方向上的自由度。 當頂板上作用在額定載荷內(nèi)時，絲杠在 Z方向上的分量很小，所以在絲杠的圓柱面上施加一個 “ Cylindrical Support”的固定旋轉(zhuǎn)約束如圖 412所示， 并使得它的軸向約束為：“ Free”。 圖 412 固定旋轉(zhuǎn)約束 圖 413 X方 向位移 為了更真實的反應出上支臂的變形情況，在絲杠兩端添加 X方向上的位移，在公式 46理論計算得出絲杠的位移為： ，在模型中設置 X方向上的位移為： 413。 由于分析模型采用的是 1/2模型，所以在頂板施加一個沿 Z負方向上載荷的力如圖 414，其大小為 4000N。 圖 414 載荷的施加 26 （ 1） 上支臂的位移 在研究支臂位移的時候，因為千斤頂兩個支臂是對稱的從圖 415中可以很明顯的看出，她的最大位移主要在支臂的上端嚙合的部分；但考慮到它的逼真性，上 支臂的下端也存在小量的位移，在第四章公式 46中已經(jīng)理論計算得出絲桿的位移為 ；因為上支臂的下端與絲桿定義了一個“ Bonded”接觸類型；這樣可以說明上支臂下端的位移也為： ；在有限元分析中得出的位移如圖416所示，為： ，與理論計算結(jié)果很接近。 圖 415 上支臂的位移 圖 416 絲杠的位移 27 （ 2） 上支臂的等效應變 如圖 417，上支臂最大的應變產(chǎn)生在銷釘孔上，最大應變?yōu)椋?。 圖 417 上支臂的等效應變 （ 3） 上支臂的塑性 應為本次分析為 線性的，所以可以得出上支臂的塑性為： 0，而有限元分析輸出的結(jié)構(gòu)也是 0，如圖 418。 圖 418 模型的塑性 28 （ 4）上支臂的等效應力 從圖 419中可以很明顯的看出 最大應力出現(xiàn)在銷釘孔上，最大應力為。 使這部分區(qū)域發(fā)生塑性變形。而較小的塑性變形因周圍彈性區(qū)的包圍而受到限制，零件依然能夠承受載荷。使用彈性有限元方法計算，線性理論使計算應力值急劇加大， 結(jié)果并非令人滿意 。在這些區(qū)域得到的應力應變結(jié)果 并不逼近 。在 下一 章中將對這一問題進行 非線 性有限元分析。 圖 419上支臂的等效應力云圖 29 第五章 模型的彈塑性有限元分析 彈塑性有限元分析概述 在以往結(jié)構(gòu)理論中，分析結(jié)構(gòu)強度是按照彈性極限的許用應力法，也就是說，結(jié)構(gòu)各部分的尺寸是根據(jù)它的應力不得超過許用應力來確定。這些許用應力一般是將材料的屈服極限、強度極限除以從經(jīng)驗得來的安全系數(shù)而得到的。這種方法的廣泛應用是因為過去實際結(jié)構(gòu)所用材料的力學狀態(tài)大都可以恰當?shù)赜镁€性理論來描述，而且在常溫正常載荷作用下，大部分實際結(jié)構(gòu)變形很小，將普通常用材料如鋼和鋁的本構(gòu)關(guān)系看成線性的不會有顯著誤差。對于結(jié)構(gòu)上孔洞、缺口等應力集中，由于局部的塑性 變形導致應力重新分配和形變強化，往往不考慮應力集中對靜強度降低的影響。 許用應力法 (純彈性分析 )最基本的缺點在于它和結(jié)構(gòu)的承載能力沒用直接的聯(lián)系，它是根據(jù)局部材料和個別桿件是否達到強度極限來決定整個結(jié)構(gòu)的設計。計算結(jié)構(gòu)的任意一部分，都是當它為理想的彈性體，不考慮材料的塑性性質(zhì)。例如鋼和鋁等延性結(jié)構(gòu)材料，可以承受比屈服極限內(nèi)所產(chǎn)生的應變大得多的應變。因而，基于彈性極限的設計方法，不具備利用某些材料能夠承受比屈服應力更高的應力的優(yōu)點。更重要的是，在超靜定結(jié)構(gòu)中，使得應力超過彈性極限以后重新分布成為可能。這些重新 分布后的應力，常?？梢猿袚嗟妮d荷。因此，彈性分析是過于保守的。 從 50年代起，已經(jīng)研制并在工程結(jié)構(gòu)中采用了許多新材料，例如高分子材料，合成橡膠等等，它們的力學性態(tài)再也不能用線性的本構(gòu)關(guān)系來描述了；為了挖掘材料與結(jié)構(gòu)的潛力，解決結(jié)構(gòu)重量和安全可靠性的矛盾，人們開始進行彈塑性狀態(tài)下的極限設計。這些設計都必須以材料的彈塑性本構(gòu)關(guān)系為依據(jù)。彈塑性極限設計利用塑性極限狀態(tài)時的基本方程及邊界條件進行求解，可以簡便的得到塑性極限承載能力及塑性極限狀態(tài)時的應力分布。極限設計只計算結(jié)構(gòu)的極限載荷，而不考慮其變形過程，且一 般假定材料為剛塑性的。彈塑性問題應用解析法來求解，由于數(shù)學上的困難，只限于解決幾個結(jié)構(gòu)形狀規(guī)則載荷簡單的問題。隨著電子計算機的廣泛應用和有限元單元法理論和應用上的進展，結(jié)合已取得顯著成就的非線性理論，給實際結(jié)構(gòu)的線性和非線性分析增添了巨大的生命力，非線性有限元分析日期成熟。尤其從 80年代初起，隨著非線性理論越來越為人們所了解， 30 非線性理論與分析方法的日益完善，非線性有限元分析在許多工程領(lǐng)域得到應用。彈塑性有限元分析復雜應力狀態(tài)下的應力一應變關(guān)系，可以取得令人滿意的結(jié)果。在很多工程實際中，比如航空航天、高壓容器 和管路等，各部件結(jié)構(gòu)在正常使用條件下都可能局部地工作在材料的塑性區(qū)域，并被認為是合理的。這樣，通過結(jié)構(gòu)的彈塑性有限元分析，可以更充分的利用材料的蘊藏能力，使設計出的結(jié)構(gòu)更為合理經(jīng)濟。 材料的彈塑性參數(shù) 在彈塑性有限元分析中常采用折線式的簡化模型，來給出材料的彈塑性參數(shù)。 ANSYS軟件提供了多種彈塑性材料類型，主要有四種典型的材料類型： （ 1） 雙線性隨動強化 (BKIN)：使用雙線性來表示應力一應變曲線，具有兩個 斜率，彈性斜率和塑性斜率。由于使用隨動強化的 V． Mises屈服準則，所以包 含有 鮑辛格效應 。此類型適用于服從 V． Mises屈服準則，初始為各向同性材料 的小應變問題，包括了大多數(shù)的金屬。需要輸入的塑性參數(shù)是屈服應力 S? 和切 向模量 PE 。 (2)雙線性等向強化 (BISO)：在此類型中，使用等向強化的 V． Mises屈服準則，一般用于初始各向同性材料的大應變問題。 (3)多線性隨動強化 (MKIN)：使用多線性來表示應力一應變曲線，模擬隨動強化效 應，用于使用雙線性隨動強化類型 (BKIN)不能充分表示應力一應變曲線的小應變分析。通過輸入多個應力 — 應變數(shù)據(jù)點定義多線性曲線。 （ 4） 多線性等向強化 (MISO)：使用多線性來表示使用 V． Mises屈服準則的等向強化的應力一應變曲線，它適用于比例加載的情況和大應變分析。 上支臂采用的材料為： SS400。如圖 51所示，為材料的力學數(shù)據(jù)表： 圖 51 上支臂的力學數(shù)據(jù) 圖 52 材料的定義 31 在圖 51中，取用采點法計算出該材料的彈性模量 MPaE 245000? ，從而有利于定義材料的屬性如圖 52。 因為剪 式千斤頂機構(gòu)的彈塑性分析為小應變問題，因此選擇雙線性隨動強化材料類型 如圖 53，需要輸入的塑性參數(shù)是屈服應力 S? 、 和切向模量 PE ；從圖 51中可以得出： MPaS 273?? ， MPaEP 3200? 。 圖 53 雙線性的應力 應變曲線 塑性變形是材料產(chǎn)生的永久變形，既然塑性變形是不可恢復的，那么這種問題的求解就與加載有關(guān) 。采用逐步加載以便獲得精確解。 圖 54 逐步載荷的加載路線 32 ANSYSA作模擬分析采用的是逐步加載的方式，從零載荷加到 4000N（分析模型只取了一半），加載步驟如圖 54所示；求解之前根據(jù)分析的要求求解控制選項的設置，求解完成后可以在后處理模塊中查看不同 加載階段的應力分布。在理想狀態(tài)下，兩個上支臂的應力分布情況應該是對稱的，取其四個子步的應力分布圖來進行對比分析。圖 55中 a， b， c， d分別為四個子步的等效應力云圖。 （ a） 載荷為 1500N是的等效應力 （ b）載荷為 2800N時的等效應力 （ c）載荷為 3600N是的等效應力 （ d）載荷為 4000N時的等效應力 圖 55 不同載荷步的等效應力 從四幅圖中可以看出，隨著載荷的增大，應力也逐漸增加（各個載荷步的應力如圖 55所示），但應力集中區(qū)域會隨著載荷的不斷 增加而縮小。相對來說在上支臂的銷釘孔上的應力較大；在上支臂的內(nèi)側(cè)下端的部分的應力也相對較大，這部分應力值偏大是由于應力集中問題所產(chǎn)生的。 在上一章線性分析中它的塑性是為零的，而在非線性分析中并非如此，如圖56所示，最大塑性值達到 。 33 圖 56 材料的塑性變形 與線性分析相對比，非線性分析的結(jié)過要理想得多，在非線性分析中上支臂產(chǎn)生的最大等效應力幾乎是線性分析中的一半。 分析結(jié)果 上支臂 在銷孔附近的應力值較大，結(jié)構(gòu)和材料還有較大承載潛力；銷孔附近應力值較大并發(fā)生了局部塑性變形，這也正是千斤頂試 驗和使用中較多發(fā)生故障和破壞的部位， 這個問題正是我們大家需來不斷改善的。 對 剪式千斤頂 的線彈性分析和彈塑性分析給出了 上支臂 在 頂起 66%高度的額度載荷作用下變形情況 和 應力分布及其變化情況，為 千斤頂 的設計和試驗提供了詳實的依據(jù)。