【導(dǎo)讀】性、降低制造成本、增強(qiáng)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(jìn)行形狀尺寸和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。主要選用殼單元對頂板板和支臂的簡化幾何模型進(jìn)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(qiáng)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(yīng)力和位移及其變化。來驗(yàn)證ANSYS計(jì)算所確定的最大應(yīng)力點(diǎn)及最大應(yīng)力值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較好地。吻合，以確定最大應(yīng)力點(diǎn)發(fā)生的區(qū)域，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jìn)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?。汽車的貨車、?lián)運(yùn)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(jìn)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(jì)算進(jìn)行位移轉(zhuǎn)換，然后將等效的邊界條件值施加在相應(yīng)的有限元節(jié)點(diǎn)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(dāng)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(shí)的反應(yīng)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(jì)算得出絲杠的位移為： ，在模型中設(shè)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(fù)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?yàn)榍Ы镯攦蓚€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(jì)算得出絲桿的位移為 ；因?yàn)樯现П鄣南露伺c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(jì)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(yīng)變 如圖 417，上支臂最大的應(yīng)變產(chǎn)生在銷釘孔上，最大應(yīng)變?yōu)椋?。 圖 417 上支臂的等效應(yīng)變 （ 3） 上支臂的塑性 應(yīng)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(yīng)力 從圖 419中可以很明顯的看出 最大應(yīng)力出現(xiàn)在銷釘孔上，最大應(yīng)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(jì)算，線性理論使計(jì)算應(yīng)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(yīng)力應(yīng)變結(jié)果 并不逼近 。在 下一 章中將對這一問題進(jìn)行 非線 性有限元分析。 圖 419上支臂的等效應(yīng)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(qiáng)度是按照彈性極限的許用應(yīng)力法，也就是說，結(jié)構(gòu)各部分的尺寸是根據(jù)它的應(yīng)力不得超過許用應(yīng)力來確定。這些許用應(yīng)力一般是將材料的屈服極限、強(qiáng)度極限除以從經(jīng)驗(yàn)得來的安全系數(shù)而得到的。這種方法的廣泛應(yīng)用是因?yàn)檫^去實(shí)際結(jié)構(gòu)所用材料的力學(xué)狀態(tài)大都可以恰當(dāng)?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(shí)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(yīng)力集中，由于局部的塑性 變形導(dǎo)致應(yīng)力重新分配和形變強(qiáng)化，往往不考慮應(yīng)力集中對靜強(qiáng)度降低的影響。 許用應(yīng)力法 (純彈性分析 )最基本的缺點(diǎn)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(dá)到強(qiáng)度極限來決定整個結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。計(jì)算結(jié)構(gòu)的任意一部分，都是當(dāng)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(yīng)變大得多的應(yīng)變。因而，基于彈性極限的設(shè)計(jì)方法，不具備利用某些材料能夠承受比屈服應(yīng)力更高的應(yīng)力的優(yōu)點(diǎn)。更重要的是，在超靜定結(jié)構(gòu)中，使得應(yīng)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(yīng)力，常?？梢猿袚?dān)更多的載荷。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(xué)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(jìn)行彈塑性狀態(tài)下的極限設(shè)計(jì)。這些設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)利用塑性極限狀態(tài)時的基本方程及邊界條件進(jìn)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(yīng)力分布。極限設(shè)計(jì)只計(jì)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(yīng)用解析法來求解，由于數(shù)學(xué)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(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用和有限元單元法理論和應(yīng)用上的進(jìn)展，結(jié)合已取得顯著成就的非線性理論，給實(shí)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(yīng)用。彈塑性有限元分析復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系，可以取得令人滿意的結(jié)果。在很多工程實(shí)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(rèn)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(yùn)藏能力，使設(shè)計(jì)出的結(jié)構(gòu)更為合理經(jīng)濟(jì)。 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(qiáng)化 (BKIN)：使用雙線性來表示應(yīng)力一應(yīng)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(qiáng)化的 V． Mises屈服準(zhǔn)則，所以包 含有 鮑辛格效應(yīng) 。此類型適用于服從 V． Mises屈服準(zhǔn)則，初始為各向同性材料 的小應(yīng)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(yīng)力 S? 和切 向模量 PE 。 (2)雙線性等向強(qiáng)化 (BISO)：在此類型中，使用等向強(qiáng)化的 V． Mises屈服準(zhǔn)則，一般用于初始各向同性材料的大應(yīng)變問題。 (3)多線性隨動強(qiáng)化 (MKIN)：使用多線性來表示應(yīng)力一應(yīng)變曲線，模擬隨動強(qiáng)化效 應(yīng)，用于使用雙線性隨動強(qiáng)化類型 (BKIN)不能充分表示應(yīng)力一應(yīng)變曲線的小應(yīng)變分析。通過輸入多個應(yīng)力 — 應(yīng)變數(shù)據(jù)點(diǎn)定義多線性曲線。 （ 4） 多線性等向強(qiáng)化 (MISO)：使用多線性來表示使用 V． Mises屈服準(zhǔn)則的等向強(qiáng)化的應(yīng)力一應(yīng)變曲線，它適用于比例加載的情況和大應(yīng)變分析。 上支臂采用的材料為： SS400。如圖 51所示，為材料的力學(xué)數(shù)據(jù)表： 圖 51 上支臂的力學(xué)數(shù)據(jù) 圖 52 材料的定義 31 在圖 51中，取用采點(diǎn)法計(jì)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?yàn)榧?式千斤頂機(jī)構(gòu)的彈塑性分析為小應(yīng)變問題，因此選擇雙線性隨動強(qiáng)化材料類型 如圖 53，需要輸入的塑性參數(shù)是屈服應(yīng)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(yīng)力 應(yīng)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(fù)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(xiàng)的設(shè)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(yīng)力分布。在理想狀態(tài)下，兩個上支臂的應(yīng)力分布情況應(yīng)該是對稱的，取其四個子步的應(yīng)力分布圖來進(jìn)行對比分析。圖 55中 a， b， c， d分別為四個子步的等效應(yīng)力云圖。 （ a） 載荷為 1500N是的等效應(yīng)力 （ b）載荷為 2800N時的等效應(yīng)力 （ c）載荷為 3600N是的等效應(yīng)力 （ d）載荷為 4000N時的等效應(yīng)力 圖 55 不同載荷步的等效應(yīng)力 從四幅圖中可以看出，隨著載荷的增大，應(yīng)力也逐漸增加（各個載荷步的應(yīng)力如圖 55所示），但應(yīng)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(yīng)力較大；在上支臂的內(nèi)側(cè)下端的部分的應(yīng)力也相對較大，這部分應(yīng)力值偏大是由于應(yīng)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(dá)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(yīng)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(yīng)力值較大，結(jié)構(gòu)和材料還有較大承載潛力；銷孔附近應(yīng)力值較大并發(fā)生了局部塑性變形，這也正是千斤頂試 驗(yàn)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(yīng)力分布及其變化情況，為 千斤頂 的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)提供了詳實(shí)的依據(jù)。