1 引言
試驗(yàn)機(jī)是檢測(cè)金屬和非金屬物理性能的主要設(shè)備之一，主要用來進(jìn)行金屬和非金屬材料的拉伸、壓縮、彎曲和剪切試驗(yàn)，從而得出材料的力學(xué)性能指標(biāo)。主機(jī)是試驗(yàn)機(jī)工作的執(zhí)行元件，是直接影響試驗(yàn)機(jī)工作能力的關(guān)鍵組成部分，既要滿足使用要求，又要降低設(shè)備的重量，節(jié)省成本。所以，非常有必要對(duì)試驗(yàn)機(jī)的主機(jī)進(jìn)行有限元分析，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。下面以廣州澳金生產(chǎn)的“廣工”牌WDW-20KN微機(jī)控制電子式萬能試驗(yàn)機(jī)主機(jī)為例，利用ANSYS軟件進(jìn)行靜力及瞬時(shí)動(dòng)態(tài)有限元分析。
2 主機(jī)受力框架結(jié)構(gòu)
電子萬能試驗(yàn)機(jī)主機(jī)一般采用門式框架結(jié)構(gòu)（如圖1所示），主要由上橫梁、中橫梁、工作臺(tái)、絲杠、螺母副、主機(jī)立柱、導(dǎo)向塊、立柱、壓盤、傳感器、電機(jī)、同步齒形帶、帶輪、軸承等組成。
工作原理：電機(jī)經(jīng)同步齒形帶和行星輪減速系統(tǒng)減速后，拖動(dòng)滾珠絲杠副旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)中橫梁上下移動(dòng)，完成試驗(yàn)。
圖1 電子萬能試驗(yàn)機(jī)主機(jī)結(jié)構(gòu)圖
3 主機(jī)有限元分析
3.1 網(wǎng)格單元選取與材料特性
從主機(jī)零部件三維尺寸考慮，在有限元分析計(jì)算中，這些零部件選用實(shí)體單元solid45.該單元為8節(jié)點(diǎn)六面體單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)平動(dòng)自由度，對(duì)各種實(shí)體復(fù)雜界面有較好的逼近。由于所有接觸都是面接觸，選取CONTA174與TARCE170接觸副單元處理這類面接觸問題。
根據(jù)力傳遞路線確定參與結(jié)構(gòu)分析的零部件。將不關(guān)心的結(jié)構(gòu)在不影響計(jì)算精度的前提下進(jìn)行剔除，保留了23個(gè)主要零部件并分別采用不同的金屬材料。主機(jī)整體仿真外觀如圖2所示。
圖2 主機(jī)整體仿真外觀
3.2 網(wǎng)絡(luò)劃分
采用人工劃分與自動(dòng)劃分相結(jié)合方法對(duì)主機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行單元網(wǎng)格劃分。由于試驗(yàn)機(jī)具有雙向?qū)ΨQ性，僅對(duì)其四分之一的模型進(jìn)行有限元分析，并施加對(duì)稱約束，將載荷減少為相應(yīng)大小的四分之一。共劃分41,449個(gè)節(jié)點(diǎn)，18,042個(gè)單元。單元網(wǎng)格劃分后如圖3所示。
圖3 單元網(wǎng)格
3.3 接觸副
機(jī)械產(chǎn)品零部件之間往往是通過緊固螺栓、軸承等接觸方式相互連接，屬于接觸問題。由于接觸力隨相互接觸零部件的變形程度而變化，而變形又由結(jié)構(gòu)位移決定，所以通過力求位移的有限元分析不再是一般的線性問題，而是需要反復(fù)迭代計(jì)算的接觸非線性的問題。本項(xiàng)目的主機(jī)結(jié)構(gòu)共取17個(gè)連接副，如圖4所示。
圖4 接觸副位置
3.4 加載與約束
（1）載荷的施加
電子萬能試驗(yàn)機(jī)主要進(jìn)行拉力試驗(yàn)，利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)主機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)有限元分析時(shí)，將試驗(yàn)力通過面載荷來加載到中橫梁和工作臺(tái)上。由于僅取了主機(jī)結(jié)構(gòu)的四分之一做研究，故載荷的大小也減少為額定載荷的1/4。
(2)約束
主機(jī)采用門式結(jié)構(gòu)，故須約束左右支腳底面節(jié)點(diǎn)的位移。試驗(yàn)機(jī)加載和約束情況如圖5所示。
圖5 試驗(yàn)機(jī)加載和約束情況
4 主機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析結(jié)果
4.1 靜力學(xué)分析
靜力學(xué)分析結(jié)果云圖如圖6所示，由分析結(jié)果可見，中橫梁和工作臺(tái)兩個(gè)位置的Z方向變形量最大約為0.15mm，該變形量對(duì)于試驗(yàn)機(jī)的拉伸試驗(yàn)精度影響較大，將會(huì)帶來大約0.3mm的誤差；絲杠處X方向的變形量最大，會(huì)形成S型的變形，雖然數(shù)值不大，但增加了絲杠螺母副傳動(dòng)的阻力；由于對(duì)稱性，試驗(yàn)機(jī)的Y方向變形量較小，不影響試驗(yàn)的精度。彈性應(yīng)變最大值處于支持絲杠的下圓錐滾子軸承與工作臺(tái)的接觸處，應(yīng)變量很小，可以滿足設(shè)計(jì)要求。應(yīng)力最大處位于工作臺(tái)和中橫梁，最大值為92.72MPa，兩個(gè)零件的材料為Q235A，沒有達(dá)到材料的屈服應(yīng)力，且安全系數(shù)較大。
通過靜力學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)影響試驗(yàn)精度的最大變形處出現(xiàn)在中橫梁與工作臺(tái)處，且與這二者相連零件Z方向變形量不大于7.5e—3mm，可見，是選用的材料影響了其Z方向的變形。雖然中橫梁與工作臺(tái)的材料滿足許用應(yīng)力要求，但未保證Z方向的擾度不影響結(jié)果，對(duì)兩者的材料進(jìn)行熱處理，提高其抗彎強(qiáng)度或換用強(qiáng)度更高的材料。最大應(yīng)力出現(xiàn)在載荷施加面與上下表面的相交之處，即放置試驗(yàn)夾具的位置，面積較小。對(duì)該位置進(jìn)行圓角處理，減少應(yīng)力集中，可以將應(yīng)力減少到78MPa，但對(duì)于零件加工和試驗(yàn)夾具的安裝提出了更高的要求。
(a)
(b)
(c)
(d)
4.2 瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析
傳統(tǒng)的桌式或落地式試驗(yàn)機(jī)在拉伸試驗(yàn)試樣（尤其是金屬試樣）斷裂瞬間，試驗(yàn)機(jī)主機(jī)對(duì)地面產(chǎn)生輕微的震動(dòng)。進(jìn)行瞬時(shí)動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，主要研究載荷突然消失時(shí)主機(jī)對(duì)地面的振幅變化情況。由于拉伸試樣斷裂瞬時(shí)載荷突然消失，采用三個(gè)分析步進(jìn)行計(jì)算，每個(gè)分析步的載荷不同。
第一個(gè)分析步進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算，在1s內(nèi)逐漸施加載荷，系統(tǒng)達(dá)到平衡；在1.0s處載荷由5kN突然減低為0N，為第二個(gè)分析步驟載荷情況；第三個(gè)分析步載荷一直為0N，用于觀察主機(jī)的動(dòng)態(tài)變形情況。
瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析主要零件震動(dòng)變形曲線見圖7。圖7顯示的為工作臺(tái)中點(diǎn)處Z方向的震動(dòng)變形。分析一步結(jié)束后中橫梁和工作臺(tái)都處于平衡狀態(tài)的最大變形，當(dāng)載荷突然消失時(shí)，變形量立即減小，隨后圍繞平衡位置上下做有阻尼震動(dòng)，振幅逐漸減小。兩者的波動(dòng)情況相互對(duì)稱。主機(jī)對(duì)地面X方向的力很大，初始值為5243N且隨著載荷消失而銳減，其后不斷上下波動(dòng)，但始終小于初始值；初始Z方向的力較小，其后產(chǎn)生波動(dòng)最大變化量為1834.72N；由于對(duì)稱性，Y方向的力相互抵消。
圖7 工作臺(tái)中點(diǎn)震動(dòng)變形曲線
5 結(jié)論
對(duì)于傳統(tǒng)的桌式或落地式試驗(yàn)機(jī)，在拉伸試驗(yàn)突然卸載時(shí)，試驗(yàn)機(jī)對(duì)地面的震動(dòng)，應(yīng)該考慮是由于工作臺(tái)變形震動(dòng)對(duì)于底座的沖擊產(chǎn)生的，而不是Z方向的力突變的原因。故減輕震動(dòng)的方式和精力
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