悬臂托架COSMOSWorks优化设计

     0引言
    
     某型号产品生产线中大量采用了悬臂托架机械结构，由于产品改型，对悬臂托架提出了如下要求:①需要在不影响其强度和刚度要求的条件下对其开孔改造，以便其它部件的安装;②外观尺寸不能变化，但对开孔形状有要求，且孔尽可能大，在方便操作的同时节省材料;③托架基础频率应控制在330Hz ~420Hz范围内，以避免与安装机械引起共振;④悬臂托架的最大允许形变为0.2mm。对于新的设计要求，利用传统的设计方法就显得过于繁杂，本文通过运用COSMOSWork。有限元分析软件对要求改型的悬臂托架进行自动校核分析，并对其进行开孔尺寸优化设计，使之能满足上述要求，最大限度地提高设计速度和精度。
    
     1  COSMOSWorks简介
    
     COSMOSWorks是众多CAE软件中的一种，是与SolidWorks无缝集成的快速有限元分析软件，它为机械设计工程师在SolidWorks环境下提供了比较完整的分析手段。凭借先进的快速有限元技术(FFE)，工程师能非常迅速地运用它实现对大规模复杂设计的分析和验证，并且获得修正和优化设计所需的必要信息。同时将分析的模型和结果与SolidWorks共享一个数据库，计算结果也可以直观地显示在SolidWorks精确的设计模型上，直观地管理分析任务、载荷、边界条件、有限元网格和计算结果等数据，直观地列人图形化的树形分析管理器中。COSMOSWorks提供了诸如静态分析、频率分析、扭曲分析、热力分析、掉落测试、疲劳分析、优化分析和非线性分析等模块，分析非常方便，结果准确可靠。
    
     2建模及优化分析
    
     原悬臂托架结构见图1，其选用的材料为A2碳钢，其主要性能参数见表1。
     

     在使用时悬臂托架通过两个M8螺钉侧面固定，上方盖板通过两个M6螺钉固定，承重板上方设备产生向下1 960N均布载荷压力，这个载荷由两个托架共同承受，每个受力为980N。根据原结构尺寸，在SolidWorks中建立三维模型，这里不再详述。
    
     2. 1原有结构分析
    
     在SolidWorks中进人COSMOSWorks模块，建立一静态研究，设置研究解算器为FFEo在实体材料窗门定义材料为普通碳钢，将表1中的数据输人，对悬臂托架的材料及性能进行赋予。然后根据现实受力对其进行载荷约束:因托架侧面依靠两M8螺钉固定，上方受到均布980N压力，因此两M8螺纹孔约束应为固定约束;托架上方受到的单位压力为572 854. 86N/m。按默认设置生成网格后运行COSMOS/FFEStatic Solver/ COSMOS自动对其进行分析得出悬臂托架的应力分布，见图2。从图2中可以看到，原设计结构的受力远小于材料的屈服应力，设计过于保守。对其进行频率分析，得出其固有基础频率为417Hz。综合上述分析，说明在托架的中部开孔可行。
    

     2.2结构改造
    
     根据要求，对悬臂托架按最小要求尺寸进行开孔，并按上述方法由COSMOSWorks得出悬臂托架的应力分布，见图3。由图3可以看出，此时悬臂托架的应力仍远小于其屈服应力。对其频率分析，发现开孔后悬臂托架的固有一阶频率为409. 85Hz，在要求频率带内。整体设计安全系数仍过大。