测试条件:一件质量为227KG的圆铁锤从5.1m的高空自由落体掉下,冲击车棚,并作用在车棚上半径为200mm的圆内,车棚厚度定为10mm,材料为45号钢。其形状如下图如示
重物从高空掉下,根据能量守恒原理得:
动量定律:重物落地时,受冲击力和重力,初速度为
由上述公式可可见,想要得出冲击力F,必须求出作用时间t.我们将利用 机械设计软件solidworks的运动分析功能来模拟冲击过程,并求出重物作用时间。首先建立冲击三维模型,如下图所示:
运行运动仿真,得出重物下落过程中时间与速度曲线图
从第二幅图中我们可以得出,重物从触地那一刻到速度变为0这一过程中,时间t=0.027S.这样,我们就精确的得出了重物作用的时间.将时间t=0.027S代入上述公式中得出: F=84622N。
有限元分析
经过上面的计算,我们得出冲击力F=84622N.为了计算车棚在此力的作用下是否被破坏,我们将利用solidworks中的有限元分析模块simulation对车棚进行静力学分析.如下图所示:
经过分析现,车棚在冲击力作用下,已经被破坏,其变形量已达到13.8mm 。这样,车棚为10mm的设计是不成立的,我们必须更改设计,而设计变量为车棚的厚度。所以接下来,我们用优化设计来选取车棚的最佳厚度。优化设计中,我们的设计变量由10mm—18mm.如下图所示:
从上述分析数据中我们发现,当车棚厚度为15mm时,产生的应力最接近材料的屈服强度且小于屈服强度,所以最终设计我们选择车棚厚度为15mm.
结论:将理论与仿真软件的结合,不但能设计出各种产品而且能使设计的产品更加合理。对车棚的仿真是这个产品的第一步,我相信,会有更多的产品通过仿真而进入生产车间。
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