基于Abaqus的花盆架關鍵結構強度的數值模擬研究

何欣興

周瑞麗

（臺州職業技術學院，臺州318000）

0 引言

目前，市場上花盆架種類繁多，結構形式五花八門。對花盆架的設計側重于外觀及結構創新，對架體本身結構強度分析研究較少，這就導致所設計的花盆結構強度無法保證，疲勞失效較快，甚至出現花盆脫落砸傷等危險。為解決目前花盆架設計中存在的問題，選擇市場上主流的圓環型多層花盆架為研究對象，對其進行主要結構強度的數值模擬研究，為優化設計提供指導和依據。

有限元分析技術摒棄了傳統結構設計的被動校核方法，且能夠在最短的時間內尋求最佳設計方案,在很大程度上減少了設計成本和設計周期，目前已經應用到各機械行業結構優化設計中[1]。本研究以Hypermesh作為前處理軟件，對花盆架盆托等關鍵結構進行幾何模型處理和網格劃分。在處理幾何模型和網格的效率和質量方面，Hypermesh具有很好的速度，適應性和可定制性，并且模型規模沒有軟件限制[2]。經前處理后的模型，導入Abaqus，以Abaqus作為計算平臺，進行數值模擬分析。Abaqus是一套功能強大的工程模擬有限元軟件，其解決問題的范圍從相對簡單的線性問題到復雜的非線性問題[3]。

1 模型處理

兩種結構的圓環型多層花盆架原始幾何模型如圖1、圖2所示，兩種結構花盆均采用多層形式布置，區別在于每層各盆托與承載肋連接形式不同。結構一中承載肋圓周均布，承載肋一端采用焊接形式，與中心柱剛性連接，另一端連接在兩盆托外側承載圈中間位置。結構二中承載肋一端與套在中心柱上的盆托內側承載圈剛性連接，另一端直接與每個盆托接觸。兩種結構強度差別主要在各層托架處，結構一將載荷直接作用在中心柱上，而結構二直接作用在內側承載圈上。因此，本次分析的重點關注部位為托架，托架各層受力形式相當，每種結構任取一層托架進行數值模擬分析，對其他分析非重點關注位置予以簡化。

2 邊界條件

將兩種結構分析用幾何模型運用Hypermesh進行網格劃分和相關邊界條件設置，得到兩種結構的有限元模型，如圖3、圖4所示。托架中心位置施加位移限制約束，模擬結構一托架中心柱及結構二托架內側承載圈對花盆支架的支撐及位移限制約束；以每個花盆重2.5kg給花盆托圈施加集中載荷，并采用耦合邊界條件將這些集中載荷均布于每個花盆托圈邊緣，以模擬各個花盆對花盆架的重力作用；兩種結構的劃分支架材料均采用45#鋼，該材料各性能參數主要包括密度7.85E-9 ton/mm3；彈性模量2.05E5MPa；泊松比0.29；屈服強度355MPa；抗拉強度極限600MPa；失效應變0.016mm/mm。

圖3 結構一有限元模型

圖4 結構二有限元模型

3 分析結果

結構一、結構二施加前述相同邊界條件，經計算，得到等效應力、最大主應力分布云圖如圖5-8所示，沿中心柱軸線方向變形云圖如圖9、圖10所示。

圖5 結構一等效應力分布云圖

圖6 結構二等效應力分布云圖

圖7 結構一最大主應力分布云圖

圖8 結構二最大主應力分布云圖

圖9 結構一Z方向變形云圖

圖10 結構二Z方向變形云圖

由以上分析結果可知，結構一應力較大的區域主要集中在均布承載肋與托架中心柱，以及均布承載肋與托架外側承載圈連接位置（如圖5，圖7所示），這些位置應力以拉應力為主（如圖7所示）；結構2的應力主要集中于均布承載肋與內側承載圈，以及均布承載肋與各盆托連接位置，（如圖6，圖8所示），這些區域應力也以拉應力為主（如圖8所示）。

圖6-8顯示兩種結構最大應力均為180MPa，結構一達180MPa應力區域呈點狀分布，其余高應力基本集中在100-120MPa之間；結構二高應力區域較結構一范圍更大，高應力區域應力集中在150-180MPa。兩種結構應力均小于材料強度極限。

圖9、圖10為兩種結構在給定邊界條件下的變形分布云圖。由變形分布云圖可知，兩種結構的變形均集中在各盆托外側邊緣。其中，結構一盆托外側邊緣最大變形量為0.26mm，結構二盆托外側邊緣最大變形量為0.89mm。從變形角度衡量，結構一和結構二的變形都沿中心孔呈圓周對稱分布，穩定性都比較好，但從變形量分析，結構一的穩定性高于結構二。

4 結論

本文用有限元方法對兩種結構花盆架關鍵結構進行了結構強度分析。根據Abaqus的分析結果，可以得到如下結論：結構一托架高應力分布區域較結構二范圍更小，其他位置等效應力和最大主應力均較低；結構一最大變形量較結構二更小。從應力、應變兩方面對分析結果綜合分析，結構一比結構二強度更高。經實驗測得，采用結構一形式的花盆架較結構二強度更高，實驗數據與分析結果基本吻合。綜上所述，通過設置合適的邊界條件，有限元分析方法能夠獲得與實際較為一致的應力、變形分布結果，可以為設計提供參考。

[1]陳藝，張子軍，潘明.結構優化設計＆有限元分析在機械設計中的應用——ABAQUS分析桁架結構[J].現代農業裝備，2007，（5）：40-46.

[2]李楚琳.HyperWorks分析應用實例[M].北京：機械工業出版社，2008.

[3]石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析實例詳解[M].北京：機械工業出版社，2006.

[4]劉鴻文.材料力學[M].北京：高等教育出版社，1992：285-289.