辯證法在結構件設計中的運用

呂芝飛

(無錫市陽通機械設備有限公司,江蘇無錫 214155)

辯證法在結構件設計中的運用

呂芝飛

(無錫市陽通機械設備有限公司,江蘇無錫 214155)

本文運用有限元計算分析法(Solidworks三維分析軟件)結合辯證法思想,對焊接結構件施加一定載荷,通過變化該結構件上鋼板有無工藝孔及工藝孔的大小來研究該焊接結構件的應力變化情況,最終在保持鋼板用量及具體結構形式基本不變的情況下提高該結構件的承載能力。此方法也適用于鑄件結構件。

結構件 開孔 辯證法 承載能力

1 引言

目前，特別是在我國國內工程機械設備結構件的設計中，絕大部分采用的是類比+設計者設計經驗的設計方法。在實際運用中如發現結構件某個部位比較薄弱，一般會在那個部位加強的方式進行彌補。這里介紹一種運用三維設計軟件(Solidworks)+辯證法的設計方法，如此方法可在機械結構件設計中取得較高性價比的結構件。

2 探索

如圖一為一種在焊接類似鍋爐壓力容器筒體所用的滾輪架上滾輪支撐座。其中主要零部件(滾輪支座、底座)為焊接結構件。先單獨對滾輪支座運用solidworks有限元分析法受力分析(滾輪面受到289噸正壓力，同時受到30.7噸軸向力)，結果如滾輪座圖。

滾輪座圖

從滾輪座圖可知應力最大點在滾輪正下方的筋板處。

因在Solidworks軟件分析時認為(夾具)支撐面為剛性，但實際運用中滾輪支撐座是安裝在由鋼板(有時會用H型鋼或方管之類的型鋼)拼焊成型的焊接結構件(我們稱之為底座)上，而底座并非完全意義上的剛性體。滾輪支撐座與底座組合裝配后，通過力的矢量性，此時受力為500噸重力及61.4噸軸向力。以下各步驟是通過對結構件各某一部位的改動后再進行受力分析而得出的結果。

圖一

初始狀(圖一)：

修改一(圖二)：

在圖一基礎上底座內筋板中間方孔420mm×271mm改為小圓孔φ80mm，及去除滾輪座前吊耳孔φ55mm。

修改二：

在圖二基礎上滾輪座前端恢復1小吊耳孔φ40mm，后封板高度上調，中間增加一稍薄的鋼板，軸承圈外側加導電軸孔2個(φ 60mm)。

部位應力值/MPa部部位應力值/MPa 位應力值/MPa A 61.9 C 162.5 E 144.3 B 87.7 D 125.3 F 135

圖二

圖三

修改三：

在修改二基礎上底座內筋板中間圓孔φ80改為方孔320mm×200mm，后封板下部改為薄鋼板，墻板加工藝孔且作為吊耳孔，底座橫向凸臺處(與地軌接觸受力處)1300mm改為1500mm，滾輪座軸承圈內下方墻板上開一φ60工藝孔。

部位應力值/MPa部部位應力值/MPa 位應力值/MPa A 59.6 C 102.7 E 151.7 B 85.5 D 145.6 F 136.7

修改四：在修改三基礎上滾輪座軸承圈內下方墻板上再開一φ 60mm工藝孔。

注：A：滾輪座軸承圈下筋板；B：滾輪座軸承圈下筋板外下角；C：底座吊耳內；D：底座主筋板；E：底座上面板；F：滾輪座前吊耳內

修改五(圖三)：

在修改四基礎上底座內筋板中間孔320mm×200mm改為360mm×220mm，去除滾輪座軸承圈內下方墻板后開的φ60mm工藝孔，將先前開的φ60mm工藝孔向內移動100mm。

3 結語

由以上不同的結構件形式設計經分析后，可以得出：

(1)運用Solidworks設計軟件分析結構時，不能只單獨分析一個結構件，而要從整體上來考慮。因為其(夾具)支撐面Solidworks認為是絕對意義上的剛性，而實際安裝使用中常常是安裝在另一零件(或結構件)，而這些零件(或結構件)往往是鋼鐵件，也就是說，其支撐物不是絕對剛性的，是彈性體，是會發生彈性變形而化解力的，這樣單獨分析的結果與實際使用狀況有較大的誤差。

(2)如果該結構件使用工藝要求對剛性要求不高，只要求強度能滿足即可(如吊車)，可充分利用此特性，即利用開孔的方式降低結構件中局部過高的剛性，使該結構件承受的載荷更大程度分散開，從而提高其承載能力。

(3)如前頭所說，在實際運用中，如發現那兒比較薄弱就去補強那兒。這種方法一定意義上是行不通的。這種方法從上面在各種情況下受力分析可知，有時會起反作用。這就要運用我國中醫所講的辯證法。出現薄弱環節，是這兒太薄弱，還是其他地方太薄弱，不過是在這兒體現出來。

從初始狀到修改一，去除吊耳，進行哪兒薄弱就在哪兒局部加強，從分析結果看，原受力大的地方是得到了改善，但其他地方的局部受力卻很大，如滾輪座軸承圈下筋板部其應力已超過極限。這是由于底座底座強度偏高，上部零件受力不能有效分散下去而導致受力集中而超過極限。根據經驗，在合適位置增加合適大小的孔可有效使受力集中的地方分散。從修改二分析結果看，即為將原受力集中的地方轉移到新開的孔口處，并使受力情況得到改善。從修改三到修改六都是試著使滾輪上受到的力盡可能比較廣泛地分散到機架及底座上，從而改善機架及底座受力情況，即有些部位的確是薄弱的就應該適當加強，但有些部位可以通過開孔的方式將力分散開來，使更多部位受力，從而達到提高零部件的強度的目的。但需要注意的是如何開孔，在哪兒開孔，開多大的孔，這非常值得推敲。因為一旦開的孔位置不好，大小不合適，這不是使受力分散反而是受力集中，也極易超載。當然，光靠設計人員去試著開孔來均散載荷，這既要受限于設計者的經驗，而且效率低下，希望類似于Solidworks這樣的三維軟件能將這樣的分析功能做進去，那會大大提高結構件設計效率。

呂芝飛(1970—),男,漢族,江蘇江都人,機械工程師,從事焊接輔機設備設計開發。