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如图1-3所示,应变云图与应力云图的对应的,二者之间存在一转换关系。
图1-1应力云图图1-2位移云图
图1-3应变云图图1-4模态分析
2模态分析:
图1-4的“列举模式”对话框中列出了“推杆活塞”零件在工作载荷下,其前三阶的模态的频率远远大于输入转速的频率,因此在启动及工作过程中,该零件不会发生共振情况。
模态验证符合设计要求。
2。
凸轮轴零件
45钢,屈服强度355MPa。
根据活塞推杆的受力情况,换算至该零件上的扭矩约为10.5N·
m。
1静力分析:
如图1-5所示为“凸轮轴”零件的应力云图,零件上的最大应力为212Mpa,平均应力约为120MPa,零件的安全系数约为1.7,符合设计要求。
图1-5应力云图图1-6模态分析
2模态分析
图1-6的“列举模式”对话框中列出了“推杆活塞”零件在工作载荷下的模态参数,“模式1”的结果为其自由度内的模态,不作为校核参考。
第二阶模态的频率远远大于输入转速的频率,因此在启动及工作过程中,该零件不会发生共振情况。
3.箱体零件
按书中尺寸建立模型,零件体积254cm3。
材料选用灰铸铁,极限应力151.6MPa。
对该零件进行静力分析,结果如图1-7所示。
模型的最大vonMises为16.1MPa,零件的安全系数约为9.4。
图1-7箱体应力云图
5零件改进
箱体零件的安全系数很大,这里通过减小零件的厚度来减小零件的重量。
模型中有很大部分的应力很小,同时考虑零件的结构,如钻螺纹孔,可以去掉部分材料,改进后零件的体积为188cm3。
对改进后的模型运行静力分析,结果如图1-8所示:
最大vonMises为26.1MPa,安全系数约5.8。
图1-8改进模型应力云图
6成本节约
模型原来的体积为254cm3,改进后的模型的体积为188cm3,体积减少了66cm3,每件减少的重量为475g,如果生产10000件,那么总共可节省材料4750kg,以当前灰铸铁的市场价格为8000元/吨,那么可以节省38000元。
二、范例名:
(Lifter升降机构)
(2)额定提升载荷2000N。
该升降装置中,蜗杆、蜗轮是传动装置,本体零件是主要的承载部分。
因此,这里对本体零件进行静力分析。
验证本体零件在给定的载荷下静强度是否满足要求。
按书中尺寸建立模型,零件体积为68.7cm3。
材料选用可锻铸铁,极限应力275.7MPa。
根据零件的工作情况,对该零件进行静力分析,结果如图1-9所示。
模型的最大vonMises为62.1MPa,零件的安全系数约为4.4。
图1-9本体零件应力云图
由零件的应力云图可以看出,零件上的最大应力为62.1MPa,零件上应力小的部分比较多,同时考虑零件的结构,如钻螺纹孔,可以对这些部位减小尺寸,从而减轻零件的质量。
除了减小了零件的厚度外,还更改了模型上加强筋结构的尺寸和结构。
改进后零件的体积为60cm3
对改进后的模型运行静力分析,结果如图1-10所示:
最大vonMises为120.5MPa,安全系数约2.3。
图1-10改进模型应力云图
模型原来的体积为68.7cm3,改进后的模型的体积为60cm3,体积减少了8.7cm3,每件减少的重量为63.5g,如果生产10000件,那么总共可节省材料635kg,以当前可锻铸铁的市场价格为10000元/吨,那么可以节省6350元。
三、范例名:
(ElectromagnetismValve电磁阀)
电磁阀的额定工作压力为2MPa,最大工作压力为4MPa。
该升降装置中本体零件是主要的承载部分。
按书中尺寸建立模型,零件体积为57.7cm3。
根据零件的工作情况,对该零件进行静力分析,结果如图1-11所示。
模型的最大vonMises为60.5MPa,零件的安全系数约为2.5。
图1-11本体零件应力云图
由零件的应力云图可以看出,零件上的最大应力为60.5MPa,零件上应力小的部分比较多,同时考虑零件的结构,如钻螺纹孔和管罗纹接口等,可以对一些应力较小的部位减小尺寸,从而减轻零件的质量。
改进后零件的体积为48.6cm3
对改进后的模型运行静力分析,结果如图1-12所示:
最大vonMises为104.1MPa,安全系数约1.46。
图1-12改进模型应力云图
模型原来的体积为57.7cm3,改进后的模型的体积为48.6cm3,体积减少了9.1cm3,每件减少的重量为65.5g,如果生产10000件,那么总共可节省材料655kg,以当前可锻铸铁的市场价格为10000元/吨,那么可以节省6550元。
四、范例名:
(DrillClamp钻模夹具)
夹具用于钻床使用,最大轴向钻削力为1800N。
该钻模夹具装置中底座和摇摆座两个零件是主要的承载部分。
因此,这里对底座和摇摆座零件进行静力分析。
(1)验证底座零件在给定的载荷下静强度是否满足要求。
(2)验证摇摆座零件在给定的载荷下静强度是否满足要求。
1。
底座零件
按书中尺寸建立模型,零件体积为63.6cm3。
根据零件的工作情况,对该零件进行静力分析,结果如图1-13所示。
模型的最大vonMises为6.7MPa,零件的安全系数约为22.6。
图1-13底座零件应力云图
摇摆座零件
按书中尺寸建立模型,零件体积为42.2cm3。
根据零件的工作情况,对该零件进行静力分析,结果如图1-14所示。
模型的最大vonMises为49.8MPa,零件的安全系数约为3。
图1-14摇摆座零件应力云图
由图1-13的底座零件应力云图可以看出,零件上的最大应力为67.2MPa,零件上应力小的部分比较多,同时考虑零件的结构,如钻螺纹孔等,可以对一些应力较小的部位减小厚度,从而减轻零件的质量。
改进后零件的体积为51.6cm3
对改进后的模型运行静力分析,结果如图1-15所示:
最大vonMises为28.1MPa,安全系数约5.4。
图1-15改进模型应力云图
由图1-14的底座零件应力云图可以看出,零件上的最大应力为49.8MPa,零件上应力小的部分比较多,同时考虑零件的结构,如钻孔等,可以对一些应力较小的部位减小厚度,从而减轻零件的质量。
改进后零件的体积为37.5cm3
对改进后的模型运行静力分析,结果如图1-16所示:
最大vonMises为50.4MPa,安全系数约3。
图1-16改进模型应力云图
底座和摇摆座模型原来的体积分别为63.6cm3和42.2cm3,改进后的模型的体积分别为51.6cm3和37.5cm3,体积共减少了16.7cm3,每件减少的重量为120.24g,如果生产10000件,那么总共可节省材料1202.4kg,以当前灰铸铁的市场价格为8000元/吨,那么可以节省9619.2元。
五、范例名:
CH07(DieselOilEnginePump柴油引擎燃料泵)
该装置为柴油引擎燃料泵,最高工作压力为4MPa。
件3套筒零件的内腔用来将燃料增压,件3套筒零件的损坏情况可能为强度破坏,也可能为疲劳破坏,因此分析件3套筒零件的静强度和疲劳强度。
1、验证零件在给定的载荷下静强度是否满足要求;
2、求解模型在给定工作载荷下的疲劳寿命。
1.静力分析
按书中尺寸建立模型,零件体积为8cm3。
材料选用AISI1020,屈服应力351.6MPa。
根据零件的工作情况,对该零件进行静力分析,结果如图1-17所示。
模型的最大vonMises为25.8MPa,零件的安全系数约为13.6。
零件安全。
图1-17套筒零件应力云图
2.疲劳分析
周期载荷为P=4MPa,LR=0,周期个数:
1000000。
对零件进行疲劳分析,得到零件的损坏云图、生命总数云图和安全系数云图分别如图1-18~图1-20所示,由安全系数云图可以看出,零件是安全的。
图1-18损坏应力云图
图1-19生命总数云图
图1-20安全系数云图
5小结
本节验证了柴油引擎燃料泵装置里件3套筒零件的静强度和疲劳强度,计算结果表明,两项指标均符合设计要求。
考虑到成本和结构问题,这里不作改进。
六、范例名:
(TurningMachine转向机构)
该装置为一转向机构,该机构主要用于需要换向的场合,设计工作载荷为600N。
件1本体零件和件4端盖零件是主要的承载零件,因此,这里对本体和端盖零件进行静强度校核。
1、验证件1本体零件在给定的载荷下静强度是否满足要求;
2、验证件4端盖零件在给定的载荷下静强度是否满足要求;
两个零件的材料均选用灰铸铁,极限应力151.6MPa。
按照书中尺寸进行建模,件1本体零件和件4端盖零件的体积分别为133cm3和16.7cm3,总体积为149.7cm3。
根据零件的工作情况,对该零件进行静力分析,结果如图1-21所示。
模型的最大vonMises为51.3MPa,零件的安全系数约为3。
图1-21静力分析应力云图
由图1-21的装配体的应力云图可以看出,零件上的最大应力为51.3MPa,零件上应力小的部分比较多,同时考虑零件的结构,如钻螺纹孔等,可以对一些应力较小的部位减小厚度,从而减轻零件的质量。
改进后两个零件的体积为139.5cm3。
对改进后的模型运行静力分析,结果如图1-22所示:
最大vonMises为52MPa,安全系数约2.9,零件是安全的。
图1-22改进模型应力云图
本体和端盖零件原来的体积之和为149.7cm3,改进后这两个零件的体积之和为139.5cm3,每件体积减少了10.2cm3,每件减少的重量为73.44g,如果生产10000件,那么总共可节省材料734.4kg,以当前灰铸铁的市场价格为8000元/吨,那么可以节省5875.2元。
七、范例名:
(AirCompressor空气压缩机)
空气压缩机的额定功率为2Kw,输入转速为1450r/min。
件3曲轴零件和件4连杆零件是主要的传动机构,这里分析这两个零件,包括静力强度、模态和疲劳强度。
(1)验证件3曲柄零件在给定的载荷下静强度是否满足要求。
(2)验证件4连杆零件在给定的载荷下静强度是否满足要求。
(3)计算件3曲柄零件的模态,在工作过程中避开共振频率。
计算得输入转矩为:
16.5N·
m,换算至曲轴和连杆上,相当于作用一571N的力,这里以600N来计算。
(1)曲柄零件
按书中尺寸建立模型,零件体积为130.4cm3。
材料选用普通碳钢,屈服应力220.6MPa。
根据零件的工作情况,对该零件进行静力分析,结果如图1-23所示。
模型的最大vonMises为23.2MPa,零件的安全系数约为9.5。
图1-23曲柄零件应力云图
(2)连杆零件
按书中尺寸建立模型,零件体积为29cm3。
材料选用普通碳钢,屈服应力151.6MPa。
模型的最大vonMises为7.3MPa,零件的安全系数约为20.8。
图1-24连杆零件应力云图
2.模态分析
图1-25的“列举模式”对话框中列出了“曲柄”零件的模态。
“模式号1”为其未约束的自由度的模态,在工作中没有意义。
第二阶的模态的频率远远大于输入转速的频率,因此在启动及工作过程中,该零件不会发生共振情况。
图1-25模态分析
由图1-23的应力云图可以看出,零件上的最大应力为23.3MPa,零件上应力小的部分比较多,同时考虑零件的结构,如质量平衡、钻螺孔纹等,可以对一些应力较小的部位减小厚度,从而减轻零件的质量。
改进后两个零件的体积为88.8cm3。
对改进后的模型运行静力分析,结果如图1-26所示:
最大vonMises为42.9MPa,安全系数约5.1,零件是安全的。
图1-26改进后模型应力云图
由图1-24的应力云图可以看出,零件上的最大应力为7.3MPa,零件上应力小的部分比较多,同时考虑零件的结构,如质量平衡、钻螺孔纹等,可以对一些应力较小的部位减小厚度,从而减轻零件的质量。
改进后两个零件的体积为25.3cm3。
对改进后的模型运行静力分析,结果如图1-27所示:
最大vonMises为8.8MPa,安全系数约17.2,零件是安全的。
图1-27改进后模型应力云图
曲柄零件的体积减小了41.6,重量减轻了324.5g,如果生产10000件,那么总共可节省材料3245kg;
连杆零件的体积减小了3.7,重量减轻了26.6g,如果生产10000件,那么总共可节省材料266kg。
以当前市场的普通碳钢价格12000元/吨和灰铸铁的价格8000元/吨,总共可节约成本41068元。
八、范例名:
(Retarder减速机)
该装置为一减速机,该机构主要用于需要变速的场合,设计工作载荷为2000N。
件1本体零件是主要的承载零件,因此,这里对本体零件进行静强度校核。
验证件1本体零件在给定的载荷下静强度是否满足要求;
零件的材料选用灰铸铁,极限应力151.6MPa。
按照书中尺寸进行建模,件1本体零件的体积为198.6cm3。
根据零件的工作情况,对该零件进行静力分析,结果如图1-28所示。
模型的最大vonMises为93.7MPa,零件的安全系数约为1.6。
图1-28静力分析应力云图
由图1-28零件的应力云图可以看出,零件上的最大应力为93.7MPa,零件上应力小的部分比较多,同时考虑零件的结构,如钻螺纹孔等,可以对一些应力较小的部位减小厚度,从而减轻零件的质量。
改进后两个零件的体积为171.6cm3。
对改进后的模型运行静力分析,结果如图1-29所示:
最大vonMises为98.2MPa,安全系数约1.5,零件是安全的。
图1-29改进模型应力云图
本体零件原来的体积为198.6cm3,改进后零件的体积为171.6cm3,每件体积减少了27cm3,每件减少的重量为194.4g,如果生产10000件,那么总共可节省材料1994kg,以当前灰铸铁的市场价格为8000元/吨,那么可以节省15952元。
九、范例名:
(TowHook牵引钩)
该装置为一拖拽车辆用的牵引钩,设计工作载荷为20000N。
零件的材料选用可锻铸铁,极限应力275.7MPa。
按照书中尺寸进行建模,件1本体零件的体积为1230.1cm3。
根据零件的工作情况,对该零件进行静力分析,结果如图1-30所示。
模型的最大vonMises为80.9MPa,零件的安全系数约为3.4。
图1-30静力分析应力云图
由图1-28零件的应力云图可以看出,零件上的最大应力为80.9MPa,零件的安全系数较大,因此可以使用性能差一些的材料,这样可以节省制造的成本;
零件上应力小的部分比较多,同时考虑零件的结构,这里不对结构进行更改。
更改零件的材料为灰铸铁进行静力分析,结果如图1-31所示:
最大vonMises为80.9MPa,安全系数约1.9,零件是安全的。
图1-31改进模型应力云图
本体零件的体积为1230.1cm3,使用可锻铸铁的质量为8979.7g,以当前市场的价格10000元/吨,那么生产10000件的成本为897970元;
如果使用灰铸铁,质量为8856.7,以当前市场的价格8000元/吨,那么生产10000件的成本为708536元。
比较可知共节约成本189434元。
十、范例名:
(SwayingMachine摇摆机构)
该装置为一电风扇的摇摆机构,机构的负载较小,设计载荷为50N。
按照书中尺寸进行建模,件1本体零件的体积为49.6cm3。
根据零件的工作情况,对该零件进行静力分析,结果如图1-32所示。
模型的最大vonMises为4.9MPa,零件的安全系数约为31。
图1-32静力分析应力云图
零件上的应力很小,此机构用于电风扇的摇摆机构,因此需要尽量减轻装置的质量,将零件的材料换成塑料件,使用ABS塑料,材料的张力强度为30MPa。
更改零件的材料为ABS塑料进行静力分析,结果如图1-33所示:
最大vonMises为4.7MPa,安全系数约6.4,零件是安全的。
图1-33改进模型应力云图
零件的体积为49.6cm3,使用灰铸铁,零件的质量为357.1g,生产10000件所需的材料质量为3571kg,以当前的市场价格8000元/吨,成本为28568元;
使用ABS塑料,零件的质量为51.1g,生产10000件所需的材料质量为511kg,以当前的市场价格13000元/吨,成本为6643元,那么可以节约材料成本为21925元。
另外从制造方法看,后者节省加工成本。
十一、范例名:
(UniversalVice万向虎钳)
万向虎钳为一夹紧装置,设计最大夹紧力为10000N。
件4活动钳口零件是主要的承载零件之一,因此,这里对本体零件进行静强度校核。
按照书中尺寸进行建模,件4活动钳口零件的体积为68.9cm3。
根据零件的工作情况,对该零件进行静力分析,结果如图1-34所示。
模型的最大vonMises为104.8MPa,零件的安全系数约为2.6。
图1-34静力分析应力云图
万向虎钳中件4活动钳口零件在工作过程中,当夹紧力达到最大值(10000N)时,零件上的最大vonMises为104.8MPa,安全系数约为2.6,零件安全。
由于在夹紧工件的时候,需要一定的夹紧面积,来保证夹紧稳定和不破坏工件,因此设计的零件是合理的,不进行改进。
十二、范例名:
(Graduator分度机构)
设计一用于铣床的分度机构,该机构同时还起到夹紧零件的作用。
工作过程中,铣削力900N。
件1本体零件是主要的承载零件之一,因此,这里对本体零件进行静强度校核。
按照书中尺寸进行建模,件1本体零件的体积为100cm3。
根据零件的工作情况,对该零件进行静力分析,结果如图1-35所示。
模型的最大vonMises为7.4MPa,零件的安全系数约为41.1。
图1-35静力分析应力云图
有图1-35可以看出,该零件的应力较小,所以可以减小零间的厚度;
并使用性能差一些的材料,这样可以节省制造的成本。
修改零件材料为灰铸铁,极限应力171.6MPa;
并减小零件的壁厚,改进后零件的体积为77.8cm3。
对改进后的零件进行静力分析,结果如图1-36所示:
最大vonMises为10.7MPa,安全系数约16,零件是安全的。
图1-36改进模型应力云图
零件原来的体积为100,质量为730g,生产10000件需要可锻铸铁材料7300kg,以当前市场价格10000元/吨,材料成本为73000元;
改进后零件的体积为77.8,质量为560.2g,生产10000件需要灰铸铁材料5602kg,以当前市场价格8000元/吨,材料成本为44816元。
改进后,如果生产10000件该零件,那么可以在材料方面节约成本28184元。
十三、范例名:
(InflateBump打气泵)
(1)打气泵的最大工作压力为1MPa。
(2)输入转速为1450rpm。
件5曲柄零件和件8心轴零件是主要的传递动力的组件,因此,这里对这两个零件进行静强度校核、模态分析和疲劳寿命。
(1)验证件5曲柄零件在给定的载荷下静强度是否满足要求。
(2)验证件8心轴零件在给定的载荷下静强度是否满足需求。
(3)计算件8心轴零件的模态。
(4)计算件8心轴零件的疲劳寿命。
工作压力为1MPa,计算得施加在件5曲柄零件上的力为314N;
施加在件8心轴零件上的转矩为2.36N·
1.曲柄零件
按照书中尺寸进行建模,件5曲柄零件的体积为1.4cm3。
根据零件的工作情况,对该零件进行静力分析,结果如图1-37所示。
模型的最大vonMises为17.4MPa,零件的安全系数约为8.7。
图1-37静力分析应力云图
2.心轴零件
1、静力分析
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