本科機械制造及其自動化(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 擇為 HT200 的鑄造件，并且兩端軸承由于考慮受力不同的問題，所選擇軸承均為角接觸球軸承，但內(nèi)徑不同，分別為7006C 和 7007AC。其固定螺栓選擇M10x30，設(shè)計三維圖如圖 所示： 圖 貴州大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 第 9 頁 自動化盤式揉捻機揉桶固定架設(shè)計 揉桶固定架主要是用來固定揉桶，在其中一個臂上固定步進電動機及其自動化加壓裝置的副軸，并且在揉捻機工作時受到茶葉的反作用力，故在固定自動化加壓裝置的副軸處進行加厚，其材料選擇為 HT200，固定軸的固定螺栓選擇 M14，固定揉桶的半圓頭螺栓選擇 M14，具體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖 所示： 圖 自動化盤式揉捻機自動化加壓裝置副軸設(shè)計 揉捻機在經(jīng)過自動化改造后，將在副軸頂端加裝上一個傳感器，來控制工作時加壓蓋對茶葉的壓力，并將數(shù)據(jù)傳遞給步進電動機，副軸一側(cè)開槽，將內(nèi)部裝有的絲杠的轉(zhuǎn)動，變成直線移動輸出，從而實現(xiàn)自動化控制。其材料選擇合金碳鋼，但底端端蓋用 HT200 與副軸做焊接，并用 M12 螺栓組與步進電動機減速箱連接，且兩端軸 承選擇7006C 的角接觸球軸承，正裝固定。其具體結(jié)構(gòu)如圖 所示： 圖 貴州大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 第 10 頁 自動化盤式揉捻機步進電動機固定架設(shè)計 異步電動機減速箱作為支撐件的簡化設(shè)計 自動化盤式揉捻機揉盤設(shè)計 揉盤是一個由邊緣向中間逐漸下凹的鑄鐵圓盤，通常做成花盤形，上鋪銅板或不銹鋼板，板上裝有 12 到 20 月牙形棱骨，用于增加揉搓力，本設(shè)計選擇 12 根棱骨。揉盤的中間裝有可供開啟和關(guān)閉的出茶門。揉盤的上面裝揉桶，揉桶上裝有揉桶蓋。揉桶可 圖 步進電動機固定架固定于揉桶固定架的一個臂上，并主要用來固定自動化加壓裝置的步進電動機，其材料選擇為碳鋼，并用 M16 螺栓組進行固定連接，其具體結(jié)構(gòu)如圖 所示： 圖 異步電動機減速箱作為揉盤的一個支撐支座，該支座分為上下兩節(jié)，上面一節(jié)兼作減速箱，并用 M16的螺栓與揉盤進行連接，其具體基本結(jié)構(gòu)如圖 所示： 貴州大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 第 11 頁 由傳動機構(gòu)帶動在揉盤上作平 面轉(zhuǎn)動，并與揉盤互相配合，完成揉捻作業(yè)，其具體結(jié)構(gòu)如圖 所示： 圖 自動化盤式揉捻機揉桶設(shè)計 揉桶是裝載揉捻葉的容器，它固定于揉桶固定架上，由曲臂帶動運轉(zhuǎn)。揉桶上部的揉桶蓋裝有加壓裝置用于控制揉桶蓋的上下位置，從而實現(xiàn)揉捻時對揉捻葉的加壓。其具體結(jié)構(gòu)如圖 所示： 圖 貴州大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 第 12 頁 自動化盤式揉捻機加壓蓋及其組件設(shè)計 如圖 所示為茶葉揉捻機的加壓裝置組件，該裝置是自動化茶葉揉捻機的核心部分，起主要作用是對茶葉施加一向下的壓力，控制壓力的大小。它主要包括桶蓋、懸梁、 副軸、軸承、絲杠螺母、錐齒輪以及自動施加壓力的步進電動機等部件。其主要部分為進給部分，在步進電動機的帶動下通過絲桿螺母調(diào)整懸臂的豎直位置進而來調(diào)整壓力的大小，達到所需的不同大小的壓力，保證茶葉揉捻質(zhì)量。 圖 第四章 自動化盤式揉捻機主要機械部件有限元分析 Solidworks 有限元分析簡介 有限單元法分析 有限單元法（ finite element method,簡稱 FEM）是求解數(shù)理方程的一種數(shù)值計算方法，是將彈性理論、計算數(shù)學(xué)和計算機軟件結(jié)合在一起的一種數(shù)值分析技術(shù)，是 解決工程實際問題的一種有力的數(shù)值計算工具。由于這一方法靈活、快速和有效，其迅速發(fā)展 貴州大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 第 13 頁 成為求解各領(lǐng)域數(shù)理方程的一種通用計算方法。目前，有限元法在許多科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域和實際工程問題中都得到了廣泛的應(yīng)用，如機械制造、材料加工、航空航天、土木建筑、電子電氣、國防軍工、船舶、鐵道、汽車和石化能源等，并得到了普遍重視。 有限元法的分析過程 有限元分析計算的步驟可歸納如下： 結(jié)構(gòu)的離散化 結(jié)構(gòu)的離散化就是將分析的結(jié)構(gòu)體劃分為有限個單元體，將原來連續(xù)的單元體假想地分割成為一個離散的結(jié)構(gòu)，這一離散化的結(jié)構(gòu)由有限多個 形狀簡單的構(gòu)件組成，這些有限大小的構(gòu)件稱為有限單元或簡稱單元，相鄰單元在節(jié)點處連接在一起，并在單元體的指定點設(shè)置節(jié)點，使相鄰單元的有關(guān)參數(shù)具有一定的連續(xù)性，并構(gòu)成一個單元的集合體，以它代替原來的結(jié)構(gòu)。單元節(jié)點的設(shè)置、性質(zhì)、數(shù)目等應(yīng)視問題的性質(zhì)、描述變形形態(tài)的需要和計算精度而定。有限元法的計算模型實際上是一個僅在節(jié)點處連接，僅靠節(jié)點傳力的有限個單元的集合體。 選擇位移模式 在完成結(jié)構(gòu)的離散化之后，就可以對單元進行特性分析。在有限元法中，選擇節(jié)點位移作為基本未知量時稱為位移法 。選擇節(jié)點力作為基本未知量時稱為 力法 。取一部分節(jié)點力和一部分節(jié)點位移作為基本未知量時稱為混合法。位移法易于實現(xiàn)計算自動化，所以在有限單元法中位移法應(yīng)用范圍最廣。為了能用節(jié)點位移表示單元體內(nèi)的位移、應(yīng)變和應(yīng)力，在分析連續(xù)體問題時，必須對單元中位移的分布做出一定的假設(shè)，也就是假定位移是坐標(biāo)的某種簡單函數(shù)，這種函數(shù)稱為位移模式或插值函數(shù)。選擇適當(dāng)?shù)奈灰坪瘮?shù)是有限單元法分析中的關(guān)鍵。通常選擇多項式作為位移模式。其原因是因為多項式的數(shù)學(xué)運算 (微分和積分 )比較方便，并且由于所有光滑函數(shù)的局部，都可以用多項式逼近，至于多項式的項數(shù)和階次的選擇，則要考慮 單元的自由度和解的收斂性要求，一般來說，多項式的項數(shù)應(yīng)等于單元的自由度數(shù)，它的階次應(yīng)包括常數(shù)項和線性項等。單元的自由度是指單元節(jié)點獨立位移的個數(shù)。根據(jù)選定的位移模式，就可以導(dǎo)出用節(jié)點位移表示單元內(nèi)任意一點位移的關(guān)系式，其矩陣形式是： {u}= [N]{δ}＇ (41) (41)式中 {u}—— 單元內(nèi)任意一點的位移列陣 貴州大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 第 14 頁 {δ}＇ —— 單元的節(jié)點位移列陣 [N]—— 形函數(shù)矩陣，它的元素是位置坐標(biāo)的函數(shù) 分析單元的力學(xué)性質(zhì) 位移模式選定以后，根據(jù)單元的材料性質(zhì)、形狀、尺寸、節(jié)點數(shù)目、位置及其含義 等，進行單元的力學(xué)特性分析，包括如下三步： (1)利用幾何方程，由位移表達式 (41)導(dǎo)出節(jié)點位移表示單元應(yīng)變的關(guān)系式： {ε }= [B]{δ}＇ (42) (42)式中 {ε}—— 單元內(nèi)任意一點的應(yīng)變列陣 [B]—— 單元應(yīng)變矩陣 (2)利用本構(gòu)方程，由應(yīng)變的表達式 (42)導(dǎo)出節(jié)點位移表示單元應(yīng)力的關(guān)系式： {σ }= [D]{ε}= [D][B]{δ}＇ (43) (43)式中 {ζ}—— 單元內(nèi)任意一點的應(yīng)力列陣 [D]—— 與單元材料有關(guān)的彈性矩陣 (3)利用變分原理，建立作用于單元上的 節(jié)點力與節(jié)點位移之間的關(guān)系式，即單元的平衡方程為： { f }＇ = [K] ＇ {δ}＇ (44) (44)式中 [K] ＇ —— 單元剛度矩陣， [K] =∫∫∫ [B][D][B] dxdydz 式 (44)的積分應(yīng)普及整個單元的體積。 單元組集，建立整個結(jié)構(gòu)的平衡方程 單元組集包括兩方面的內(nèi)容 :一是各個單元的剛度矩陣，集合成整個物體的整體剛度矩陣 。二是將作用于各單元的等效節(jié)點力集合成總的載荷列陣。最常用的集合剛度矩陣的方法是直接剛度法。一般來說，集合所依據(jù)的理由是要求所有相臨的單元在公共結(jié)點處的 位移相等。于是得到以整體剛度矩陣 [K]、載荷列陣 {f}以及整個物體的結(jié)點位移列陣 {δ}表示的整個結(jié)構(gòu)的平衡方程： [K ]{δ}={f} (45) 這個方程還應(yīng)考慮幾何邊界條件作適當(dāng)?shù)男薷闹螅拍軌蚪獬鏊械奈粗Y(jié)點位 貴州大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 第 15 頁 移。 求解未知節(jié)點位移 由集合起來的平衡方程組 (45)解出未知位移。這里，可以根據(jù)方程組的具體特點選擇合適的計算方法。 計算單元應(yīng)力 最后就可利用公式 (43)和已求得的節(jié)點位移計算各單元的應(yīng)力，并加以整理得出想要的結(jié)果 [20][21]。 有限元法的分析步驟 從使用 有限元程序的角度來講，有限元分析可分為三個步驟，即有限元分析的前處理、有限元分析的計算和有限元分析的后處理。 (1) 前處理是對計算對象網(wǎng)格劃分、形成計算模型的過程。包括單元類型的選擇，結(jié)構(gòu)的材料特征參數(shù)的確定，實體建模，節(jié)點和單元網(wǎng)格的確定，邊界條件或約束條件及載荷的移置等。許多商用有限元軟件不僅提供了與主流 CAD 系統(tǒng)的接口，自己本身也又很好的實體建模性能有限元軟件都提供了一種以上的網(wǎng)格劃分方法，以供使用者根據(jù)計算要求進行選擇。其任務(wù)包括： 1) 建立分析結(jié)構(gòu)的幾何模型。對于幾何形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，可以直接讀 取 CAD 軟件的相關(guān)格式，或者以 IGES 等文件格式作為中介，從 CAD 系統(tǒng)中獲取結(jié)構(gòu)的幾何模型，輸入有限元分析軟件。 2) 根據(jù)分析對象和目的，確定有限元網(wǎng)格劃分方案 (單元類型的選擇、但愿密度和數(shù)量 )和裝配方案 (連接關(guān)系類型和位置 )，建立有限元分析的計算模型。 3)確定施加邊界條件 (結(jié)構(gòu)所受的載荷和約束 )。 (2) 計算是在形成總剛度方程和約束處理后求解大型聯(lián)立方程組、最終得到節(jié)點位移的過程。可以利用程序提供的各種求解方法進行選擇求解。由于商用軟件己經(jīng)針對多種模型進行過驗證運算，因此只需要按照提示輸入各種條件 ，包括收斂的方法 (在軟件中，這常被稱為求解器 )等，計算機就可以進行計算，得到計算結(jié)果。 (3) 后處理是對計算結(jié)果 (應(yīng)力、應(yīng)變或振型等 )進行必要的處理，并按一定有限單元法具有如下優(yōu)點： 1） 分析對象的幾何形狀適應(yīng)性強； 2） 適用范圍廣； 貴州大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 第 16 頁 3） 較好的穩(wěn)定性和收斂性。便于計算機進行處理。有限單元法采用矩陣式和單元組裝方法，每一個步驟都便于實現(xiàn)計算機軟件模塊化，有利于計算機軟件的處理。 有限元分析分析機械部件 揉捻機支撐件有限元法分析 2. 編輯該零件的應(yīng)用材料 選擇灰鑄鐵，并單擊應(yīng)用按鈕，然后關(guān)閉該窗口，如圖 所示： 1. 安裝 Solidworks simulation 插件后，打開 所要分析的零件圖，新建一個算例，該揉捻機結(jié)構(gòu)部件的有限元分析只做其靜態(tài)分析，并單擊確定按鈕，如圖 所示： 圖 貴州大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 第 17 頁 圖 3. 添加夾具 固定幾何體，然后單擊確定按鈕，如圖 所示： 圖 貴州大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 第 18 頁 4. 加載外部載荷 由于揉捻機各個零件都已經(jīng)編輯了應(yīng)用材料，所以整個機器的總重量是已知的。在此，估測一個足夠大的值，取施加載荷為 1200N 的力作分析，然后單擊確定按鈕，其具體做法如圖 所示： 圖 5. 劃分網(wǎng)格 網(wǎng)格控制允許獨立于整體單元尺寸而只在所選的位置控制局部單元尺寸。與整體網(wǎng)格細(xì)化相比較，它是更有效的數(shù)值 技術(shù)。在需要的位置進行小單元劃分，那些無應(yīng)力集中的地方用較大的網(wǎng)格劃分。本部件 由于在受力的部位有應(yīng)力集中的地方如圖 所示，因此，可以應(yīng)用網(wǎng)格控制細(xì)化分析。在這里我們做個比較，選擇應(yīng)用網(wǎng)格控制圖 和不選擇應(yīng)用網(wǎng)格控制圖 所示： 貴州大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 第 19 頁 圖 圖 貴州大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 第 20 頁 圖 綜述：網(wǎng)格控制可以應(yīng)用到點、面或裝配體的整個零部件。從以上兩圖通過分析我們可以觀察出來，在應(yīng)力集中的地方，選擇了應(yīng)用網(wǎng)格控制的位置比其他地方網(wǎng)格要細(xì)化很多，控制的網(wǎng)格沿邊界局部細(xì)化，而沒選擇的網(wǎng)格和其他一樣。 6. 運行算例 在應(yīng)力 集中的地方發(fā)生的位移變形比較大，因為此零件是鑄造而成，在應(yīng)力集中的地方?jīng)]有倒角，應(yīng)力較大，所以要改進的是將此處倒角，減少應(yīng)力集中。因此，可以清晰的看到該零部件受到 1200N 力時的應(yīng)力、位移、應(yīng)變結(jié)果示意圖，其如圖 、 所示： 貴州大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 第 21 頁 圖 圖 貴州大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 第 22 頁 圖 揉盤有限元法分析 1. 選擇模型 我們知道揉盤中的載荷來源是茶葉的重量，而茶葉只有揉桶里面有，所以揉盤內(nèi)只有揉盤所處的位置受力，其它部分不受力，我們用分割線將模型分割出揉桶的位置以便接下來分析。如下圖 所示： 圖 貴州大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 第 23 頁 2. 編輯材料 在茶葉揉捻過程中，由于茶葉汁液的流出，可能會使得鑄鐵生銹。因此，應(yīng)在鑄鐵構(gòu)架中鋪設(shè)不銹鋼鋼板，也保證了該機器所揉捻的茶葉品質(zhì)保持較好。 3. 揉盤進行夾具固定 在固定揉盤時，是將三個軸承座處固定，其具體固定方式如圖 所示： 圖 4. 外部載荷 考慮揉桶所裝茶葉的重量，及其加壓蓋所加壓力，這里給予較大的 估測值500N 進行分析，如圖 所示： 圖 貴州大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 第 24 頁 5. 劃分網(wǎng)格 揉盤在工作部位和固定端存在應(yīng)力集中，可采用應(yīng)用網(wǎng)格控制和不選擇應(yīng)用網(wǎng)格控制 進行比較分析，如圖 和 所示：