剛度調(diào)節(jié)裝置的設(shè)計(jì)及仿真分析

龐心宇

摘 要：文章利用矩形截面梁的特性設(shè)計(jì)了一個(gè)剛度調(diào)節(jié)裝置，分別建立了懸壁梁和簡(jiǎn)支梁的有限元分析模型，通過對(duì)比分析確定以簡(jiǎn)支梁方式來探討其剛度調(diào)節(jié)性能，得到了在均布載荷作用下矩形截面的寬度、方位角以及梁結(jié)構(gòu)尺寸變化對(duì)其剛度調(diào)節(jié)的影響規(guī)律，所得結(jié)果可為剛度調(diào)節(jié)裝置的工程應(yīng)用提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：剛度調(diào)節(jié)；矩形截面；有限元分析；變形位移

中圖分類號(hào)：TH213.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）19-0088-04

Abstract： In this paper， a stiffness adjusting device is designed based on the characteristics of rectangular section beam， and the finite element analysis models of suspended wall beam and simply supported beam are established respectively. Through comparative analysis， the stiffness adjusting performance of simply supported beam is discussed. The effects of the width of the rectangular section， the azimuth angle and the size change of the beam structure on the stiffness adjustment under the uniformly distributed load are obtained， and the results can provide guidance for the engineering application of the stiffness adjustment device.

Keywords： stiffness adjustment； rectangular section； finite element analysis； deformation displacement

引言

剛度是指結(jié)構(gòu)在受力時(shí)抵抗彈性變形的能力，它與物體的材料性質(zhì)、幾何形狀、邊界約束及外力作用形式相關(guān)，因此在設(shè)計(jì)中，必須確保結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度。

針對(duì)結(jié)構(gòu)中剛度的調(diào)節(jié)問題，許多學(xué)者已開展了大量的研究工作。如胡泓等[1]提出了汽車主錐總面圓錐滾子軸承剛度調(diào)節(jié)的計(jì)算和測(cè)量模型；高中庸等[2]提出了一種剛度可調(diào)的動(dòng)力減振器設(shè)計(jì)方法；朱思洪等[3]針對(duì)駕駛員座椅懸架系統(tǒng)進(jìn)行了剛度調(diào)節(jié)的特性研究；范春英等[4]設(shè)計(jì)了一個(gè)液壓機(jī)械式鉆柱減震器，它能實(shí)現(xiàn)彈性剛度的自動(dòng)調(diào)節(jié)；王偉等[5]設(shè)計(jì)了一種柔性齒條式變剛度關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器，以實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)剛度的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)；CHOI J等[6]利用板簧設(shè)計(jì)了一種機(jī)械式變剛度關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器等等。同時(shí)隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，有限元分析已成為結(jié)構(gòu)剛度分析主要手段，如張偉等[7]采用有限元法對(duì)滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的靜剛度進(jìn)行了仿真分析，探討了導(dǎo)軌副的相關(guān)要素對(duì)其靜剛度的影響；于國飛等[8]利用有限元對(duì)車身骨架的靜態(tài)剛度進(jìn)行了分析；王元清等[9]探討了幾何參數(shù)對(duì)盤式節(jié)點(diǎn)承載力及剛度的影

響；鄒湘等[10]對(duì)造船門式起重機(jī)的剛度進(jìn)行了有限元分析等等。

本文基于矩形截面梁的特性，設(shè)計(jì)了一個(gè)剛度調(diào)節(jié)裝置，并對(duì)其在不同安裝條件的剛度進(jìn)行了有限元分析，以探討其剛度的調(diào)節(jié)性能。

1 剛度調(diào)節(jié)裝置的設(shè)計(jì)

從圖2可以看到，當(dāng)矩形梁截面尺寸分別在0.1～1之間變化時(shí)，慣性矩之比可在0.01～100之間變化，即其最大的慣性矩之比可達(dá)到100倍。

基于上述原理，本文設(shè)計(jì)了如圖3所示的剛度調(diào)節(jié)裝置，它通過撥叉（1）的左右移動(dòng)，帶動(dòng)矩形截面（2）在梁（3）內(nèi)進(jìn)行0°～90°的旋轉(zhuǎn)，從而使矩形截面處于不同的角度，以實(shí)現(xiàn)對(duì)梁結(jié)構(gòu)的剛度調(diào)節(jié)，其中梁截面的外側(cè)為一個(gè)內(nèi)切圓的八邊形結(jié)構(gòu)。

由材料力學(xué)可知，結(jié)構(gòu)的剛度K可定義為：

即當(dāng)矩形截面平放和豎放時(shí)，無論是簡(jiǎn)支梁還是懸臂梁情況，其多邊形梁結(jié)構(gòu)的剛度可增大1.67倍左右。因此下面將從簡(jiǎn)支梁情況出發(fā)，探討矩形截面與多邊形梁結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對(duì)其剛度調(diào)節(jié)的影響。

3.1 矩形截面寬度b的影響

保持矩形截面的高度和多邊形結(jié)構(gòu)尺寸不變，將矩形截面的寬度即b在2～12之間變化，通過仿真分析可得到其在簡(jiǎn)支梁條件下的最大變形位移如表1所示。其中矩形截面在？琢=0°和？琢=90°時(shí)的最大位移之比與其寬度的關(guān)系如圖8所示。

從圖8可以看到，隨著矩形截面寬度的增大，在？琢=90°即矩形截面豎放時(shí)，梁結(jié)構(gòu)的剛度也逐漸增大，并在其寬度b小于8mm時(shí)，其增幅較大，當(dāng)b大于8mm后，其增幅較小。這主要是因?yàn)楫?dāng)b繼續(xù)增大后，其值與h的值越來越接近，從而使得矩形截面無論是橫放或豎放，其在z或y向的慣性矩相接近。

3.2 內(nèi)切圓半徑的影響

選取內(nèi)切圓的半徑從18～28mm之間變化，其它結(jié)構(gòu)尺寸保持不變，則仿真分析后得到其最大位移之比如表2所示，且最大位移之比隨內(nèi)切圓半徑的變化關(guān)系如圖9所示。

從表2和圖9可以得到，隨著內(nèi)切圓半徑的增大，其最大位移之比會(huì)逐漸減少，在r小于22mm時(shí)，其下降的幅度較大，而在r大于22mm后，其下降幅度較緩，這說明隨內(nèi)切圓半徑的增大，梁結(jié)構(gòu)的剛度逐漸由矩形截面為主轉(zhuǎn)化為由八邊形梁為主，即當(dāng)內(nèi)切圓半徑增大到一定程度后，矩形截面無論是橫放或豎放，其剛度的變化對(duì)于整體梁結(jié)構(gòu)的剛度影響較小。

3.3 矩形截面方位角？琢的影響

當(dāng)矩形截面方位角從0°～90°之間變化時(shí)，矩形截面橫放時(shí)的最大位移與梁結(jié)構(gòu)在不同角度時(shí)的最大位移之比如表3所示，其變化規(guī)律如圖10所示。

從表3和圖10可以得到，隨著矩形截面方位角從0°～90°的增大，梁整體結(jié)構(gòu)的剛度隨非線性的方式增大，但當(dāng)？琢增大到75°時(shí)，梁結(jié)構(gòu)剛度的增大發(fā)生了一個(gè)突變，即其變化會(huì)變得平緩，這說明矩形截面在梁的內(nèi)孔旋轉(zhuǎn)時(shí)，可以起到調(diào)節(jié)梁結(jié)構(gòu)剛度的目的，但當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度增大到75°后，其剛度調(diào)節(jié)作用會(huì)變緩。

4 結(jié)論

4.1 基于矩形截面在不同坐標(biāo)方向所顯示慣性矩的差異，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)能調(diào)節(jié)梁結(jié)構(gòu)剛度的裝置，隨著矩形截面在梁內(nèi)孔中的旋轉(zhuǎn)，使梁結(jié)構(gòu)整體的剛度隨著旋轉(zhuǎn)角度發(fā)生變化。

4.2 隨著矩形截面寬度的增大，矩形截面在豎放與橫向的剛度之比也會(huì)增大，但當(dāng)矩形的寬度接近其高度時(shí)，其剛度之比將不再增加。

4.3 隨著梁內(nèi)切圓半徑的增大，矩形截面在豎放與橫向的剛度比下降，這說明梁內(nèi)切圓半徑增大后，矩形截面對(duì)梁整體結(jié)構(gòu)剛度的影響將下降，因此要實(shí)現(xiàn)本文所設(shè)計(jì)的剛度調(diào)節(jié)裝置，必須要使矩形截面的剛度占有主導(dǎo)地位。

4.4 隨著矩形截面方位角的增大，梁結(jié)構(gòu)的剛度也會(huì)以非線性的方式增大，但當(dāng)主位角增大到75°后，其剛度增大的幅度會(huì)變得平緩，此時(shí)其調(diào)節(jié)作用會(huì)減弱。

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