基于UG8.5和ANSYS對鋼索拉伸實驗裝置的研究

趙浩甲，宋文學，李 莎

（1.西安工業(yè)大學 機電工程學院，西安 710021；2.西安航空學院 機械工程學院，西安 710077）

0 引言

隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，許多大型設(shè)備中的牽引裝置和傳動裝置都離不開鋼索部件的參與。特別在航空行業(yè)中，在飛機的操縱系統(tǒng)中，諸多飛行動作的操縱裝置和執(zhí)行裝置之間都是依靠鋼索來實現(xiàn)完成的。而鋼索所能承受的最大拉力和最多拉伸次數(shù)，直接關(guān)系到飛機和大型設(shè)備的安全性能及其使用壽命。

本文對鋼索拉伸實驗裝置進行機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過顯示控制裝置、傳動裝置、施加載荷裝置和限位配重裝置可以實現(xiàn)對鋼索的拉伸試驗。對實驗裝置中支撐板進行強度分析，研究其在工況條件下應(yīng)力應(yīng)變云圖，對絲杠和支撐板危險截面進行預(yù)判。

1 鋼索拉伸實驗裝置設(shè)計原理

1.1 傳動原理設(shè)計

鋼索拉伸實驗裝置的加載動力由電機提供，其傳動裝置機構(gòu)簡圖如圖1所示。

圖1 傳動裝置機構(gòu)簡圖

傳動裝置中先對電機輸出的動力通過皮帶輪進行減速，使得其動力和轉(zhuǎn)速更加平穩(wěn)。皮帶傳動設(shè)計中部分計算公式(1)～式(8)如下：

確定計算功率Pca：

驗算皮帶速度v：

皮帶所需的基準長度Ld0：

驗算小帶輪上的包角α1＞120°：

單根V帶的額定功率Pr：

V帶的根數(shù)z：

單根V帶的初拉力F0：

壓軸力Fp：

為了保證電機輸出能量的利用率通過一級齒輪嚙合進行加速，將動能輸送給平行栓絲杠機構(gòu)進行加載時再通過一級齒輪嚙合進行減速。齒輪傳動設(shè)計中強度校核計算公式(9)～式(11)如下：

齒面接觸疲勞強度校核：

齒根彎曲疲勞強度校核：

經(jīng)過齒輪組一級加速一級減速減速，把轉(zhuǎn)速降至實驗時所需要的低轉(zhuǎn)速。其中m=2.5，z1=39，z2=20，z3=46，z4=18。

由式(12)計算的其傳動比i為：

通過UG8.5進行建模，其鋼索拉伸實驗裝置傳動機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 傳動裝置結(jié)構(gòu)圖

1.2 工作原理

鋼索拉伸實驗裝置通過顯示控制裝置、傳動裝置、施加載荷裝置和限位配重裝置相互協(xié)作，對鋼索進行拉伸試驗，其工作原理流程圖如圖3所示。

2 基于UG8.5對實驗裝置關(guān)鍵部件及總體結(jié)構(gòu)進行設(shè)計

2.1 平行雙絲杠

軸Ⅰ上的齒輪Ⅰ與軸Ⅱ上的齒輪Ⅱ進行嚙合傳動（進行一級加速），軸Ⅱ上的齒輪Ⅲ同時與左旋絲杠和右旋絲杠上的齒輪進行嚙合傳動（進行一級減速），平行雙絲杠的轉(zhuǎn)動帶動拉伸板向左移動，對鋼索進行拉伸。其平行雙絲杠結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 平行雙絲杠結(jié)構(gòu)圖

2.2 鋼索限位裝置

鋼索另一端固定在鋼索限位器上，限位器通過螺栓Ⅱ、壓板和墊塊固定在三角導軌上。其鋼索限位器裝配結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 鋼索限位器裝配結(jié)構(gòu)圖

2.3 鋼索拉伸支撐結(jié)構(gòu)

實驗通過2m和4m長度尺寸的支撐柱和支撐板進行組合可以測量不同長度的鋼索；動力裝置臺架和配重塊也可以根據(jù)測量鋼索長度的不同進行位置的調(diào)整，其都是采用直角壓板通過墊片Ⅲ和螺栓Ⅳ固定在試驗臺桌的桌腿上。其2m支撐柱和支撐板進行組合的局部裝配圖如圖6所示。

圖6 2m支撐柱和支撐板組合局部裝配圖

基于UG8.5設(shè)計鋼索拉伸實驗裝置的理論模型進行仿真，通過該實驗測量裝置可以實現(xiàn)由電機提供動力，通過傳動裝置和施加載荷裝置對鋼索施加拉力載荷，通過顯示控制裝置收集處理數(shù)據(jù)等功能。鋼索拉伸實驗裝置的理論模型如圖7所示。

圖7 鋼索拉伸實驗裝置理論模型圖

3 基于ANSYS對支撐板進行強度分析

在ANSYS中定義單元類型。定義單元為Solid實體單元，類型選擇node187節(jié)點為10。支撐板的材料為45。定義材料屬性則彈性模200000000000pa泊松比0.3。采用四面體自由計算進行劃分。對模型進行網(wǎng)格劃分如圖8所示。

圖8 支撐板網(wǎng)格劃分

在支撐板安裝支撐柱凹槽處施加載荷，對支撐板模型進行求解，得出在載荷作用下支撐板會產(chǎn)生微小形變，其真實比例總位移云圖分析結(jié)果如圖9所示；同時在載荷作用下支撐板的真實比例總應(yīng)力云圖變化結(jié)果如圖10所示。

圖9 支撐板真實比例總位移云圖

圖10 支撐板真實比例總應(yīng)力云圖

在List指令中導出總位移和總應(yīng)力的計算結(jié)果文件。在總位移的計算結(jié)果文件中可以看出對應(yīng)點的最大位移量。在文件中截取最大位移量如表1所示。

表1 支撐板最大位移量

在總應(yīng)力的計算結(jié)果文件中可以看出對應(yīng)點的最大應(yīng)力和對應(yīng)點的最小應(yīng)力。在文件中截取最大應(yīng)力和最小應(yīng)力結(jié)果如表2、表3所示。

表2 支撐板最大應(yīng)力

表3 支撐板最小應(yīng)力

4 結(jié)語

本文通過對鋼索拉伸實驗裝置的發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用價值進行分析。對其工作原理進了討論和研究，基于UG8.5設(shè)計建立測量儀理論實驗?zāi)Ｐ汀Ｔ搶嶒炑b置通過顯示控制裝置、傳動裝置、施加載荷裝置和限位配重裝置可以實現(xiàn)鋼索拉伸試驗，通過應(yīng)變片和高倍攝像裝置采集數(shù)據(jù)，傳輸給顯示控制裝置得出鋼索最大拉力值、最多拉伸次數(shù)、鋼索斷絲高清圖、拉力和形變量的關(guān)系圖等實驗結(jié)果基于一體化的結(jié)構(gòu)設(shè)計。通體ANSYS對支撐板的強度分析可知，在工作時支撐板形變量很小，但支撐板實驗在往復加載狀態(tài)下危險截面處在安裝支撐柱凹槽部位，應(yīng)通過材料熱處理等方法提支撐板強度，以保證實驗時所需的結(jié)構(gòu)強度要求。