加工中心中冗余结构随机失效机理研究


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 前言:

 

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 焊接结构广泛地应用于加工中心结构当中,随着安全可靠性越来越被人们重视,近年来可靠性分析技术已应用到很多机械制造等工程领域U ,尤其随着与优化技术H和有限元等仿真技术0的发展取得了一定的研究成果。而对于焊接结构,在其承受重载时某些焊接部分可能会发生随机的焊接失效,因而,要想提高其安全可靠性,不能仅凭传统依靠经验根据安全系数的设计方法提高其安全可靠性,并且往往冗余结构也不_定就具有较大的安全可靠性,而当冗余结构发生某些部分失效可能引起更大的破坏,很多大型结构的失效多是原因如此,而目前对此类问题研究还不深入、系统。因此,本文针对加工中心中焊接结构的失效机理,将可靠性理论分析与有限元法相结合,对焊接结构的失效机理进行了深入、系统的研究。

1悬臂焊接结构失效后激振载荷

以悬臂焊接结构梁为例,说明机械结构在失效后所 [1] [2]产生的激振载荷。如图1所示的受均布载荷悬臂焊接结构梁,当焊接板处发生如图2所示的焊接失效时,根据能量法,通过推导,发生失效时所产生的激振载荷为式中为均布载荷;/,为悬臂焊接结构梁初始的惯性矩;为悬臂焊接结构梁失效后的惯性

从初始结构到失效形式III间产生的激振载荷取决于初始载荷和失效前后的截面惯性矩比,研究截面惯性矩比的变化形态,通过推导

2随机性对冗余结构失效的可靠性模型的建立

本节基于均值一次二阶矩法对悬臂焊接结构从初始截面到失效方式截面III过程进行可靠性分析。根据式(1),

式中、&分别为初始截面与失效截面惯性矩之比和均布载荷的名义值。

根据式(7),可知,一般^ > 1,所以发生失效时所产生的激振载荷对初始截面与失效截面惯性矩之比最敏感,并且对初始截面与失效截面惯性矩之比的随机波动也最敏感,这就说明当结构发生失效时是否发生振动主要取决于截面的几何尺寸的变化。

3冗余机械结构的有限元仿真分析

3.1有限元分析模型的建立

对某焊接结构悬臂梁进行了失效前后的有限元分析,采用单元生死技术模拟焊接结构失效,在ANSYS中建立了参数化的有限元分析模型如图3所示。分析时采用2个载荷步,第一个载荷步分析失效前,第二个载荷步分析失效后,失效后的截面如图2c所示。

3.2有限元分析结果的讨论

焊接结构悬臂梁失效前后挠度变形的有限元计算结果如图4和图5所示,图中虚线为变形前的形状。对比图4和图5可见,焊接结构悬臂梁失效前受均布载荷时,挠度变形比较均匀,属于标准的悬臂梁变形形式;当按图2c所示的失效方式发生失效时,将发生进—步的变形,变形十分的不均匀,由于失效后的截面为不对称结构,可知,该梁发生失效后发生了扭转和弯曲变形,而且变形较大,有可能发生扭振。这也说明,当焊接结构某些焊接失效时,变形将重新分布,由于变形的不均匀和突然变化,有可能会引起振动,这就说明安全可靠性比较高的冗余机械结构当发生焊接失效时,由于载荷重新分布引起的不均匀的突然变形而有可能引起结构的振动。

4.结语:

本文针对悬臂焊接机械结构,首先建立了受均布载荷的悬臂焊接结构失效后的激振载荷模型,并在此基础上基于均值一次二阶矩法对建立了其可靠性灵敏度分析的可靠性分析模型,通过分析可知,发生失效时机波动也最敏感;其次,基于ANSYS建立了受均布载荷的悬臂焊接结构失效前后的有限元模型,应用单元生死技术对受均布载荷的悬臂焊接结构失效前后进行了有限元分析,通过分析可知,当焊接结构某些焊接失效时,变形将重新分布,由于变形的不均匀和突然变化,有可能会引起振动。通过本文的研究对探讨加工中心中冗余结构随机失效机理提供了一定的理论依据和分析方法。


 

 

 

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