箱体底部框架结构强度计算课件资料.docx
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箱体底部框架结构强度计算课件资料
箱体底部框架结构强度计算
内容：
一、强度计算说明
二、有限元模型的建立
三、添加材料力学参数
四、有限元模型网格划分
五、边界条件与载荷设置
六、求解结果与分析
七、结论
2017年3月21日张胜伦
一、强度计算说明
该包装箱用于某天线的运输包装，以确保天线在存放、运转时的稳定、干燥，使后续的试验能正常顺利地进行，并保证试验过程中产品质量与安全。
其主要安装方式为将天线吊装固定于转接板组件上，再将转接板组件固定于包装箱内的运输支撑板上，之后将箱盖吊装于包装箱底框架上，对正箱底对应安装槽，使用锁扣固定箱盖与底框架，完成天线的包装。
本次分析主要针对包装箱的转接板和底部焊接框架，分析其变形量和强度、刚度是否满足产品使用要求。
下图为为箱体底部框架的结构示意图。
图1包装箱结构示意图
对箱体底部框架的线性静力学强度计算，其过程如下：
1、建立箱体底部框架的结构模型与静力学计算模型；
2、设置箱体底部框架的材料力学性能参数；
3、进行结构化网格划分；
4、编辑合理的边界条件和荷条件；
5、运用线性静态结构求解器进行求解；
6、在后处理模块中加载模型的变形、等效应力情况；
7、根据计算结果，得出结论。
经过长时间的求解计算，最终得出箱体底部框架的线性静力学强度计算结果。
二、有限元模型的建立
本研究中，由于箱体底部框架的一些零件形状结构比较复杂，所以本研究中在不影响整体就够强度的前提条件下对复杂零件进行简化。
忽略对箱体底部框架强度影响较小的零部件如螺栓、螺母、扣减以及包装箱内的物品。
如图2，为箱体底部框架的详细设计结构模型。
图2箱体底部框架详细设计模型
箱体底部框架的各个零部件均是由焊接、铆钉连接或者螺栓连接，所以零件上存在大量的焊缝、铆钉孔或者螺栓孔，这些焊缝间隙和孔的尺寸相对于箱体底部框架的整体结构而言很小。
而大量的间隙和小孔的存在会在很大程度上影响箱体底部框架整体结构的网格划分，且导致求解不收敛，所以在力学模型中大量的焊缝、铆钉孔和螺栓孔被忽略。
箱体底部框架整体结构的线性静力学计算中，假设各个连接部位是安全可靠的，连接和焊接牢固且强度远大于零部件材料的屈服强度。
而连接部位是否可靠应在连接强度相对薄弱的部位单独进行强度计算。
另外，本研究中仅对箱体底部框架自身的重力进行计算。
最终建立简化的力学计算模型，如图2所示。
图3箱体底部框架简化结构模型
三、添加材料力学参数
箱体底部框架结构的材料主要为铝合金，所以为简化计算模型，本研究中将其他附件材料忽略，整体箱体底部框架简化结构模型的材料为均质的铝合金材料。
起吊吊钩结构为钢材，所以添加结构钢材料。
在ANSYSWorkbench中EngineeringData模块的材料库中添加铝合金（AluminumAlloy）材料和结构钢（StructuralSteel）材料，并在StaticStructural-Mechanical模块中为每个箱体底部框架零件模型赋予相应的材料。
如下图为材料参数。
图4材料参数
四、有限元模型网格划分
将以上箱体底部框架简化模型导入ANSYSWorkbench中的DesignMolder模块中建立有限元模型，如下图所示。
图5箱体底部框架的有限元计算模型
箱体底部框架简化模型在结构上均为长方体的拓扑结构，其结构特点比较突出。
模型中三维曲线和复杂曲面等异形结构和复杂外形很少，结构化网格生成比较容易。
所以本次强度计算中，网格划分方法为结构化网格主导，即以六面体网格单元类型为主导，局部复杂区域采用非结构化网格填补。
结构化网格从严格意义上讲，结构化网格是指网格区域内所有的内部点都具有相同的毗邻单元。
结构化网格生成技术有大量的文献资料。
结构化网格有很多优点:
1.它可以很容易地实现区域的边界拟合，适于流体和表面应力集中等方面的计算。
2.网格生成的速度快。
3.网格生成的质量好
4.数据结构简单
5.对曲面或空间的拟合大多数采用参数化或样条插值的方法得到，区域光滑，与实际的模型更容易接近。
结构化网格的生成技术只要有：
代数网格生成方法。
主要应用参数化和插值的方法，对处理简单的求解区域十分有效。
PDE网格生成方法。
主要用于空间曲面网格的生成。
本研究中控制箱体底部框架简化结构所有模型的网格大小不超过30mm，吊钩部分控制器网格大小不超过6mm。
如下图为箱体底部框架简化结构模型的网格划分结果，其中网格的节点数为129567,单元数为24860。
图6箱体底部框架的网格划分结果
5、边界条件与载荷设置
在箱体底部框架的简化力学模型导入ANSYSWorkbench中的DesignMolder模块后，检查各个零部件是否缺失，各个几何特征是否齐全。
设置箱体底部框架与产品运输运输板安装的位置载荷为35000N，箱体底部框架与侧壁板连接处设置载荷为1500N，模型整体施加重力惯性载荷，箱体底部框架与支承零部件连接的部位固定。
如下图为箱体底部框架的边界条件与载荷施加的图。
图7箱体底部框架的边界条件与载荷设置
六、求解结果与分析
对箱体底部框架的简化模型进行以上材料添加、网格划分、边界条件和载荷施加均设置完毕之后，用求解器进行求解。
经过长达4个小时的迭代求解计算，最终求解结果收敛。
在ANSYSWorkbench的后处理模块中添加其整体变形云图和等效应力云图。
最终计算结果为：
箱体底部框架的变形为框架的弯曲变形，最大变形位移为0.11128mm，最大等效应力为4.4464MPa。
图8箱体底部框架整体变形云图
图9箱体底部框架等效应力云图
七、结论
在箱体底部框架整体结构的线性静力学计算中，假设各个焊接部位、连接部位是安全可靠的前提下，对箱体底部框架简化模型的线性静力学强度计算。
1、得出以下结论：
箱体底部框架的整体结构的弯曲变形量为0.11128mm。
箱体底部框架的变形量很小。
2、箱体底部框架在以上等效载荷和边界条件的工况下最大等效应力为4.4464MPa。
不会达到材料的强度极限。
所以结构强度符合要求。
说明：
由于本人水平有限，本次报告中若有谬误与纰漏，烦请各位经验丰富的工程设计人员批评指正。
Project
FirstSaved
Monday,March20,2017
LastSaved
Monday,March20,2017
ProductVersion
17.0Release
SaveProjectBeforeSolution
No
SaveProjectAfterSolution
No
Contents
∙Units
∙Model（C4）
oGeometry
▪Parts
oCoordinateSystems
oConnections
▪Contacts
▪ContactRegions
oMesh
▪MeshControls
oStaticStructural（C5）
▪AnalysisSettings
▪StandardEarthGravity
▪Loads
▪Solution（C6）
▪SolutionInformation
▪Results
∙MaterialData
oAluminumAlloy
oStructuralSteel
Units
TABLE1
UnitSystem
Metric（mm,kg,N,s,mV,mA）Degreesrad/sCelsius
Angle
Degrees
RotationalVelocity
rad/s
Temperature
Celsius
Model（C4）
Geometry
TABLE2
Model（C4）>Geometry
ObjectName
Geometry
State
FullyDefined
Definition
Source
E:
\JiaYe\XX-2B包装箱数模\--包装箱底框架.stp
Type
Step
LengthUnit
Meters
ElementControl
ProgramControlled
DisplayStyle
BodyColor
BoundingBox
LengthX
1855.mm
LengthY
1995.mm
LengthZ
142.mm
Properties
Volume
3.869e+007mm³
Mass
110.04kg
ScaleFactorValue
1.
Statistics
Bodies
72
ActiveBodies
72
Nodes
129567
Elements
24860
MeshMetric
None
BasicGeometryOptions
SolidBodies
Yes
SurfaceBodies
Yes
LineBodies
No
Parameters
Yes
ParameterKey
ANS;DS
Attributes
No
NamedSelections
No
MaterialProperties
No
AdvancedGeometryOptions
UseAssociativity
Yes
CoordinateSystems
No
ReaderModeSavesUpdatedFile
No
UseInstances
Yes
SmartCADUpdate
Yes
ComparePartsOnUpdate
No
AttachFileViaTempFile
Yes
TemporaryDirectory
C:
\Users\Administrator\AppData\Local\Temp
AnalysisType
3-D
MixedImportResolution
None
DecomposeDisjointGeometry
Yes
EnclosureandSymmetryProcessing
Yes
TABLE3
Model（C4）>Geometry>Parts
ObjectName
Part1
Part2
Part3
Part4
Part5
Part6
Part7
Part8
tao
tao
tao
State
Meshed
GraphicsProperties
Visible
Yes
Transparency
1
Definition
Suppressed
No
StiffnessBehavior
Flexible
CoordinateSystem
DefaultCoordinateSystem
ReferenceTemperature
ByEnvironment
Behavior
None
Material
Assignment
AluminumAlloy
StructuralSteel
NonlinearEffects
Yes
ThermalStrainEffects
Yes
BoundingBox
LengthX
230.mm
40.mm
34.mm
LengthY
230.mm
10.mm
56.mm
LengthZ
10.mm
100.mm
34.mm
Properties
Volume
5.29e+005mm³
35979mm³
15639mm³
Mass
1.4653kg
0.28243kg
0.12277kg
CentroidX
1320.mm
10.04mm
1320.mm
68.04mm
1262.mm
68.038mm
1262.mm
CentroidY
-936.99mm
373.01mm
-1214.5mm
650.51mm
-1214.5mm
650.51mm
606.81mm
CentroidZ
-106.mm
-163.mm
-130.99mm
-194.99mm
-130.99mm
MomentofInertiaIp1
6471.9kg·mm²
231.56kg·mm²
44.639kg·mm²
MomentofInertiaIp2
6471.9kg·mm²
270.58kg·mm²
17.162kg·mm²
MomentofInertiaIp3
12919kg·mm²
43.729kg·mm²
44.636kg·mm²
Statistics
Nodes
531
1491
1835
Elements
64
224
896
MeshMetric
None
TABLE4
Model（C4）>Geometry>Parts
ObjectName
tao
tao
tao
tao
tao
1-31.1
1-31.1
1-31.1
1-31.1
lvtiao1-31
lvtiao1-31
State
Meshed
GraphicsProperties
Visible
Yes
Transparency
1
Definition
Suppressed
No
StiffnessBehavior
Flexible
CoordinateSystem
DefaultCoordinateSystem
ReferenceTemperature
ByEnvironment
Behavior
None
Material
Assignment
StructuralSteel
AluminumAlloy
NonlinearEffects
Yes
ThermalStrainEffects
Yes
BoundingBox
LengthX
34.mm
16.mm
1845.mm
LengthY
56.mm
166.mm
20.mm
LengthZ
34.mm
80.mm
28.mm
Properties
Volume
15639mm³
73782mm³
1.022e+006mm³
Mass
0.12277kg
0.57919kg
2.8309kg
CentroidX
1262.mm
68.041mm
68.04mm
1262.mm
68.04mm
665.04mm
CentroidY
606.81mm
-1170.8mm
639.47mm
-1203.5mm
-1194.5mm
630.55mm
CentroidZ
-194.99mm
-130.99mm
-194.99mm
-130.99mm
-194.99mm
-163.01mm
-97.mm
MomentofInertiaIp1
44.639kg·mm²
1980.8kg·mm²
7.8601e+005kg·mm²
MomentofInertiaIp2
17.162kg·mm²
535.75kg·mm²
279.32kg·mm²
MomentofInertiaIp3
44.636kg·mm²
1463.3kg·mm²
7.8592e+005kg·mm²
Statistics
Nodes
1835
3701
752
Elements
896
744
62
MeshMetric
None
TABLE5
Model（C4）>Geometry>Parts
ObjectName
lvtiao1-31
lvtiao1-31
xingcai1-21.4
xingcai1-21.3
xingcai1-21.2
czb1-20-12
czb1-20-12
czb1-20-12
czb1-20-12
jqb1-20-11
jqb1-20-11
State
Meshed
GraphicsProperties
Visible
Yes
Transparency
1
Definition
Suppressed
No
StiffnessBehavior
Flexible
CoordinateSystem
DefaultCoordinateSystem
ReferenceTemperature
ByEnvironment
Behavior
None
Material
Assignment
AluminumAlloy
NonlinearEffects
Yes
ThermalStrainEffects
Yes
BoundingBox
LengthX
20.mm
1855.mm
50.mm
1855.mm
194.mm
90.mm
LengthY
1845.mm
50.mm
1855.mm
50.mm
170.mm
90.mm
LengthZ
28.mm
100.mm
12.mm
18.mm
Properties
Volume
1.022e+006mm³
2.0505e+006mm³
3.5628e+005mm³
1.458e+005mm³
Mass
2.8309kg
5.6798kg
0.9869kg
0.40387kg
CentroidX
1577.6mm
-247.5mm
665.04mm
-237.92mm
665.04mm
-172.74mm
1502.8mm
-167.46mm
CentroidY
-281.99mm
620.97mm
-281.99mm
-1185.mm
567.34mm
-1131.3mm
567.34mm
-1131.3mm
550.51mm
-1114.5mm
CentroidZ
-97.mm
-163.mm
-219.mm
-122.mm
MomentofInertiaIp1
7.8601e+005kg·mm²
9573.1kg·mm²
1.5517e+006kg·mm²
9573.kg·mm²
3107.6kg·mm²
283.51kg·mm²
MomentofInertiaIp2
279.32kg·mm²
1.5517e+006kg·mm²
9573.1kg·mm²
1.5516e+006kg·mm²
1925.2kg·mm²
283.51kg·mm²
MomentofInertiaIp3
7.8592e+005kg·mm²
1.5468e+006kg·mm²
5009.1kg·mm²
545.22kg·mm²
Statistics
Nodes
752
5830
348
96
Elements
62
1080
40
9
MeshMetric
None
TABLE6
Model（C4）>Geometry>Parts
ObjectName
jqb1-20-11
jqb1-20-11
ban1-21
ban1-21
ban1-21
ban1-21
ban1-21
ban1-21
ban1-21
ban1-21
ban1-21
State
Meshed
GraphicsProperties
Visible
Yes
Transparency
1
Definition
Suppressed
No
StiffnessBehavior
Flexible
CoordinateSystem
DefaultCoordinateSystem
ReferenceTemperature
ByEnvironment
Behavior
None
Material
Assignment
AluminumAlloy
NonlinearEffects
Yes
ThermalStrainEffects
Yes
BoundingBox
LengthX
90.mm
LengthY
90.mm
LengthZ
18.mm
12.mm
Properties
Volume
1.458e+005mm³
97200mm³
Mass
0.40387kg
0.26924kg
CentroidX
1497.5mm
-59.96mm
80.04mm
-59.96mm
80.04mm
1250.mm
CentroidY
550.51mm
-1114.5mm
443.01mm
303.01mm
443.01mm
303.01mm
-866.99mm
-1007.mm
-866.99mm
-1007.mm
443.01mm
CentroidZ
-122.mm
-119.mm
MomentofInertiaIp1
283.51kg·mm²
184.97kg·mm²
MomentofInertiaIp2
283.51kg·mm²
184.97kg·mm²
MomentofInertiaIp3
545.22kg·mm²
363.48kg·mm²
Statistics
Nodes
96
Elements
9
MeshMetric
None
TABLE7
Model（C4）>Geometry>Parts
ObjectName
ban1-21
ban1-21
ban1-21
ban1-21
ban1-21
ban1-21
ban1-21
xingcai1-24
xingcai1-24
xingcai1-24
xingcai1-24
State
Meshed
GraphicsProperties
Visible
Yes
Transparency
1
Definition
Suppressed
No
StiffnessBehavior
Flexible
CoordinateSystem
DefaultCoordinateSystem
ReferenceTemperature
ByEnvironment
B
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