辩证法在结构件设计中的运用

【前言】辩证法在结构件设计中的运用由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。如图一为一种在焊接类似锅炉压力容器筒体所用的滚轮架上滚轮支撑座。其中主要零部件（滚轮支座、底座）为焊接结构件。先单独对滚轮支座运用solidworks有限元分析法受力分析（滚轮面受到289吨正压力，同时受到30.7吨轴向力），结果如滚轮座图。 滚轮座图 从滚轮座图可...

【摘 要】 本文运用有限元计算分析法（Solidworks三维分析软件）结合辩证法思想，对焊接结构件施加一定载荷，通过变化该结构件上钢板有无工艺孔及工艺孔的大小来研究该焊接结构件的应力变化情况，最终在保持钢板用量及具体结构形式基本不变的情况下提高该结构件的承载能力。此方法也适用于铸件结构件。

【关键词】 结构件 开孔 辩证法 承载能力

1 引言

目前，特别是在我国国内工程机械设备结构件的设计中，绝大部分采用的是类比+设计者设计经验的设计方法。在实际运用中如发现结构件某个部位比较薄弱，一般会在那个部位加强的方式进行弥补。这里介绍一种运用三维设计软件（Solidworks）+辩证法的设计方法，如此方法可在机械结构件设计中取得较高性价比的结构件。

2 探索

如图一为一种在焊接类似锅炉压力容器筒体所用的滚轮架上滚轮支撑座。其中主要零部件（滚轮支座、底座）为焊接结构件。先单独对滚轮支座运用solidworks有限元分析法受力分析（滚轮面受到289吨正压力，同时受到30.7吨轴向力），结果如滚轮座图。

滚轮座图

从滚轮座图可知应力最大点在滚轮正下方的筋板处。

因在Solidworks软件分析时认为（夹具）支撑面为刚性，但实际运用中滚轮支撑座是安装在由钢板（有时会用H型钢或方管之类的型钢）拼焊成型的焊接结构件（我们称之为底座）上，而底座并非完全意义上的刚性体。滚轮支撑座与底座组合装配后，通过力的矢量性，此时受力为500吨重力及61.4吨轴向力。以下各步骤是通过对结构件各某一部位的改动后再进行受力分析而得出的结果。

初始状（图一）：

修改一（图二）：

在图一基础上底座内筋板中间方孔420mm×271mm改为小圆孔φ80mm，及去除滚轮座前吊耳孔φ55mm。

修改二：

在图二基础上滚轮座前端恢复1小吊耳孔φ40mm，后封板高度上调，中间增加一稍薄的钢板，轴承圈外侧加导电轴孔2个（φ60mm）。

修改三：

在修改二基础上底座内筋板中间圆孔φ80改为方孔320mm×200mm，后封板下部改为薄钢板，墙板加工艺孔且作为吊耳孔，底座横向凸台处（与地轨接触受力处）1300mm改为1500mm，滚轮座轴承圈内下方墙板上开一φ60工艺孔。

修改四：在修改三基础上滚轮座轴承圈内下方墙板上再开一φ60mm工艺孔。

注：A：滚轮座轴承圈下筋板；B：滚轮座轴承圈下筋板外下角；C：底座吊耳内；D：底座主筋板；E：底座上面板；F：滚轮座前吊耳内

修改五（图三）：

在修改四基础上底座内筋板中间孔320mm×200mm改为360mm×220mm，去除滚轮座轴承圈内下方墙板后开的φ60mm工艺孔，将先前开的φ60mm工艺孔向内移动100mm。

3 结语

由以上不同的结构件形式设计经分析后，可以得出：

（1）运用Solidworks设计软件分析结构时，不能只单独分析一个结构件，而要从整体上来考虑。因为其（夹具）支撑面Solidworks认为是绝对意义上的刚性，而实际安装使用中常常是安装在另一零件（或结构件），而这些零件（或结构件）往往是钢铁件，也就是说，其支撑物不是绝对刚性的，是弹性体，是会发生弹性变形而化解力的，这样单独分析的结果与实际使用状况有较大的误差。

（2）如果该结构件使用工艺要求对刚性要求不高，只要求强度能满足即可（如吊车），可充分利用此特性，即利用开孔的方式降低结构件中局部过高的刚性，使该结构件承受的载荷更大程度分散开，从而提高其承载能力。

（3）如前头所说，在实际运用中，如发现那儿比较薄弱就去补强那儿。这种方法一定意义上是行不通的。这种方法从上面在各种情况下受力分析可知，有时会起反作用。这就要运用我国中医所讲的辩证法。出现薄弱环节，是这儿太薄弱，还是其他地方太薄弱，不过是在这儿体现出来。

从初始状到修改一，去除吊耳，进行哪儿薄弱就在哪儿局部加强，从分析结果看，原受力大的地方是得到了改善，但其他地方的局部受力却很大，如滚轮座轴承圈下筋板部其应力已超过极限。这是由于底座底座强度偏高，上部零件受力不能有效分散下去而导致受力集中而超过极限。根据经验，在合适位置增加合适大小的孔可有效使受力集中的地方分散。从修改二分析结果看，即为将原受力集中的地方转移到新开的孔口处，并使受力情况得到改善。从修改三到修改六都是试着使滚轮上受到的力尽可能比较广泛地分散到机架及底座上，从而改善机架及底座受力情况，即有些部位的确是薄弱的就应该适当加强，但有些部位可以通过开孔的方式将力分散开来，使更多部位受力，从而达到提高零部件的强度的目的。但需要注意的是如何开孔，在哪儿开孔，开多大的孔，这非常值得推敲。因为一旦开的孔位置不好，大小不合适，这不是使受力分散反而是受力集中，也极易超载。当然，光靠设计人员去试着开孔来均散载荷，这既要受限于设计者的经验，而且效率低下，希望类似于Solidworks这样的三维软件能将这样的分析功能做进去，那会大大提高结构件设计效率。