Analisi agli elementi finiti dei bulloni fissi utilizzati nei motori delle scale mobili

Questo rapporto analizza la forza connettiva e lo spostamento di bulloni divisi e integrali.

di Yu Zetao e Feng Kai

Astratto

In base alle forme di giunzione tra la testa e i prigionieri, i bulloni fissi utilizzati nei motori delle scale mobili possono essere suddivisi in due forme: divisi e integrali. Utilizzando il software di analisi degli elementi finiti ANSYS Workbench, questo documento analizza la forza di connessione e lo spostamento di questi due tipi di bulloni per fornire un riferimento per la selezione dei bulloni fissi sul motore della scala mobile. I risultati mostrano che la capacità portante dei bulloni integrali è 1.8 volte superiore rispetto a quelli divisi.

Introduzione

La potenza e la frenata di una scala mobile vengono trasmesse dal motore attraverso la catena di trasmissione al sistema a gradini. Per garantire che la ruota dentata della catena e la catena di trasmissione ingranano correttamente e in modo affidabile, la catena di trasmissione dovrebbe avere determinati gradi di tensione. Se lo spostamento del motore portasse al cambiamento dei gradi di tensione originari, le scale mobili si invertirebbero e si verificherebbero incidenti gravi, come la caduta o il calpestio dei passeggeri. Pertanto, il motore della scala mobile ben fissato è estremamente importante per la sicurezza operativa dell'intera unità.

I tipi di connessione tra la base di un motore di azionamento e il suo telaio possono essere suddivisi in connessioni con foro alesato e foro passante. La connessione a foro passante può essere suddivisa in due forme: sdoppiata e integrale, in base alla giunzione tra testa e prigionieri del bullone (Figura 1). Attualmente esistono molte analisi di forza dettagliate sulle connessioni tra bulloni e doppio angolo,^[1] doppio canale^[2] e flangia.^[1] Tuttavia, non è stato ancora eseguito uno studio sulla forza e l'analisi della resistenza di questi due tipi di bulloni, nonché una ricerca comparativa.

La funzione connettiva di questi due tipi di bulloni non ha alcuna differenza, ma, a causa delle diverse strutture interne, le forze di connessione sono diverse. Questo articolo esamina un tipo di bullone fisso come oggetto di ricerca e stabilisce due tipi di modelli di unità di entità. Workbench quindi analizza e confronta i risultati della forza di connessione in base alla situazione effettiva delle forze e dei vincoli. Questo fornisce il riferimento per la selezione dei bulloni fissi sul motore della scala mobile.

ANSYS Workbench Analysis Il modello Split Bolt

Il modello della superficie di contatto tra la testa e i prigionieri di un bullone M20 è complesso. Per ottenere dati di sollecitazione accurati e riflettere con precisione la loro interazione, dobbiamo stabilire la dimensione effettiva del modello di entità 3D per i perni e la testa dei bulloni con la funzione di modellazione del programma CAD 3D Pro/Engineer. Dopo l'assemblaggio, otteniamo il modello di un bullone diviso in Pro/Engineer (Figura 2).

Successivamente, importiamo il modello in Workbench per eseguire un'analisi agli elementi finiti. Per evitare la sensibilità alla direzione e alla dimensione delle maglie,^[3] definiamo tutte le entità come unità solid45, che è un'unità di entità con struttura esaedrica a otto nodi. La proprietà del materiale è mostrata nella tabella 1.^[4] Scegliamo un approccio automatico alla mesh, mantenendo l'elemento nodo midsize^[5] e impostando la dimensione dell'elemento a 1.6 mm. Dopo la mesh, il modello agli elementi finiti è completo, con il numero dei punti nodali del modello pari a 110,223 e le unità a 72,744 (Figura 3).

Per garantire che il modello possa simulare l'effettivo stato di contatto quando i vortici interagiscono, definiamo l'interfaccia di superficie dei vortici. Il tipo di contatto è per attrito e il fattore è 0.15. La formulazione è pura sanzione.

Il modello integrale del bullone

Il processo di costruzione di un modello di bullone integrale è simile a quello della divisione. Innanzitutto, crea il modello di bullone in Pro/Engineer (Figura 4), quindi trasferisci il modello in Workbench. La differenza è che non esiste un processo di assemblaggio per il processo di definizione della spirale e dell'interfaccia. Definiamo anche tutte le entità con unità solid45. La proprietà del materiale è mostrata nella Tabella 1. Scegliamo un approccio automatico alla mesh mantenendo il nodo di medie dimensioni dell'elemento e impostando la dimensione dell'elemento a 1.6 mm. Dopo la mesh, il modello agli elementi finiti è completo, con il numero dei punti nodali del modello pari a 49,817 e le unità 30,434 (Figura 5).

Carico e restrizione

La forza massima di ciascun bullone è di circa 15,000 N in condizioni di lavoro a pieno carico quando la scala mobile sale. In questo articolo, i 15,000 N forzano i carichi su un'area che si trova a 35 mm dal fondo del bullone; la sua direzione è assiale.

Solo la parte inferiore dei prigionieri entra in contatto con il bordo della scanalatura nel processo operativo effettivo quando si preme la testa del bullone. Per semplificare il calcolo, inseriamo “supporto di sola compressione” tra la testa del bullone e la scanalatura a T sulla tavola fissa del motore della scala mobile, quindi leggiamo l'intervallo di pressione di contatto che funge da intervallo di restrizione. La sua lunghezza è di 5 mm e la larghezza è di 23 mm (uguale alla testa). Quindi, abbiamo tagliato due regioni separate di 5 mm x 23 mm sulla superficie della testa del bullone come restrizioni di carico. Uno è inserito come supporto fisso, e l'altro come spostamento, con la sua Y senza componenti e X and Z componenti a zero I carichi e le restrizioni della divisione e dei bulloni integrali sono mostrati nella Figura 6.

Risultati

La Figura 7 mostra lo spostamento del bullone diviso. Possiamo vedere che lo spostamento massimo in Y componente si trova sulla superficie superiore e il suo valore è 0.018 mm.

La Figura 8 mostra la sollecitazione di von Mises del bullone diviso. Possiamo vedere che la magnitudine massima è 285 mPa.

Nella Figura 9, ingrandiamo il punto in cui si verifica la massima sollecitazione di von Mises. Il punto massimo appare nella giunzione tra la parte superiore della testa e la parte inferiore delle borchie. Il suo valore è 285 mPa. Se il valore della sollecitazione fosse superiore al valore ammissibile del materiale, si verificherebbe una frattura sulla testa del bullone.

La Figura 10 mostra la sollecitazione von Mises dei perni su un bullone diviso. Possiamo vedere che l'entità dello stress massimo di von Mises è 162 mPa. Il massimo appare nel primo cerchio di borchie. Con l'aumento della sovrapposizione dei prigionieri, la forza diminuisce gradualmente, il che corrisponde alla condizione reale.

Nella Figura 11, ingrandiamo l'area in cui si verifica la massima sollecitazione di von Mises nei perni.

La Figura 12 mostra lo spostamento del bullone integrale. Possiamo vedere che lo spostamento massimo in Y il componente si trova in alto e il valore è 0.011 mm.

La Figura 13 mostra la sollecitazione di von Mises del bullone integrale. Possiamo vedere che l'entità dello stress massimo di von Mises è 158 mPa.

Nella Figura 14, ingrandiamo il punto in cui si verifica la massima sollecitazione di von Mises sul bullone integrale.

Conclusione

Dopo aver confrontato i calcoli precedenti, possiamo trarre le seguenti conclusioni: lo spostamento del bullone integrale nel Y componente ha poca differenza con quello della scissione. L'integrale è 0.018 mm, mentre lo spacco è 0.011 mm.

La sollecitazione von Mises dei perni del bullone diviso è inferiore a quella della testa del bullone e il punto massimo appare nel punto di giunzione tra la parte superiore della testa e la sezione inferiore dei perni. In questo luogo, poiché è necessario aggiungere la spirale e la superficie sarebbe la più piccola, lo stress si concentrerebbe. In conclusione, la resistenza del giunto tra la testa del bullone e i prigionieri è il fattore chiave che determina la resistenza dell'intero bullone. La testa del bullone e i prigionieri non sono separati e, di conseguenza, non si verificherebbe la minima superficie; quindi, ha una capacità portante più potente. Il bullone integrale è 1.8 volte superiore allo sdoppiamento dalla via della massima sollecitazione.

Referenze
[1] Yang, JG; Murray, TM; Plaut, RH Analisi tridimensionale agli elementi finiti di connessioni a doppio angolo sotto tensione e taglio. Virginia Polytechnic Institute e Università Statale; 1999.
[2] Yorgun, C.; Dalc, S.; Altay, GA Modellazione ad elementi finiti di connessioni bullonate in acciaio progettate da Double Channel. Università tecnica di Istanbul; 2004.
[3] Zhong-he, Chen; Wei Qiang, Wang; Le-wen, Zhang. Analisi FEM di sollecitazione e deformazione di un bullone a pressione interno flessibile. Scuola di Ingegneria Meccanica; Università di Shandong, 2008.
[4] Bursi, OS e Jaspart, JP Benchmarks per la modellazione ad elementi finiti di connessioni bullonate in acciaio. Università di Trento; 1997.
[5] Zhaohui, Zhang. ANSYS 12.0 Risoluzione Applicazione di ingegneria dell'analisi strutturale [M]. Pechino: Pressa per l'industria meccanica; 2010.
[6] Wei, Liu. Into a High-Dimensional, in Guangbin: ANSYS 12.0 Collection [M]. Pechino: Electronic Industry Press; 2010.