基于Abaqus的花盆架关键结构强度的数值模拟研究

何欣兴

周瑞丽

（台州职业技术学院，台州318000）

0 引言

目前，市场上花盆架种类繁多，结构形式五花八门。对花盆架的设计侧重于外观及结构创新，对架体本身结构强度分析研究较少，这就导致所设计的花盆结构强度无法保证，疲劳失效较快，甚至出现花盆脱落砸伤等危险。为解决目前花盆架设计中存在的问题，选择市场上主流的圆环型多层花盆架为研究对象，对其进行主要结构强度的数值模拟研究，为优化设计提供指导和依据。

有限元分析技术摒弃了传统结构设计的被动校核方法，且能够在最短的时间内寻求最佳设计方案,在很大程度上减少了设计成本和设计周期，目前已经应用到各机械行业结构优化设计中[1]。本研究以Hypermesh作为前处理软件，对花盆架盆托等关键结构进行几何模型处理和网格划分。在处理几何模型和网格的效率和质量方面，Hypermesh具有很好的速度，适应性和可定制性，并且模型规模没有软件限制[2]。经前处理后的模型，导入Abaqus，以Abaqus作为计算平台，进行数值模拟分析。Abaqus是一套功能强大的工程模拟有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的线性问题到复杂的非线性问题[3]。

1 模型处理

两种结构的圆环型多层花盆架原始几何模型如图1、图2所示，两种结构花盆均采用多层形式布置，区别在于每层各盆托与承载肋连接形式不同。结构一中承载肋圆周均布，承载肋一端采用焊接形式，与中心柱刚性连接，另一端连接在两盆托外侧承载圈中间位置。结构二中承载肋一端与套在中心柱上的盆托内侧承载圈刚性连接，另一端直接与每个盆托接触。两种结构强度差别主要在各层托架处，结构一将载荷直接作用在中心柱上，而结构二直接作用在内侧承载圈上。因此，本次分析的重点关注部位为托架，托架各层受力形式相当，每种结构任取一层托架进行数值模拟分析，对其他分析非重点关注位置予以简化。

2 边界条件

将两种结构分析用几何模型运用Hypermesh进行网格划分和相关边界条件设置，得到两种结构的有限元模型，如图3、图4所示。托架中心位置施加位移限制约束，模拟结构一托架中心柱及结构二托架内侧承载圈对花盆支架的支撑及位移限制约束；以每个花盆重2.5kg给花盆托圈施加集中载荷，并采用耦合边界条件将这些集中载荷均布于每个花盆托圈边缘，以模拟各个花盆对花盆架的重力作用；两种结构的划分支架材料均采用45#钢，该材料各性能参数主要包括密度7.85E-9 ton/mm3；弹性模量2.05E5MPa；泊松比0.29；屈服强度355MPa；抗拉强度极限600MPa；失效应变0.016mm/mm。

图3 结构一有限元模型

图4 结构二有限元模型

3 分析结果

结构一、结构二施加前述相同边界条件，经计算，得到等效应力、最大主应力分布云图如图5-8所示，沿中心柱轴线方向变形云图如图9、图10所示。

图5 结构一等效应力分布云图

图6 结构二等效应力分布云图

图7 结构一最大主应力分布云图

图8 结构二最大主应力分布云图

图9 结构一Z方向变形云图

图10 结构二Z方向变形云图

由以上分析结果可知，结构一应力较大的区域主要集中在均布承载肋与托架中心柱，以及均布承载肋与托架外侧承载圈连接位置（如图5，图7所示），这些位置应力以拉应力为主（如图7所示）；结构2的应力主要集中于均布承载肋与内侧承载圈，以及均布承载肋与各盆托连接位置，（如图6，图8所示），这些区域应力也以拉应力为主（如图8所示）。

图6-8显示两种结构最大应力均为180MPa，结构一达180MPa应力区域呈点状分布，其余高应力基本集中在100-120MPa之间；结构二高应力区域较结构一范围更大，高应力区域应力集中在150-180MPa。两种结构应力均小于材料强度极限。

图9、图10为两种结构在给定边界条件下的变形分布云图。由变形分布云图可知，两种结构的变形均集中在各盆托外侧边缘。其中，结构一盆托外侧边缘最大变形量为0.26mm，结构二盆托外侧边缘最大变形量为0.89mm。从变形角度衡量，结构一和结构二的变形都沿中心孔呈圆周对称分布，稳定性都比较好，但从变形量分析，结构一的稳定性高于结构二。

4 结论

本文用有限元方法对两种结构花盆架关键结构进行了结构强度分析。根据Abaqus的分析结果，可以得到如下结论：结构一托架高应力分布区域较结构二范围更小，其他位置等效应力和最大主应力均较低；结构一最大变形量较结构二更小。从应力、应变两方面对分析结果综合分析，结构一比结构二强度更高。经实验测得，采用结构一形式的花盆架较结构二强度更高，实验数据与分析结果基本吻合。综上所述，通过设置合适的边界条件，有限元分析方法能够获得与实际较为一致的应力、变形分布结果，可以为设计提供参考。

[1]陈艺，张子军，潘明.结构优化设计＆有限元分析在机械设计中的应用——ABAQUS分析桁架结构[J].现代农业装备，2007，（5）：40-46.

[2]李楚琳.HyperWorks分析应用实例[M].北京：机械工业出版社，2008.

[3]石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析实例详解[M].北京：机械工业出版社，2006.

[4]刘鸿文.材料力学[M].北京：高等教育出版社，1992：285-289.