基于UG8.5和ANSYS对钢索拉伸实验装置的研究

赵浩甲，宋文学，李 莎

（1.西安工业大学 机电工程学院，西安 710021；2.西安航空学院 机械工程学院，西安 710077）

0 引言

随着工业的迅速发展，许多大型设备中的牵引装置和传动装置都离不开钢索部件的参与。特别在航空行业中，在飞机的操纵系统中，诸多飞行动作的操纵装置和执行装置之间都是依靠钢索来实现完成的。而钢索所能承受的最大拉力和最多拉伸次数，直接关系到飞机和大型设备的安全性能及其使用寿命。

本文对钢索拉伸实验装置进行机械结构设计，通过显示控制装置、传动装置、施加载荷装置和限位配重装置可以实现对钢索的拉伸试验。对实验装置中支撑板进行强度分析，研究其在工况条件下应力应变云图，对丝杠和支撑板危险截面进行预判。

1 钢索拉伸实验装置设计原理

1.1 传动原理设计

钢索拉伸实验装置的加载动力由电机提供，其传动装置机构简图如图1所示。

图1 传动装置机构简图

传动装置中先对电机输出的动力通过皮带轮进行减速，使得其动力和转速更加平稳。皮带传动设计中部分计算公式(1)～式(8)如下：

确定计算功率Pca：

验算皮带速度v：

皮带所需的基准长度Ld0：

验算小带轮上的包角α1＞120°：

单根V带的额定功率Pr：

V带的根数z：

单根V带的初拉力F0：

压轴力Fp：

为了保证电机输出能量的利用率通过一级齿轮啮合进行加速，将动能输送给平行栓丝杠机构进行加载时再通过一级齿轮啮合进行减速。齿轮传动设计中强度校核计算公式(9)～式(11)如下：

齿面接触疲劳强度校核：

齿根弯曲疲劳强度校核：

经过齿轮组一级加速一级减速减速，把转速降至实验时所需要的低转速。其中m=2.5，z1=39，z2=20，z3=46，z4=18。

由式(12)计算的其传动比i为：

通过UG8.5进行建模，其钢索拉伸实验装置传动机构结构图如图2所示。

图2 传动装置结构图

1.2 工作原理

钢索拉伸实验装置通过显示控制装置、传动装置、施加载荷装置和限位配重装置相互协作，对钢索进行拉伸试验，其工作原理流程图如图3所示。

2 基于UG8.5对实验装置关键部件及总体结构进行设计

2.1 平行双丝杠

轴Ⅰ上的齿轮Ⅰ与轴Ⅱ上的齿轮Ⅱ进行啮合传动（进行一级加速），轴Ⅱ上的齿轮Ⅲ同时与左旋丝杠和右旋丝杠上的齿轮进行啮合传动（进行一级减速），平行双丝杠的转动带动拉伸板向左移动，对钢索进行拉伸。其平行双丝杠结构如图4所示。

图4 平行双丝杠结构图

2.2 钢索限位装置

钢索另一端固定在钢索限位器上，限位器通过螺栓Ⅱ、压板和垫块固定在三角导轨上。其钢索限位器装配结构图如图5所示。

图5 钢索限位器装配结构图

2.3 钢索拉伸支撑结构

实验通过2m和4m长度尺寸的支撑柱和支撑板进行组合可以测量不同长度的钢索；动力装置台架和配重块也可以根据测量钢索长度的不同进行位置的调整，其都是采用直角压板通过垫片Ⅲ和螺栓Ⅳ固定在试验台桌的桌腿上。其2m支撑柱和支撑板进行组合的局部装配图如图6所示。

图6 2m支撑柱和支撑板组合局部装配图

基于UG8.5设计钢索拉伸实验装置的理论模型进行仿真，通过该实验测量装置可以实现由电机提供动力，通过传动装置和施加载荷装置对钢索施加拉力载荷，通过显示控制装置收集处理数据等功能。钢索拉伸实验装置的理论模型如图7所示。

图7 钢索拉伸实验装置理论模型图

3 基于ANSYS对支撑板进行强度分析

在ANSYS中定义单元类型。定义单元为Solid实体单元，类型选择node187节点为10。支撑板的材料为45。定义材料属性则弹性模200000000000pa泊松比0.3。采用四面体自由计算进行划分。对模型进行网格划分如图8所示。

图8 支撑板网格划分

在支撑板安装支撑柱凹槽处施加载荷，对支撑板模型进行求解，得出在载荷作用下支撑板会产生微小形变，其真实比例总位移云图分析结果如图9所示；同时在载荷作用下支撑板的真实比例总应力云图变化结果如图10所示。

图9 支撑板真实比例总位移云图

图10 支撑板真实比例总应力云图

在List指令中导出总位移和总应力的计算结果文件。在总位移的计算结果文件中可以看出对应点的最大位移量。在文件中截取最大位移量如表1所示。

表1 支撑板最大位移量

在总应力的计算结果文件中可以看出对应点的最大应力和对应点的最小应力。在文件中截取最大应力和最小应力结果如表2、表3所示。

表2 支撑板最大应力

表3 支撑板最小应力

4 结语

本文通过对钢索拉伸实验装置的发展现状和应用价值进行分析。对其工作原理进了讨论和研究，基于UG8.5设计建立测量仪理论实验模型。该实验装置通过显示控制装置、传动装置、施加载荷装置和限位配重装置可以实现钢索拉伸试验，通过应变片和高倍摄像装置采集数据，传输给显示控制装置得出钢索最大拉力值、最多拉伸次数、钢索断丝高清图、拉力和形变量的关系图等实验结果基于一体化的结构设计。通体ANSYS对支撑板的强度分析可知，在工作时支撑板形变量很小，但支撑板实验在往复加载状态下危险截面处在安装支撑柱凹槽部位，应通过材料热处理等方法提支撑板强度，以保证实验时所需的结构强度要求。