基于ANSYS概率有限元對核電輪槽銑床導軌的可靠性數值模擬分析

李志偉

（四川建筑職業(yè)技術學院 四川 德陽 618000）

1 引言

由于導軌是超重型核電輪槽銑床關鍵設備，導軌決定著機床的運動精度，它的可靠性的高低影響著機床的加工精度，因此有必要對導軌進行可靠性分析。

2 利用ANSYS建立導軌的有限元模型

首先，利用三維建模軟件SolidWorks對導軌進行建模，并將模型導入ANSYS中，其次，在ANSYS中利用概率有限元PDS分析模塊對導軌進行可靠性分析。導軌整體網格采用MESH200分網單元和SOLID45 八節(jié)點實體單元經多次掃掠而成，通過對導軌進行簡化后，得到導軌的有限元模型如下圖。

3 建立適應導軌的蒙特卡洛模擬模型

蒙特卡洛模擬法的基本思想如下：建立與所研究對象對應的一個隨機模型，形成某個隨機變量，它的某個數字特征(如概率、期望等)，然后按照隨機模型進行大量的隨機實驗，獲得隨機變量的大量抽樣值，用統(tǒng)計特征求出數字特征的估計值?；谶@種思想，設目標函數，其中為具有某種分布的隨機變量。

圖2 隨機變量采樣點的三維模型

4 超重型核電輪槽銑床導軌的概率有限元可靠性分析

利用ANSYS概率有限元設計模塊PDS對機床導軌進行可靠性數值模擬分析時，基本流程圖如圖3所示。主要分為以下三個步驟：首先生成分析文件，其次進入可靠性分析階段，再次對分析結果進行后處理。

圖3 PDS計算流程

（1）生成分析文件。所有影響結構行為的不確定因素分別是彈性模量、泊松比、導軌摩擦力、和導軌壓力作為隨機輸入變量。隨機參數表見表2。

表2 導軌參數指標

（2）可靠性分析階段。主要包括：進入可靠性分析文件；選擇定義輸入變量以及輸入變量之間的相關系數，確定輸入變量服從的分布類型、分布函數及其參數；指定輸出結果變量；選擇分析工具和方法；執(zhí)行可靠性循環(huán)。

（3）結果后處理。可進行抽樣過程顯示、繪制設計變量的柱狀圖、繪制失效概率分布函數、確定結構可靠性分析中輸入、輸出變量之間的相關系數矩陣以及靈敏度分析。

圖4 彈性模量的概率分布函數

圖5 摩擦力的概率分布函數

圖6 壓力的概率分布函數

圖7 泊松比的概率分布函數

同樣的采用蒙特卡羅法，抽樣1200次，經過計算可以得到輸出參數的采樣值。

圖8 輸出參數Z的采樣值

圖9 標準差記錄曲線

圖10 最小值記錄曲線

分別計算得到彈性模量，摩擦力，壓力和泊松比的直方圖如下圖所示，它可以檢驗循環(huán)次數是否足夠。從圖11～14中可以看出，曲線光滑，表明抽樣足夠。

圖11 彈性模量的直方圖

圖12 摩擦力的直方圖

圖13 壓力載荷的直方圖

圖14 泊松比的直方圖

4 結論

從圖中可以看出，相對于以上四個因素中，主要影響導軌變形的因素是彈性模量，占比62%，其次為摩擦力，最后是泊松比，其中壓力對導軌的變形影響相對于這三個因素，非常小，這主要是由于，在判斷變形范圍偏小的原因。最后得到在置信水平為95%情況下，導軌的可靠性大小為98%，這里從輸出結果Z的采樣值可以看出，采樣的值均大于零，說明都是合格的。