有限元分析在零件结构优化中的应用_唐元玉.pdf

生产实践有限元分析在零件结构优化中的应用唐元玉，何小婷（衡阳北方光电信息技术有限公司，湖南 衡阳 ）摘要：为改善零件疲劳强度、提升产品品质并节约成本，以冲击试验箱体零件受损为例，分析产品结构及零件受损情况，对其进行有限元分析和优化设计；利用 软件对箱体零件进行疲劳强度分析，查看其应力变形云图，快速定位结构薄弱处；增加筋板、增加厚度或补平凸台，提高结构强度，并进行仿真结果分析和产品冲击试验。指出：箱体优化后其质量增幅为，外形基本不变，机械接口不变，箱体零件未损伤；运用有限元分析优化零件结构设计能缩短新产品开发周期，节约研发成本。关键词：有限元分析；疲劳强度；冲击试验；边界约束；应力变形云图中图分类号：；文献标志码：文章编号：（），（，）：，；，：；收稿日期：作者简介：唐元玉（），男，湖南衡阳人，高级工程师，主要从事机械设计方面的研究。引言随着计算机仿真技术的进步，基于功能完善的有限元分析软件和高性能计算机对机械结构进行力学分析，以获得尽可能真实的结构受力信息，以便对设计阶段可能出现的各种问题进行安全评判，实现设计模型参数的修改及优化。相比传统设计方法，该方法节省工程样机多次反复生产验证环节，节约成本且可缩短新产品开发周期。因此，计算机有限元分析已成为工程设计和分析的重要工具。笔者公司生产的新产品进行冲击试验后，箱体零件受损。经综合考虑，设计单位初步判定是由零件疲劳强度设计冗余不足造成的。因此，对该箱体零件进行有限元分析和优化设计，优化设计的目标】【为：质量增幅不大于，整体外形基本不变，机械接口不变。产品结构受损部件构成产品受损部件由箱体部件、光学部件、电池部件、导轨部件、手柄部件及显示部件构成，如图所示。箱体部件；光学部件；电池部件；导轨部件；手柄部件；显示部件。图产品受损部件构成零件受损情况本次产品经冲击试验后，受损部位为箱体零件，受损情况如图所示，即箱体底面外边断裂。图箱体受损部位示意箱体有限元分析建立边界约束箱体材料为铸铝 型，抗拉强度为 ，延伸率为。将箱体底部组孔（孔组，孔组）进行固定约束，箱体前后定义为轴，左右定义为轴，上下定义为轴（见图）。图箱体边界约束示意箱体载荷仿真静载荷导轨部件质量为，手柄部件质量为 ，电池部件质量为，光学部件质量为 ，显示部件质量为 ，箱体部件质量为，箱体自重为。仿真动载荷以半正弦波 倍重力加速度，周期为 ，对轴、轴和轴正反向分别进行冲击试验，产品单周期冲击图谱如图所示。图产品单周期冲击图谱有限元仿真结果与分析仿真结果仿真试验使用 有限元分析软件，输入边界约束及载荷后，结果分别见图、图和图。其中，轴向冲击仿真最大应力为 ，应力最大处位于箱体底面外边处，上下弯曲变形；轴向冲击仿真最大应力为 ，应力最大处位于箱体内腔顶部螺孔处，上下弯曲变形；轴向冲击仿真最大应力为 ，应力最大处位于箱体底面外边处，上下弯曲变形。图轴向冲击应力变形云图图轴向冲击应力变形云图】【第 卷第期 年月 图轴向冲击应力变形云图仿真结果分析根据可知，向冲击仿真的最大应力为 ，远小于材料抗拉强度 ，即向冲击试验安全。向和向冲击仿真最大应力均大于 ，远超材料抗拉强度 ，即向和向冲击试验不安全，零件将出现断裂。由图图可知，应力最大的位置均出现在箱体底面外边处，与产品冲击试验箱体受损情况完全相符，故本次有限元仿真结果正确有效，符合实际情况。结合零件结构外形、仿真结果（应力及变形）及实际受力情况，初步分析认为：箱体下底面弯曲中心截面为平行于 和 平面的抗弯截面系数是造成箱体底面外边断裂的主要原因。因此，考虑增加箱体下底面弯曲中心截面为平行于 和 平面的抗弯截面系数作为零件结构优化设计的方向。箱体结构优化抗弯截面系数计算公式、抗弯截面系数计算示意分别如式（）和图所示。（）图抗弯截面系数计算示意式中：抗弯截面系数；距弯曲中心截面的微分面积；弯曲截面距离弯曲中心截面最大距离。为增强箱体下底面弯曲中心截面为平行于 （轴）及 （轴）平面向的抗弯截面系数，由式（）和图可知，在相应方向和位置增加值，即可增加相应位置的抗弯截面系数值，从而提高它的强度和刚度，降低局部弯曲应力。因此，在箱体下底面沿轴方向的适当位置局部增加筋板，即在轴方向补平凸出部分，并在适当位置局部增加厚度，从而提高箱体受损部位的结构强度，同时保持箱体光学部件安装空间、外部机械接口及整体外部形状不变。受损零件优化设计前后对比分别见图和图。图箱体优化设计前底面外形结构向局部增厚；向增加筋板；向补平凸台。图 箱体优化设计后底面外形结构优化方案仿真验证仿真结果仿真试验使用 有限元分析软件，输入原模型同样边界约束及载荷后，仿真结果分别见图、图 和图。轴向冲击仿真最大应力为 ，应力最大处位于箱体底面新增筋板的外棱边处，上下弯曲变形；轴向冲击仿真最大应力为 ，应力最大处位于箱体内腔顶部的螺孔处，上下弯曲变形；轴向冲击仿真最大应力为 ，应力最大处位于箱体底面新增筋板外棱边处，上下弯曲变形。仿真结果分析由优化后仿真结果应力变形云图可知，轴、轴 及轴冲击仿真最大应力范围为 】【图 轴向冲击应力变形云图图 轴向冲击应力变形云图 ，远远低于原箱体模型仿真的最大应力 ，且达不到材料抗拉强度 ，因此箱体强度设计达到要求。优化后箱体质量为 ，质量增幅为，优于质量增幅的目标。优化后产品冲击试验箱体按优化后设计方案生产了批，各套，进行冲击试验，箱体零件再未发生试验损伤情况（因本图 轴向冲击应力变形云图单位试验条件限制，该试验无法测得量化的应力数据，只能进行破坏与否的定性判断）。经设计单位评估鉴定，该零件设计达到要求。结语当箱体零件受损后，通过对原模型进行有限元仿真分析，查看其应力变形云图，可快速定位箱体零件的结构薄弱处。通过原模型的试验破损情况验证了有限元分析设计方案的正确性，为下一步箱体结构优化及仿真奠定了基础。通过箱体优化前后仿真结果分析对比，在优化设计阶段便可判定箱体优化设计方案的可行性，精准的优化方向及结果缩短了新产品开发周期，节约了研发成本。参考文献：成大先机械设计手册版北京：化学工业出版社，（上接第 页）用 转杯的双分梳转杯纺试验机纺纱，纱线中黑色纤维相比 转杯纺制的纱线更多地分布于纱线表面，且在个转杯周长内白色纤维比例沿纱线轴向呈现先减后增再减的趋势。）随着种纤维混合次数增加，纱线外观颜色沿轴向方向分布更均匀，说明双分梳转杯纺牛仔纱的外观不均匀分布是由于纤维在转杯中混合不均匀引起的。）利用这种双分梳牛仔纱织造的面料，具有明显的牛仔风格。参考文献：徐造林，程四新，章友鹤探析中国牛仔布与牛仔用纱的技术创新与发展动向纺织导报，（）：张玉泽转杯纺双分梳技术研究上海：东华大学，惠林涛双分梳转杯纺技术研究与产品开发上海：东华大学，陈凤，黄莉茜，王学利，等基于图像处理法的空气变形纱结构和细度不匀研究东华大学学报：自然科学版，（）：吴琼基于数字图像处理的羊绒和羊毛纤维鉴别研究武汉：湖北工业大学，李鉴洲双分梳转杯色纺纱的性能与结构研究上海：东华大学，卢明，刘一萍纱线毛羽图像的二值化处理及其 实现山东纺织科技，（）：付国定，陈桦，刘红，等数字图像处理技术在纺织服装领域的研究进展丝绸，（）：张倩，张玉泽，江慧，等转杯纺不同喂给方式对混纺纱质量影响的研究纺织器材，（）：】【第 卷第期 年月