NX-Nastran在零件結(jié)構(gòu)改進工程中的應(yīng)用
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本文通過對失效零件的結(jié)構(gòu)斷裂問題進行研究分析，在實際設(shè)計空間以及成本的限制條件下，探尋合理的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，找到工程中易實現(xiàn)、較經(jīng)濟的解決方案。
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/165048.htm一、問題的提出
在新產(chǎn)品的研發(fā)中，對結(jié)構(gòu)的可靠性需要進行批量的壽命測試。對如圖1所示的零件進行批量的壽命測試中，在百分之一概率的樣品中，凸起柱狀結(jié)構(gòu)a處出現(xiàn)了斷裂現(xiàn)象，導(dǎo)致全套機構(gòu)功能失效。圖2為零件失效結(jié)構(gòu)斷裂狀態(tài)。
分析此結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)，如圖3所示，柱狀結(jié)構(gòu)表面受到金屬零件周期性的壓力F，壓力F的大小可以通過測力計得到。在實際的使用操作中，柱狀結(jié)構(gòu)a處還要受到小幅沖擊力以及工作狀態(tài)中的環(huán)境溫度與濕度影響。在針對問題的分析中，結(jié)合工程經(jīng)驗得出壓力F是導(dǎo)致斷裂的主要影響因素，為此可以簡化條件，根據(jù)主要原因得到抽象分析模型(見圖4)，然后進行Nastran分析。
二、基于有限元Nastran分析與優(yōu)化
1.結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中分析
應(yīng)用有限元分析軟件Nastran的分析流程，首先對模型簡化，進行現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變形分析，找到造成斷裂的結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中位置，然后進行下一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。
定義材料屬性，用3D mesh 10節(jié)點單元對非規(guī)則性的模型進行網(wǎng)格劃分，為了保證計算的準(zhǔn)確與精度，進行局部的網(wǎng)格細化。設(shè)定合理的邊界條件，對實際狀態(tài)分析后施加有效均布載荷F ;選擇結(jié)構(gòu)靜態(tài)線性求解器進行求解，抓住主要因素快速找到問題所在。在實際情況下造成斷裂有多種因素，若用非線性求解器則會造成計算的復(fù)雜性，難以快速找到解決方案。如圖5所示為網(wǎng)格劃分結(jié)果及設(shè)定施加載荷位置示意;圖6為應(yīng)力集中的分析結(jié)果。由分析結(jié)果可知，柱狀結(jié)構(gòu)中1區(qū)位置處存在應(yīng)力集中，需要針對受力的狀況進行結(jié)構(gòu)上的加強，同時確保柱狀結(jié)構(gòu)周邊其他零件的運動不受影響。
2.基于工程應(yīng)用的結(jié)構(gòu)優(yōu)化 首先確定工程條件下可優(yōu)化的區(qū)域。對結(jié)構(gòu)的優(yōu)化必須保證不干涉到機構(gòu)零件的正常運動，在實際可允許的范圍內(nèi)進行結(jié)構(gòu)的改善。本文中要測量工作狀態(tài)下運動機構(gòu)(見圖7) 需要的區(qū)域，從而找到可進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的區(qū)域，僅能在此限定范圍內(nèi)進行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。在模型中標(biāo)示出圖7優(yōu)化區(qū)域的水平方向，圖8為高度h方向上不干擾機構(gòu)運動的限定范圍。
其次確定可實現(xiàn)的優(yōu)化目標(biāo)。在確保柱狀結(jié)構(gòu)不斷裂的強度要求下，盡量減少改變的結(jié)構(gòu)，不但能減少模具改動的工作量與費用，而且節(jié)約原材料。
根據(jù)力學(xué)基本理論，在施力面相同的條件下，施加載荷與應(yīng)力成正比。通過實驗測試，失效樣品中柱狀結(jié)構(gòu)能承受的平均壓力為9N，大于此壓力，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力增大，斷裂發(fā)生的機率增大。
在實際工作條件下，經(jīng)測試此柱狀結(jié)構(gòu)需要承受12～13N 的平均壓力，所以超過其所能承受的應(yīng)力極限會發(fā)生斷裂。這需要通過結(jié)構(gòu)的改善來降低應(yīng)力提高結(jié)構(gòu)的強度，當(dāng)施加載荷13N時，保證應(yīng)力在極限范圍內(nèi)，就可以達到結(jié)構(gòu)強度要求。計算載荷為9N條件下的應(yīng)力分布，如圖6所示，此計算結(jié)果5.858MPa為優(yōu)化的極限應(yīng)力目標(biāo)值，即優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)應(yīng)力需接近目標(biāo)值。
再次確定結(jié)構(gòu)優(yōu)化的思路，以理論為基礎(chǔ)、工程經(jīng)驗為指導(dǎo)進行結(jié)構(gòu)的改進。
根據(jù)材料力學(xué)理論，
，在載荷施加狀態(tài)不變的情況下，增大抗彎截面模量
可以降低應(yīng)力。分析柱狀結(jié)構(gòu)截面，使中性軸的位置偏近施力點，可增大抗彎截面模量;增加底部厚度，減小應(yīng)力集中。具體結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化可通過軟件計算，比較各種不同分析結(jié)果后得到較為優(yōu)化的方案。
在載荷為13N的條件下，對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，計算得到其應(yīng)力分布結(jié)果。如圖9所示，當(dāng)載荷從9N增加到13N的情況下，原有應(yīng)力集中區(qū)的應(yīng)力值減小為3.717MPa。
如圖10所示，通過結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，消除了局部大應(yīng)力集中存在的現(xiàn)狀，最大應(yīng)力區(qū)在載荷增加30%的情況下，應(yīng)力值略小于優(yōu)化目標(biāo)值，為5.835MPa。說明結(jié)構(gòu)強度有較大的增強，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)可承受現(xiàn)有工作條件下的載荷。
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