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NX-Nastran在零件結(jié)構(gòu)改進工程中的應(yīng)用

作者: 時間:2012-08-14 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

本文通過對失效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,找到中易實現(xiàn)、較經(jīng)濟的解決方案。

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/165048.htm

  一、問題的提出

  在新產(chǎn)品的研發(fā)中,對的可靠性需要進行批量的壽命測試。對如圖1所示的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為失效結(jié)構(gòu)斷裂狀態(tài)。

  

圖1

  

圖2

  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

  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。

  

圖5圖62.基于的結(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。

  

圖7圖8

  其次確定可實現(xiàn)的優(yōu)化目標。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)力目標值,即優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)應(yīng)力需接近目標值。

  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。

  根據(jù)材料力學(xué)理論,

  

公式1

  ,在載荷施加狀態(tài)不變的情況下,增大抗彎截面模量

  

NX-Nastran在零件結(jié)構(gòu)改進中的工程應(yīng)用

  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。

  

圖9圖10
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