NX-Nastran在零件結(jié)構(gòu)改進(jìn)中的工程應(yīng)用
本文通過對失效零件的結(jié)構(gòu)斷裂問題進(jìn)行研究分析，在實(shí)際設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)、較經(jīng)濟(jì)的解決方案。
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(jìn)行批量的壽命測試。對如圖1所示的零件進(jìn)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(jī)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(jì)得到。在實(shí)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(yàn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(diǎn)單元對非規(guī)則性的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為了保證計(jì)算的準(zhǔn)確與精度，進(jìn)行局部的網(wǎng)格細(xì)化。設(shè)定合理的邊界條件，對實(shí)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(jìn)行求解，抓住主要因素快速找到問題所在。在實(shí)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(jì)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(jìn)行結(jié)構(gòu)上的加強(qiáng)，同時(shí)確保柱狀結(jié)構(gòu)周邊其他零件的運(yùn)動不受影響。
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(jī)構(gòu)零件的正常運(yùn)動，在實(shí)際可允許的范圍內(nèi)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的改善。本文中要測量工作狀態(tài)下運(yùn)動機(jī)構(gòu)(見圖7) 需要的區(qū)域，從而找到可進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的區(qū)域，僅能在此限定范圍內(nèi)進(jìn)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(jī)構(gòu)運(yùn)動的限定范圍。
其次確定可實(shí)現(xiàn)的優(yōu)化目標(biāo)。在確保柱狀結(jié)構(gòu)不斷裂的強(qiáng)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(fèi)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(shí)驗(yàn)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(jī)率增大。
在實(shí)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(qiáng)度，當(dāng)施加載荷13N時(shí)，保證應(yīng)力在極限范圍內(nèi)，就可以達(dá)到結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。計(jì)算載荷為9N條件下的應(yīng)力分布，如圖6所示，此計(jì)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(yàn)為指導(dǎo)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。
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(diǎn)，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(jì)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(jìn)行優(yōu)化，計(jì)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(qiáng)度有較大的增強(qiáng)，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)可承受現(xiàn)有工作條件下的載荷。
對優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行比較，由圖11給出了優(yōu)化前后的最大應(yīng)力值以及原應(yīng)力集中區(qū)的應(yīng)力值變化比較，對應(yīng)于圖9與圖10 中的2區(qū)和3區(qū)，在載荷從優(yōu)化前的9N增大到優(yōu)化后的13N、載荷增加30%的情況下，最大應(yīng)力值略有降低，局部應(yīng)力集中現(xiàn)象得到明顯改善(見圖11中2區(qū)曲線)。通過對結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，使得初始結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中區(qū)的應(yīng)力降低了36.5%(見圖11中3區(qū)曲線)。優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的承載能力增強(qiáng)，零件的可靠性提高。模型確定的最終優(yōu)化形狀，如圖12所示。
三、基于優(yōu)化方案的樣件測試與比較
根據(jù)方案優(yōu)化的結(jié)果對模具進(jìn)行改進(jìn)，試制樣品零件，如圖13所示。進(jìn)行批量壽命測試，優(yōu)化后的凸起柱狀結(jié)構(gòu)無斷裂現(xiàn)象，100%合格。通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)，有效增強(qiáng)結(jié)構(gòu)可靠性。
四、結(jié)束語
本文就工程中出現(xiàn)的零件結(jié)構(gòu)失效問題，給出了一種基于有限元分析軟件Nastran輔助解決問題的思路與方法。以力學(xué)理論及工程經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，運(yùn)用NX-Nastran對零件失效結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析并優(yōu)化;找到一種較優(yōu)的方案去指導(dǎo)實(shí)際制造中的模具改進(jìn)，制得樣件進(jìn)行相關(guān)測試，解決了零件結(jié)構(gòu)的失效問題，提高了零件結(jié)構(gòu)的可靠性，降低了模具修改的費(fèi)用，縮短了時(shí)間，同時(shí)也驗(yàn)證了軟件分析的正確性。在一定程度上降低了研發(fā)成本，加快了產(chǎn)品開發(fā)的進(jìn)程，對解決工程應(yīng)用的類似問題具有一定參考價(jià)值。
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