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NX-Nastran在零件结构改进中的工程应用 |
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作者：郭永娜 周纲 |
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应用有限元分析软件进行优化改进的方法在工程研发中的优势日益明显。针对工程中的零件失效等问题，如何分析原因，在软件中抽象得到简化模型，设定合理的边界条件及约束，得到具有可参考性的优化结果，最终达到解决实际问题的目的。
本文通过对失效零件的结构断裂问题进行研究分析，在实际设计空间以及成本的限制条件下，探寻合理的优化结构，找到工程中易实现、较经济的解决方案。
一、问题的提出
在新产品的研发中，对结构的可靠性需要进行批量的寿命测试。对如图1所示的零件进行批量的寿命测试中，在百分之一概率的样品中，凸起柱状结构a处出现了断裂现象，导致全套机构功能失效。图2为零件失效结构断裂状态。
分析此结构的工作状态，如图3所示，柱状结构表面受到金属零件周期性的压力F，压力F的大小可以通过测力计得到。在实际的使用操作中，柱状结构a处还要受到小幅冲击力以及工作状态中的环境温度与湿度影响。在针对问题的分析中，结合工程经验得出压力F是导致断裂的主要影响因素，为此可以简化条件，根据主要原因得到抽象分析模型(见图4)，然后进行Nastran分析。
二、基于有限元Nastran分析与优化
1.结构应力集中分析
应用有限元分析软件Nastran的分析流程，首先对模型简化，进行现有结构的应力变形分析，找到造成断裂的结构应力集中位置，然后进行下一步的结构优化。
定义材料属性，用3D mesh 10节点单元对非规则性的模型进行网格划分，为了保证计算的准确与精度，进行局部的网格细化。设定合理的边界条件，对实际状态分析后施加有效均布载荷F ;选择结构静态线性求解器进行求解，抓住主要因素快速找到问题所在。在实际情况下造成断裂有多种因素，若用非线性求解器则会造成计算的复杂性，难以快速找到解决方案。如图5所示为网格划分结果及设定施加载荷位置示意;图6为应力集中的分析结果。由分析结果可知，柱状结构中1区位置处存在应力集中，需要针对受力的状况进行结构上的加强，同时确保柱状结构周边其他零件的运动不受影响。
2.基于工程应用的结构优化
首先确定工程条件下可优化的区域。对结构的优化必须保证不干涉到机构零件的正常运动，在实际可允许的范围内进行结构的改善。本文中要测量工作状态下运动机构(见图7) 需要的区域，从而找到可进行结构优化的区域，仅能在此限定范围内进行结构的优化。在模型中标示出图7优化区域的水平方向，图8为高度h方向上不干扰机构运动的限定范围。
优化水平方向 优化高度方向
次确定可实现的优化目标。在确保柱状结构不断裂的强度要求下，尽量减少改变的结构，不但能减少模具改动的工作量与费用，而且节约原材料。
根据力学基本理论，在施力面相同的条件下，施加载荷与应力成正比。通过实验测试，失效样品中柱状结构能承受的平均压力为9N，大于此压力，结构的应力增大，断裂发生的机率增大。
在实际工作条件下，经测试此柱状结构需要承受12～13N 的平均压力，所以超过其所能承受的应力极限会发生断裂。这需要通过结构的改善来降低应力提高结构的强度，当施加载荷13N时，保证应力在极限范围内，就可以达到结构强度要求。计算载荷为9N条件下的应力分布，如图6所示，此计算结果5.858MPa为优化的极限应力目标值，即优化后的结构应力需接近目标值。
再次确定结构优化的思路，以理论为基础、工程经验为指导进行结构的改进。
根据材料力学理论，σmax=M/Wz，在载荷施加状态不变的情况下，增大抗弯截面模量Wz可以降低应力。分析柱状结构截面，使中性轴的位置偏近施力点，可增大抗弯截面模量;增加底部厚度，减小应力集中。具体结构尺寸的优化可通过软件计算，比较各种不同分析结果后得到较为优化的方案。
在载荷为13N的条件下，对结构进行优化，计算得到其应力分布结果。如图9所示，当载荷从9N增加到13N的情况下，原有应力集中区的应力值减小为3.717MPa。
如图10所示，通过结构的优化，消除了局部大应力集中存在的现状，最大应力区在载荷增加30%的情况下，应力值略小于优化目标值，为5.835MPa。说明结构强度有较大的增强，优化后结构可承受现有工作条件下的载荷。 
对优化结果进行比较，由图11给出了优化前后的最大应力值以及原应力集中区的应力值变化比较，对应于图9与图10 中的2区和3区，在载荷从优化前的9N增大到优化后的13N、载荷增加30%的情况下，最大应力值略有降低，局部应力集中现象得到明显改善(见图11中2区曲线)。
通过对结构的优化，使得初始结构应力集中区的应力降低了36.5%(见图11中3区曲线)。优化后结构的承载能力增强，零件的可靠性提高。模型确定的最终优化形状，如图12所示。 
三、基于优化方案的样件测试与比较
根据方案优化的结果对模具进行改进，试制样品零件，如图13所示。进行批量寿命测试，优化后的凸起柱状结构无断裂现象，100%合格。通过优化结构，有效增强结构可靠性。
四、结束语
本文就工程中出现的零件结构失效问题，给出了一种基于有限元分析软件Nastran辅助解决问题的思路与方法。以力学理论及工程经验为基础，运用NX-Nastran对零件失效结构进行分析并优化;找到一种较优的方案去指导实际制造中的模具改进，制得样件进行相关测试，解决了零件结构的失效问题，提高了零件结构的可靠性，降低了模具修改的费用，缩短了时间，同时也验证了软件分析的正确性。在一定程度上降低了研发成本，加快了产品开发的进程，对解决工程应用的类似问题具有一定参考价值。(end)
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(7/15/2010) |
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