NX-Nastran在零件結構改進中的應用

本文通過對失效零件的結構斷裂問題進行研究分析，在實際設計空間以及成本的限制條件下，探尋合理的優化結構，找到工程中易實現、較經濟的解決方案。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/165310.htm

　　一、問題的提出

　　在新產品的研發中，對結構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，凸起柱狀結構a處出現了斷裂現象，導致全套機構功能失效。圖2為零件失效結構斷裂狀態。

　　

　　

　　分析此結構的工作狀態，如圖3所示，柱狀結構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，柱狀結構a處還要受到小幅衝擊力以及工作狀態中的環境溫度與溼度影響。在針對問題的分析中，結合工程經驗得出壓力F是導致斷裂的主要影響因素，為此可以簡化條件，根據主要原因得到抽象分析模型(見圖4)，然後進行Nastran分析。

　　二、基於有限元Nastran分析與優化

　　1.結構應力集中分析

　　應用有限元分析軟體Nastran的分析流程，首先對模型簡化，進行現有結構的應力變形分析，找到造成斷裂的結構應力集中位置，然後進行下一步的結構優化。

　　定義材料屬性，用3D mesh 10節點單元對非規則性的模型進行網格劃分，為了保證計算的準確與精度，進行局部的網格細化。設定合理的邊界條件，對實際狀態分析後施加有效均布載荷F ;選擇結構靜態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複雜性，難以快速找到解決方案。如圖5所示為網格劃分結果及設定施加載荷位置示意;圖6為應力集中的分析結果。由分析結果可知，柱狀結構中1區位置處存在應力集中，需要針對受力的狀況進行結構上的加強，同時確保柱狀結構周邊其他零件的運動不受影響。

　　

2.基於工程應用的結構優化

　　首先確定工程條件下可優化的區域。對結構的優化必須保證不幹涉到機構零件的正常運動，在實際可允許的範圍內進行結構的改善。本文中要測量工作狀態下運動機構(見圖7) 需要的區域，從而找到可進行結構優化的區域，僅能在此限定範圍內進行結構的優化。在模型中標示出圖7優化區域的水平方向，圖8為高度h方向上不幹擾機構運動的限定範圍。

　　

　　其次確定可實現的優化目標。在確保柱狀結構不斷裂的強度要求下，儘量減少改變的結構，不但能減少模具改動的工作量與費用，而且節約原材料。

　　根據力學基本理論，在施力面相同的條件下，施加載荷與應力成正比。通過實驗測試，失效樣品中柱狀結構能承受的平均壓力為9N，大於此壓力，結構的應力增大，斷裂發生的機率增大。

　　在實際工作條件下，經測試此柱狀結構需要承受12～13N 的平均壓力，所以超過其所能承受的應力極限會發生斷裂。這需要通過結構的改善來降低應力提高結構的強度，當施加載荷13N時，保證應力在極限範圍內，就可以達到結構強度要求。計算載荷為9N條件下的應力分布，如圖6所示，此計算結果5.858MPa為優化的極限應力目標值，即優化後的結構應力需接近目標值。

　　再次確定結構優化的思路，以理論為基礎、工程經驗為指導進行結構的改進。

　　根據材料力學理論，

　　

　　，在載荷施加狀態不變的情況下，增大抗彎截面模量

　　

　　可以降低應力。分析柱狀結構截面，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，減小應力集中。具體結構尺寸的優化可通過軟體計算，比較各種不同分析結果後得到較為優化的方案。

　　在載荷為13N的條件下，對結構進行優化，計算得到其應力分布結果。如圖9所示，當載荷從9N增加到13N的情況下，原有應力集中區的應力值減小為3.717MPa。

　　如圖10所示，通過結構的優化，消除了局部大應力集中存在的現狀，最大應力區在載荷增加30%的情況下，應力值略小於優化目標值，為5.835MPa。說明結構強度有較大的增強，優化後結構可承受現有工作條件下的載荷。