NX-Nastran在零件結構改進中的工程應用

2020-11-22 電子發燒友

NX-Nastran在零件結構改進中的工程應用

秩名 發表於 2011-06-13 10:26:54

 

　　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。

　　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。

　　

 

　　對優化結果進行比較，由圖11給出了優化前後的最大應力值以及原應力集中區的應力值變化比較，對應於圖9與圖10 中的2區和3區，在載荷從優化前的9N增大到優化後的13N、載荷增加30%的情況下，最大應力值略有降低，局部應力集中現象得到明顯改善(見圖11中2區曲線)。通過對結構的優化，使得初始結構應力集中區的應力降低了36.5%(見圖11中3區曲線)。優化後結構的承載能力增強，零件的可靠性提高。模型確定的最終優化形狀，如圖12所示。

　　

 

　　

 

　　三、基於優化方案的樣件測試與比較

　　根據方案優化的結果對模具進行改進，試製樣品零件，如圖13所示。進行批量壽命測試，優化後的凸起柱狀結構無斷裂現象，100%合格。通過優化結構，有效增強結構可靠性。

　　四、結束語

　　本文就工程中出現的零件結構失效問題，給出了一種基於有限元分析軟體Nastran輔助解決問題的思路與方法。以力學理論及工程經驗為基礎，運用NX-Nastran對零件失效結構進行分析並優化;找到一種較優的方案去指導實際製造中的模具改進，製得樣件進行相關測試，解決了零件結構的失效問題，提高了零件結構的可靠性，降低了模具修改的費用，縮短了時間，同時也驗證了軟體分析的正確性。在一定程度上降低了研發成本，加快了產品開發的進程，對解決工程應用的類似問題具有一定參考價值。

打開APP閱讀更多精彩內容

聲明：本文內容及配圖由入駐作者撰寫或者入駐合作網站授權轉載。文章觀點僅代表作者本人，不代表電子發燒友網立場。文章及其配圖僅供工程師學習之用，如有內容圖片侵權或者其他問題，請聯繫本站作侵刪。 侵權投訴

相關焦點

  • 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。
  • Patran Nastran彈簧單元(CELAS2)
    CELAS2單元定義了一個彈簧，並且在單元卡片中直接包含了表示彈簧屬性的參數，格式如下：EID：唯一的單元標識號，大於0的整數K：標量彈簧的剛度係數，實數G1,G2：幾何節點或者標量點的標識號C1,C2：分量號（整數0，1，……，6；如果為標量點，則為0或空格）GE：阻尼係數S：應力係數
  • 淺談價值工程在設計中的應用
    淺談價值工程在設計中的應用　　價值工程（ValueEngineering），又稱價值分析，是一門技術與經濟相結合的現代化管理科學。設計是工程建設的基礎，設計方案上任何環節的不合理或缺陷所留下的隱患都會造成工程項目投資的不良經濟後果。
  • .| 《機械結構有限元法基礎理論及工程應用》及相關程序下載
    內容簡介　　本書主要介紹了機械結構有限元法的基礎理論及工程應用實例，簡述了有限元方法的基本概念、一維問題、二維問題、三維問題、梁理論的有限元方法應用、形函數理論、等參元理論、有限元方法的動力學問題等有限元方法內容。
  • 參數化設計在工程領域的應用
    三維參數化設計已經被廣泛的運用於簡單零部件系列的設計，本文將探討參數化設計在工程機械領域的應用。    1.工程機械產品設計分析    1.1工程機械產品設計特點    工程機械產品，不同於工具機和輕工設備中的零件，結構型式較為簡單固定而易於實現參數化設計。
  • 315乳化液泵零件圖解根據的結構使用確定
    315乳化液泵零件圖解根據的結構使用確定 ,「10tog」   無錫一煤煤礦機械有限公司專業生產315乳化液泵零件圖解，型號齊全，低損耗，使用壽命長，耐腐蝕，歡迎來電諮詢！
  • 【汽車峰會】專家貼:鋁合金材料在新能源汽車底盤零件的應用
    在SMM舉辦的2020(第二屆)中國工博會新材料論壇-中國汽車新材料應用高峰論壇暨中國（第八屆）鋁加工產業鏈供需交易峰會上，中鋁蘇州研究院鐘鼓為大家講解了鋁合金材料在新能源汽車底盤零件的應用。一、鋁合金在汽車上的應用鐘鼓表示，超600個鋁製零部件用於車身、底盤、動力和傳動等系統。
  • 淺析膜結構工程翻新措施以及索膜形式的結構驗算處理
    千象工程專業從事膜結構停車棚、風景棚對於事物的應用而言，往往有著一定的使用期限，除此之外事物的新鮮感也有有著一定的過渡性，對於新型的工程建築的應用也是如此，對於膜結構工程建築而言，其整體一旦變得陳舊之後，往往會影響到整體建築形象
  • 諾斯頓測量|三維雷射掃描技術在工業零件檢測中的應用
    在精密零件的生產過程中對零件的檢測極為重要它是把捏產品質量的關鍵環節現有的檢測工具種類繁多>如：卡尺、千分尺、內徑千分尺等不同零件的檢測需選用相應的檢測工具且對檢測人員的經驗、操作能力要求較高在操作中影響檢測精度的人為因素過高在工業生產中，傳統的檢測技術需要眾多的檢測工人
  • 不要再問NX1899更新哪些內容了,都在這裡!
    >儘管「應用程式中有程序集」，但「程序集」選項卡中的「命令」丟失/顯示為灰色CAEADV_SIMULATION原子能機構關於聲學分析結果圖的差異CAEADV_SIMULATIONPOST_DISPLAYFEM中厚度的更新未更新CAEADV_SIMULATION
  • 環境工程水處理中對曝氣設備的應用分析探討
    在今後具體的確定環境工程水處理中曝氣應用的相關係數的過程中，應儘量減少此過程中相關係數的誤差，並努力提高相關係數的準確度，以達到更好的效果。3、測定環境工程水處理中曝氣設備的性能效果在環境工程水處理中曝氣應用相關係數進行確定時，可利用Excel作為曝氣處理係數的確定方法，與利用Matlab作為曝氣處理係數的確定方法來進行相關係數的確定，而我們對環境工程水處理中曝氣應用性能的側定，則應採用一定的公式來處理。
  • 增材製造中表面光潔度的重要性,及光整加工技術的種類和應用現狀
    增材製造在航空航天領域應用的主要驅動力在於減輕重量，運營商願意為提高燃油經濟所帶來的運營成本降低付出代價。人們對增材製造的零件密度、孔隙率和晶粒結構的最初質疑正在得到克服，該技術也已經被越來越多的用於生產認證部件。
  • 熱縮管在陰極保護工程中的應用
    在陰極保護過程中，有許多位於高溫或腐蝕性介質中的電氣接頭、探針和電纜。過去使用的包裝工藝是：用防水膠帶和絕緣膠帶包裹，然後用環氧樹脂或環氧瀝青包裹。過程繁瑣，效果不佳.. 如果採用熱收縮管隔離包裝，可以大大提高工藝水平，節省時間。
  • 微振動傳感器應用大型工程結構的振動監測
    原標題：微振動傳感器應用大型工程結構的振動監測 　　振動傳感器是目前廣泛使用的檢測傳感器，它感測機械運動振動的參數(如振動速度、頻率、加速度等)。)
  • 應對工程機械中的萬種零部件,科學用刀太重要
    圍繞各類的工程機械，大量的結構件、零部件是金屬加工行業的重點應用，包含金屬切削、焊接、衝壓等技術，涉及液壓系統、發動機、齒輪傳動裝置、變速器、馬達等上萬種零部件。刀具在工程機械的應用發動機部件柴油發動機是工程機械的核心部件之一，其加工質量水平直接影響發動機的裝配質量、使用壽命和可靠性等因素。
  • ABAQUS在巖土工程中的應用
    全書分為兩大部分共16章，即入門篇(第1-5章)和應用篇(6-16章)。入門篇主要介紹軟體的功能、巖土工程中常用的單元、本構關係和接觸面理論等基本知識，通過閱讀這些章節，讀者可以達到快速入門的目的。應用篇中首先詳細介紹了用戶子程序的編寫注意事項和編寫過程，然後通過巖土工程應用實例，對模型建立、問題求解和結果後處理中需考慮的關鍵問題進行了討論，通過這部分的學習，讀者可以掌握用戶自定義材料和單元的二次開發、土體固結沉降分析、非飽和滲流與流固耦合分析、基樁低應變檢測的數值模擬、樁基承載力分析、巖土開挖問題求解、巖土貫入問題求解、土石壩靜力與動力分析和邊坡穩定性分析等內容。
  • 結構工程師常識:損傷零件壽命
    損傷零件壽命估算計算帶缺陷零件的剩餘自然壽命一般採用斷裂力學理論，通過建立裂紋擴展速率與斷裂力學參量之間的關係來進行計算。斷裂力學理論認為：零件的缺陷在循環載荷作用下會逐步擴大，當缺陷擴大到臨界尺寸後將發生斷裂破壞。這個過程被稱為疲勞斷裂過程。
  • 工程機械設備零件也需要清洗 方法你知道幾種?
    工程機械零件油汙主要是由不可皂化油與灰塵、雜質等形成的。不可皂化油不能與強鹼起作用，如各種礦物油、潤滑油，均不能溶於水，但可溶於有機溶劑。去除此類油汙有化學和電化學兩種方法；常用的清洗液為有機溶劑、鹼性溶液和化學清洗液等；清洗方式有人工清洗和機械清洗兩種。三種清洗液(1)有機溶劑。常見的有煤油、輕柴油、汽油、丙酮、酒精和三氯乙烯等。
  • 如何選擇機械零件加工所用的塑料材質?
    ABS為使用最廣泛的工程塑料之一。2、尼龍PA6尼龍製造工藝CNC加工 / 手板製作 / 注塑 / 3D列印尼龍PA6特性及應用該材料具有最優越的綜合性能，包括機械強度、剛度、韌度、機械減震性和耐磨性。這些特性，再加上良好的電絕緣能力和耐化學性，使 尼龍6 成為一種「通用級」材料，用於機械結構零件和可維護零件的製造。
  • 應急照明及智能疏散在綜合管廊工程中的應用
    應急疏散系統是消防系統中重要的一部分，是綜合管廊內工作人員逃生指示的重要標識。隨著技術的進步和整合，智能消防疏散系統應運而生，現已開始應用於傳統建築工程中。綜合管廊作為一種新型地下工程，與傳統民業、工業建築相比，有其固有的特殊性，在綜合管廊中合理地運用智能消防應急疏散系統，對其消防系統的「提智」具有重要意義。