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(yōu)化結構,找到工程中易實現(xiàn)、較經(jīng)濟的解決方案。
一、問題的提出
在新產(chǎn)品的研發(fā)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(xiàn)了斷裂現(xiàn)象,導致全套機構功能失效。圖2為零件失效結構斷裂狀態(tài)。
分析此結構的工作狀態(tài),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,結合工程經(jīng)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(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.結構應力集中分析
應用有限元分析軟件Nastran的分析流程,首先對模型簡化,進行現(xiàn)有結構的應力變形分析,找到造成斷裂的結構應力集中位置,然后進行下一步的結構優(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 ;選擇結構靜態(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雜性,難以快速找到解決方案。如圖5所示為網(wǎng)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(qū)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。
首先確定工程條件下可優(yōu)化的區(qū)域。對結構的優(yōu)化必須保證不干涉到機構零件的正常運動,在實際可允許的范圍內(nèi)進行結構的改善。本文中要測量工作狀態(tài)下運動機構(見圖7) 需要的區(qū)域,從而找到可進行結構優(yōu)化的區(qū)域,僅能在此限定范圍內(nèi)進行結構的優(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方向上不干擾機構運動的限定范圍。
其次確定可實現(xiàn)的優(yōu)化目標。在確保柱狀結構不斷裂的強度要求下,盡量減少改變的結構,不但能減少模具改動的工作量與費用,而且節(jié)約原材料。
根據(jù)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,大于此壓力,結構的應力增大,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(fā)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,保證應力在極限范圍內(nèi),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(yōu)化的極限應力目標值,即優(yōu)化后的結構應力需接近目標值。
再次確定結構優(yōu)化的思路,以理論為基礎、工程經(jīng)驗為指導進行結構的改進。
根據(jù)材料力學理論,
,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(yōu)化可通過軟件計算,比較各種不同分析結果后得到較為優(yōu)化的方案。
在載荷為13N的條件下,對結構進行優(yōu)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(qū)的應力值減小為3.717MPa。
如圖10所示,通過結構的優(yōu)化,消除了局部大應力集中存在的現(xiàn)狀,最大應力區(qū)在載荷增加30%的情況下,應力值略小于優(yōu)化目標值,為5.835MPa。說明結構強度有較大的增強,優(yōu)化后結構可承受現(xiàn)有工作條件下的載荷。
對優(yōu)化結果進行比較,由圖11給出了優(yōu)化前后的最大應力值以及原應力集中區(qū)的應力值變化比較,對應于圖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,最大應力值略有降低,局部應力集中現(xiàn)象得到明顯改善(見圖11中2區(qū)曲線)。通過對結構的優(yōu)化,使得初始結構應力集中區(qū)的應力降低了36.5%(見圖11中3區(qū)曲線)。優(yōu)化后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(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)化的結果對模具進行改進,試制樣品零件,如圖13所示。進行批量壽命測試,優(yōu)化后的凸起柱狀結構無斷裂現(xiàn)象,100%合格。通過優(yōu)化結構,有效增強結構可靠性。
四、結束語
本文就工程中出現(xiàn)的零件結構失效問題,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。以力學理論及工程經(jīng)驗為基礎,運用NX-Nastran對零件失效結構進行分析并優(yōu)化;找到一種較優(yōu)的方案去指導實際制造中的模具改進,制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)的進程,對解決工程應用的類似問題具有一定參考價值。