NX-Nastran在零件结构改进中的工程应用

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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。
　　




　　其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，
　　




　　，在载荷施加状态不变的情况下，增大抗弯截面模量
　　




　　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。