一种钣金件结构强度计算和优化

一种钣金件结构强度计算和优化
用“有限元法”对设计产品进行强度计算，并通过计算结果对设计产品进行优化改进是新产品研发过程中不可缺少的环节，随着CAD/CAE/CAM等技术的普及，这种方法在缩短新品开发周期及节约成本方面的作用更为凸显。“有限元法”的有效性不仅体现在有限元应用软件本身，更体现在对实际模型进行抽象、简化的过程及结果中，即分析模型的“边界条件”。本文对一种支架零件进行强度较核计算，在分析模型中对边界条件进行“微调”，最终得出近乎想象的分析结果，进一步例证和阐述了建立符合实际工况条件的“边界条件”的重要性。只有保证计算结果的正确性，才能通过优化程序对产品结构参数进行优化，以期得到满足工程要求的结果。

一、应用背景

建立分析对象的三维模型，如图1所示。



图1分析对象的三维模型

    该零件是冲压成型的钣金件，是电冰箱上的支撑架，主要承受重力和搬运过程中的冲击力。由于零件壁厚均匀，因此零件的分析模型宜采用“壳”单元模型。

    美国参数技术公司（PTC）的软件是优秀的高端MCAD设计软件之一，基于特征的全参数化及全相关技术极大地提高了设计效率和质量。其中，CAE专用分析模块 Pro/MECHANIC实现了与Pro/ENGINEER的完全无缝集成，由于Pro/MECHANIC采用高阶次单元（P单元），使分析模型的网格生成变得简单容易，无需对原模型结构进行大量的简化处理。Pro/MECHANICA实现了与其他PTC产品、数据管理工具及其他CAD工具的真正交互性。参数化优化结合了Pro/ENGINEER的全部功能后，Pro/MECHANICA可以提供真正的参数化分析，使用相关仿真特征，因为与后续产品（模具、刀路轨迹等）完全相关，即使设计更改后，也不需要重新定义分析。

    该零件的三维模型是用Pro/ENGINEER 软件完成的，强度计算在Pro/ENGINEER与Pro/MECHANIC的集成环境中进行，计算用Pro/MECHANIC解算器。

二、分析模型的建立

    由于在创建三维模型过程中没有过多地考虑用作分析模型，所以有些结构不具备均匀的厚度。如果对原来设计特征进行重定义，模型再生成功的可能性很小，为了能有效地利用原有数据，又能建立厚度均匀的三维模型，就需要创建一个新的装配模型，再把原设计零件（org.prt）装配进来，具体步骤如下：

    1.在装配模式下，创建一个新的零件（new.prt）；

    2.激活零件new.prt，从org.prt零件复制曲面；

    3.在零件new.prt中创建曲面“加厚”特征。

    在进入结构分析（STRUCTURE）环境后，对零件new.prt进行理想化处理（IDEALIZATION），压缩成“中间面”后显示的结果，如图2所示。



图2  压缩“中间面模型

壳单元的划分情况，如图3所示。



图3  单元局部图

    约束和载荷是需要设立的主要边界条件。力主要考虑静载荷力和冲击载荷力，冲击载荷力折算成静载荷力要乘以2.5~4倍的系数。

约束分为如下两种情况。

    约束1：螺栓固定孔和螺栓之间是一种理想配合的情况，中间没有间隙，固定孔的位置在X，Y，Z三个方向上完全固定。

    约束2：螺栓固定孔和螺栓之间是间隙配合的情况，中间有1毫米的间隙，在受力的极限情况下螺栓固定孔沿水平方向有2毫米的位移。

约束的位置和载荷的位置大小，如图4所示。



图4  分析模型

三、结果分析

    在固定孔完全固定情况下的主应变分布云图中，可以看出应变最大部位为均布力的加载部位，如图5所示。



图5  主应变分布云图（约束1）

    在Y向位移分布云图中，最大Y向位移也在受力部位，分析结果和实际情况相去甚远，如图6所示。



图6  Y向位移分布云图（约束1）

    在考虑固定孔配合间隙的情况下的主应变分布云图中，可以看出应变最大部位为零件两边的带折弯的部位，如图7所示。



图7  主应变分布云图（约束2）

    在Y向位移分布云图中，最大Y向位移在零件的中间部位，分析结果和实际情况完全符合，如图8所示。



图8  Y向位移分布云图（约束2）

四、结构优化

    由于该零件是一个支架，因此除了在强度方面有要求外，在静变形方面也有要求，即该零件在垂直方向（Y轴方向）要小于4mm，不然会对其他零件产生挤压。对于该零件，增加厚度是提高强度最有效的方法之一。

    Pro/MECHANICA可以选择一个或多个灵敏度参数，使它们在一个范围内变化，然后检查希望输出的图形，把它作为更改参数的一个函数。用额定参数值的一个小小偏差来计算局部灵敏度结果，并查看改变某个参数是否会产生显著效果。另外，通过指定多个设计参数和一个设计目标，在成本、质量、位移、应力、反作用力、应变、频率或设计的其他方面进行优化设计。例如，在保持应力且在第一阶众数频率和范围内最大位移不变的同时，将零件的质量减到最小，可以获得所有“单值”评估方法（最小值、最大值、最大绝对值和均方根值）的综合值。

    测量值（Y向位移）对厚度为自变量的全局自变量敏感度的分析。厚度为自变量，变化范围是1～2mm，可以测得，如果要求零件在垂直方向（Y轴方向）变形小于4mm，厚度应大于1.5mm，如图9所示。



图9 测量（Y向位移）对厚度的全局敏感度

五、总结

    用有限元法对新品进行强度计算和优化，是提高设计质量、低成本的有效手段，而有效运用这种方法的先决条件是保证计算结果的正确性。保证结果正确，除了要求CAE应用软件具备较好的稳定性和计算精度外，最主要、最关键的一条是分析人员要对产品的工况进行准确地“抽象”和“简化”，这就需要分析人员具备丰富的工程经验，而不仅仅是掌握如何使用FEA应用程序。