有限元分析在零件结构优化中的应用

唐元玉，何小婷

(衡阳北方光电信息技术有限公司，湖南 衡阳 421000)

0 引言

随着计算机仿真技术的进步，基于功能完善的有限元分析软件和高性能计算机对机械结构进行力学分析，以获得尽可能真实的结构受力信息，以便对设计阶段可能出现的各种问题进行安全评判，实现设计模型参数的修改及优化。相比传统设计方法，该方法节省工程样机多次反复生产验证环节，节约成本且可缩短新产品开发周期[1]。因此，计算机有限元分析已成为工程设计和分析的重要工具。

笔者公司生产的新产品进行冲击试验后，箱体零件受损。经综合考虑，设计单位初步判定是由零件疲劳强度设计冗余不足造成的。因此，对该箱体零件进行有限元分析和优化设计，优化设计的目标为：质量增幅不大于5%，整体外形基本不变，机械接口不变。

1 产品结构

1.1 受损部件构成

产品受损部件由箱体部件、光学部件、电池部件、导轨部件、手柄部件及显示部件构成，如图 1所示。

1—箱体部件；2—光学部件；3—电池部件； 4—导轨部件；5—手柄部件；6—显示部件。图1 产品受损部件构成

1.2 零件受损情况

本次产品经冲击试验后，受损部位为箱体零件，受损情况如图 2所示，即箱体底面外边断裂。

图2 箱体受损部位示意

2 箱体有限元分析

2.1 建立边界约束

箱体材料为铸铝ZL114A-T5型，抗拉强度为310 MPa，延伸率为3%。将箱体底部3组孔(A孔1组，B孔2组)进行固定约束，箱体前后定义为x轴，左右定义为z轴，上下定义为y轴(见图3)。

图3 箱体边界约束示意

2.2 箱体载荷

2.2.1 仿真静载荷

导轨部件质量为1 kg，手柄部件质量为0.75 kg，电池部件质量为1.6 kg，光学部件质量为4.75 kg，显示部件质量为0.34 kg，箱体部件质量为4.5 kg，箱体自重为4 kg。

2.2.2 仿真动载荷

以半正弦波30倍重力加速度，周期为0.012 s，对x轴、y轴和z轴正反向分别进行冲击试验，产品单周期冲击图谱如图4所示。

图4 产品单周期冲击图谱

2.3 有限元仿真结果与分析

2.3.1 仿真结果

仿真试验使用Simulation有限元分析软件，输入边界约束及载荷后，结果分别见图5、图6和图7。其中，x轴向冲击仿真最大应力为422.3 MPa，应力最大处位于箱体底面外边处，上下弯曲变形；z轴向冲击仿真最大应力为31.5 MPa，应力最大处位于箱体内腔顶部螺孔处，上下弯曲变形；y轴向冲击仿真最大应力为405.1 MPa，应力最大处位于箱体底面外边处，上下弯曲变形。

图5 x轴向冲击应力变形云图

图6 z轴向冲击应力变形云图

图7 y轴向冲击应力变形云图

2.3.2 仿真结果分析

根据2.3.1可知，z向冲击仿真的最大应力为31.5 MPa，远小于材料抗拉强度300 MPa，即z向冲击试验安全。x向和y向冲击仿真最大应力均大于400 MPa，远超材料抗拉强度300 MPa，即x向和y向冲击试验不安全，零件将出现断裂。由图5～图7可知，应力最大的位置均出现在箱体底面外边处，与产品冲击试验箱体受损情况完全相符，故本次有限元仿真结果正确有效，符合实际情况。

结合零件结构外形、仿真结果(应力及变形)及实际受力情况，初步分析认为：箱体下底面弯曲中心截面为平行于xoz和yoz平面的抗弯截面系数是造成箱体底面外边断裂的主要原因。因此，考虑增加箱体下底面弯曲中心截面为平行于xoz和yoz平面的抗弯截面系数作为零件结构优化设计的方向。

3 箱体结构优化

抗弯截面系数计算公式、抗弯截面系数计算示意分别如式(1)和图8所示。

(1)

图8 抗弯截面系数计算示意

式中：

Wz——抗弯截面系数；

dA=dy·B；

dA——距弯曲中心截面y的微分面积/mm2；

ymax——弯曲截面距离弯曲中心截面最大距离/mm。

为增强箱体下底面弯曲中心截面为平行于xoz(y轴)及yoz(x轴)平面向的抗弯截面系数，由式(1)和图8可知，在相应方向和位置增加值，即可增加相应位置的抗弯截面系数Wz值，从而提高它的强度和刚度，降低局部弯曲应力。因此，在箱体下底面沿y轴方向的适当位置局部增加筋板，即在x轴方向补平凸出部分，并在适当位置局部增加厚度，从而提高箱体受损部位的结构强度，同时保持箱体光学部件安装空间、外部机械接口及整体外部形状不变。受损零件优化设计前后对比分别见图9和图10。

图9 箱体优化设计前底面外形结构

1—x向局部增厚；2—y向增加筋板；3—x向补平凸台。图10 箱体优化设计后底面外形结构

4 优化方案仿真验证

4.1 仿真结果

仿真试验使用Simulation有限元分析软件，输入原模型同样边界约束及载荷后，仿真结果分别见图11、图12和图13。x轴向冲击仿真最大应力为176.4 MPa，应力最大处位于箱体底面新增筋板的外棱边处，上下弯曲变形；z轴向冲击仿真最大应力为131.2 MPa，应力最大处位于箱体内腔顶部的螺孔处，上下弯曲变形；y轴向冲击仿真最大应力为122.1 MPa，应力最大处位于箱体底面新增筋板外棱边处，上下弯曲变形。

图11 x轴向冲击应力变形云图

图12 z轴向冲击应力变形云图

图13 y轴向冲击应力变形云图

4.2 仿真结果分析

由优化后仿真结果应力变形云图可知，x轴、y轴及z轴冲击仿真最大应力范围为122.1 MPa～176.4 MPa，远远低于原箱体模型仿真的最大应力422.3 MPa，且达不到材料抗拉强度300 MPa，因此箱体强度设计达到要求。优化后箱体质量为4.1 kg，质量增幅为2.5%，优于质量增幅5%的目标。

5 优化后产品冲击试验

箱体按优化后设计方案生产了2批，各6套，进行冲击试验，箱体零件再未发生试验损伤情况(因本单位试验条件限制，该试验无法测得量化的应力数据，只能进行破坏与否的定性判断)。经设计单位评估鉴定，该零件设计达到要求。

6 结语

当箱体零件受损后，通过对原模型进行有限元仿真分析，查看其应力变形云图，可快速定位箱体零件的结构薄弱处。通过原模型的试验破损情况验证了有限元分析设计方案的正确性，为下一步箱体结构优化及仿真奠定了基础。通过箱体优化前后仿真结果分析对比，在优化设计阶段便可判定箱体优化设计方案的可行性，精准的优化方向及结果缩短了新产品开发周期，节约了研发成本。