吳書朋

（蘇州大學機電工程學院，江蘇 蘇州 215021）

SolidWorks Simulation在掃描器扳機疲勞設(shè)計中的應(yīng)用

吳書朋

（蘇州大學機電工程學院，江蘇 蘇州 215021）

疲勞破壞是機械零件失效的主要原因之一，但是由于疲勞破壞前沒有明顯的變形以及疲勞測試需要耗費很長的時間，使得疲勞破壞很容易被忽視。使用有限元分析在設(shè)計前期就可以評估疲勞失效的風險，縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，節(jié)約開發(fā)成本。

SolidWorks Simulation；掃描器；疲勞

1 概述

疲勞破壞是機械零件失效的主要原因之一，疲勞是指在某點或某些點承受擾動應(yīng)力，且在足夠多的循環(huán)擾動作用之后形成裂紋或完全斷裂的材料中所發(fā)生的局部永久結(jié)構(gòu)變化的發(fā)展過程。疲勞破壞分為裂紋萌生、裂紋擴展和斷裂三個過程。

據(jù)統(tǒng)計，在機械零件失效中大約有80%以上屬于疲勞破壞。由于疲勞破壞是一個持續(xù)的過程，而且疲勞破壞前沒有明顯的變形，所以疲勞破壞很容易被忽視，從而造成重大事故。通常完成一個疲勞測試需要耗費很長的時間，因此有限元方法就被作為預測零件的疲勞失效的一種手段而廣泛使用。

2 SolidWorks疲勞仿真簡介

SolidWorks為達索系統(tǒng)（Dassault Systemes S.A）下的子公司，專門負責研發(fā)與銷售機械設(shè)計軟件的視窗產(chǎn)品。SolidWorks提供涵蓋整個產(chǎn)品生命周期的系統(tǒng)，包括設(shè)計、工程、制造、仿真、管理、流通等各個領(lǐng)域。SolidWorks 軟件設(shè)計遵循易用、穩(wěn)定和創(chuàng)新三大原則，設(shè)計師可大大縮短設(shè)計時間，并保證產(chǎn)品快速高效地投放市場。

SolidWorks疲勞仿真采用的是應(yīng)力壽命計算方法。這種方法假設(shè)零部件在恒定的幅度、恒定的平均應(yīng)力載荷周期下工作。通過使用SN 曲線，快速計算導致零部件發(fā)生失效的此類周期數(shù)量。而對于零部件需要在多種載荷下工作的情況，則可采用Miner 線性準則來計算每種載荷情況的損壞結(jié)果，并將所有這些損壞結(jié)果合并起來獲得一個總體的破壞值。

3 疲勞應(yīng)力壽命計算方法

材料的 SN 曲線定義交替應(yīng)力值與指定應(yīng)力比率下失效所需的周期數(shù)。典型的 S-N 曲線如圖1所示，Y軸表示交替應(yīng)力 （S） ，X軸表示周期數(shù) （N）。

實驗表明，S-N之間有對數(shù)線性關(guān)系：

由此可以得到S-N曲線為：

m與C是與材料、應(yīng)力比、加載方式等有關(guān)的參數(shù)，且有：

4 掃描器扳機疲勞仿真

4.1 掃描器扳機結(jié)構(gòu)介紹

圖2為某掃描器扳機結(jié)構(gòu)圖。掃描時，手指扣動扳機，扳機繞著旋轉(zhuǎn)軸沿紅色箭頭方向旋轉(zhuǎn)，觸發(fā)按鈕觸碰PCB板上的開關(guān)，執(zhí)行掃描操作。掃描完成后，手指松開，扳機在彈性臂彈性的作用下復位。

考慮到操作員在扣動扳機時的舒適度體驗，扳機彈性臂端部在設(shè)計時預留有一定量的預干涉，以提供一定量的反作用力。

扳機的材料選用SABIC公司的LEXAN 925U，材料性能參數(shù)如表1。

表1 LEXAN925U材料性能參數(shù)

4.2 掃描器扳機疲勞分析

4.2.1 應(yīng)力分析

從扳機的工作過程來看，扳機受力狀態(tài)主要有兩個過程，第一個過程是初始的端部的預干涉狀態(tài)，第二個過程是工作時由于扳機旋轉(zhuǎn)而引起的端部更大的變形。而且一直處于單向拉應(yīng)力狀態(tài)。

分別對兩種受力狀態(tài)進行靜力分析，得到應(yīng)力分布如下。初始狀態(tài)最大應(yīng)力是4.18MPa，加載后的最大應(yīng)力是29.80MPa，最大應(yīng)力發(fā)生在彈性臂的根部。另外最大應(yīng)力值小于材料的屈服強度，結(jié)構(gòu)不會發(fā)生屈服破壞。

4.2.2 疲勞分析

在SolidWorks Simulation中執(zhí)行疲勞分析。選擇恒定振幅事件，并在疲勞載荷定義中添加前期計算的兩個受力分析。程序在計算每個節(jié)點的交替應(yīng)力時，會考慮不同疲勞載荷的峰值組合。

SolidWorks Simulation疲勞分析結(jié)果可以查看損壞圖解和壽命圖解。最大損壞比例為173.3%，數(shù)值表示經(jīng)過50萬次的循環(huán)后，扳機已經(jīng)損壞，損壞區(qū)域發(fā)生在彈性臂根部，圖4藍色區(qū)域為最小壽命區(qū)域。最小壽命為28.8萬次。

通過疲勞分析我們得到現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的最小壽命是28.8萬次，沒有達到200萬次的設(shè)計要求，需要對結(jié)果進行改善。測試結(jié)果也表明，當前結(jié)構(gòu)在25萬次的疲勞測試后，彈性臂發(fā)生斷裂。

根據(jù)分析結(jié)果和測試結(jié)果，改進的結(jié)構(gòu)對根部斷裂區(qū)域進行了加強，在根部添加加強筋以降低根部斷裂區(qū)域應(yīng)力，提高斷裂區(qū)域強度。

對改進后的結(jié)構(gòu)再次進行有限元分析，兩種受力狀態(tài)下的最大應(yīng)力分別為3.27MPa和23.09MPa，最小壽命為262.3萬次，滿足設(shè)計要求。同時，對改進后的結(jié)構(gòu)進行疲勞測試，測試結(jié)果顯示經(jīng)過200萬次的疲勞測試后，未出現(xiàn)破壞。

5 結(jié)語

本文以某款掃描器扳機為例，介紹了使用SolidWorks Simulation進行疲勞分析的兩個步驟：（1）通過靜強度分析得到受力狀態(tài)下的應(yīng)力分布；（2）通過疲勞分析得到對應(yīng)疲勞載荷下的壽命分布。同時根據(jù)有限元分析的結(jié)果來指導產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)改進。

使用有限元分析可以提前預測產(chǎn)品的失效風險，并指導產(chǎn)品的設(shè)計改進，是提升產(chǎn)品質(zhì)量、縮短設(shè)計周期、提高產(chǎn)品競爭力的一項有效手段。

［1］疲勞強度［M］.中國鐵道出版社，1990（11）.

［2］徐灝.疲勞強度設(shè)計［M］.機械工業(yè)出版社，1981（12）.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.20.123