楊澤林+張杰竣+陳建興+曾洪濤+郭俊標(biāo)

摘要：本文主要介紹使用Solid Edge軟件對(duì)材料力學(xué)多功能實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法。具體方案是使用Solid Edge NX-Nastran對(duì)原設(shè)備進(jìn)行有限元分析，根據(jù)分析結(jié)果優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)，改善受力情況，提高其使用精度與壽命。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)優(yōu)化；有限元分析；Solid Edge；NXNastran

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2017）07-0153-02

本論文研究的材料力學(xué)多功能實(shí)驗(yàn)臺(tái)用于“純彎曲時(shí)橫截面上的正應(yīng)力實(shí)驗(yàn)”和“彎扭組合實(shí)驗(yàn)”。使用過(guò)程中，存在局部應(yīng)力、變形較大的問(wèn)題。

NX Nastran屬于西門(mén)子公司，是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的CAE工具，大量的制造廠商依靠其分析結(jié)果來(lái)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)更加安全可靠產(chǎn)品，得到更優(yōu)化的設(shè)計(jì)，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期。三十多年來(lái)， NX-Nastran已經(jīng)成為了幾乎所有國(guó)際大企業(yè)的工程分析工具，應(yīng)用領(lǐng)域包括航空航天、汽車(chē)、軍工、船舶、重型機(jī)械設(shè)備、醫(yī)藥和消費(fèi)品等，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）就是使用NX-Nastran解算器的用戶。同屬西門(mén)子公司的Solid Edge內(nèi)置NX-Nastran求解器，用其對(duì)該實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行分析并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化是可行的。

1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)分析

此實(shí)驗(yàn)臺(tái)為臺(tái)式結(jié)構(gòu)，其架體由采用型鋼及鋁合金鑄件組成，外部尺寸為650×700×1100mm；實(shí)驗(yàn)用最大載荷4kN，力學(xué)分析模型如圖1所示。

首先分析檢查力學(xué)模型，通過(guò)計(jì)算受力后彈性變形量對(duì)各構(gòu)件接觸面形狀進(jìn)行處理，使其趨近于設(shè)備承載后實(shí)際情況。

按“純彎曲時(shí)橫截面上的正應(yīng)力實(shí)驗(yàn)”進(jìn)行分析時(shí)，選取除彎曲軸、扇形加力臂以外的其余零部件作為研究對(duì)象。支架底座的下表面進(jìn)行設(shè)置固定約束，設(shè)置彎曲梁、承力下梁和加載桿的材料為鋁合金6061-T6，其余零部件為鋼；對(duì)承力下梁施加4kN的工作載荷，方向向下，作用點(diǎn)在承力下梁的上表面的幾何中心上；設(shè)置支座與彎曲梁、支座軸與彎曲梁、加載桿軸與承力下梁的連接件設(shè)置為無(wú)滲透，靜摩擦系數(shù)為0.17；設(shè)置網(wǎng)格并求解，結(jié)果如圖2所示，最大應(yīng)力值為266MPa。

按“彎扭組合實(shí)驗(yàn)”進(jìn)行分析時(shí)，選取彎曲軸、支架和扇形加力臂作為研究對(duì)象，設(shè)置支架底座的下表面為固定約束，彎曲軸的材料為鋁合金6061-T6，其余零部件為鋼。在扇形加力臂處施加4kN的工作載荷，方向豎直向下，設(shè)置支架與彎曲軸、彎曲軸與扇形加力臂的連接鍵為粘連，設(shè)置網(wǎng)格并求解，結(jié)果如圖3所示，最大應(yīng)力值為211MPa。

“純彎曲時(shí)橫截面上的正應(yīng)力實(shí)驗(yàn)”分析后的最大應(yīng)力為266MPa，位置在支座軸上，最大位移發(fā)生在彎曲梁上的中間位置上；“彎扭組合實(shí)驗(yàn)”分析后的最大應(yīng)力為211MPa，位置在支架上；兩結(jié)果均符合實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)際受力情況。

2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)

分析結(jié)果顯示，該設(shè)備在工作時(shí)，存在明顯應(yīng)力和變形明顯不均現(xiàn)象，在承受最大工作載荷時(shí)，最大應(yīng)力接近材料的屈服強(qiáng)度極限。

“純彎曲時(shí)橫截面上的正應(yīng)力實(shí)驗(yàn)”最大應(yīng)力出現(xiàn)在支座軸上，經(jīng)過(guò)增加倒圓角、加卸荷孔等減少應(yīng)力集中的措施對(duì)軸進(jìn)行改進(jìn)后，分析結(jié)果如圖4所示，最大應(yīng)力值為229MPa，下降14%。

“彎扭組合實(shí)驗(yàn)”最大應(yīng)力出現(xiàn)在支架上，經(jīng)分析主要原因是支架和彎曲梁接觸部位的直角問(wèn)題，用R5倒圓處理后，分析結(jié)果如圖5所示，最大應(yīng)力值為188MPa，下降11%。

3 結(jié)語(yǔ)

有限元分析時(shí)，很重要的環(huán)節(jié)是力學(xué)模型的建立及各參數(shù)的設(shè)置，這對(duì)于分析結(jié)果影響很大。使用Solid Edge NX-Nastran對(duì)設(shè)備進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，可充分考慮各構(gòu)件結(jié)構(gòu)的影響，嘗試對(duì)構(gòu)件各處結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，靈活且高效，在優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)、縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期、降低試驗(yàn)成本等方面效果顯著，可在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中推廣使用。

參考文獻(xiàn)

[1]梁耀能.機(jī)械工程材料[M].第2版.廣州：華南理工大學(xué)出版社，2011.

[2]何庭蕙，陸麗芳.工程力學(xué)[M].第2版.廣州：華南理工大學(xué)出版社，2010.

[3]翟封祥.材料成型工藝基礎(chǔ)[M].第1版.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2004.

[4]張繼春.基于有限元的連桿優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].北京：北京航天航空大學(xué)，2006.

[5]J. -F. M. Barthelemy，R. T. Haftka.Approximation concepts for optimum structural design — a review[J].Structural Optimization.1993.endprint