一種鈑金件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算和優(yōu)化

    用“有限元法”對(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)品進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，并通過計(jì)算結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)是新產(chǎn)品研發(fā)過程中不可缺少的環(huán)節(jié)，隨著CAD/CAE/CAM等技術(shù)的普及，這種方法在縮短新品開發(fā)周期及節(jié)約成本方面的作用更為凸顯。“有限元法”的有效性不僅體現(xiàn)在有限元應(yīng)用軟件本身，更體現(xiàn)在對(duì)實(shí)際模型進(jìn)行抽象、簡(jiǎn)化的過程及結(jié)果中，即分析模型的“邊界條件”。本文對(duì)一種支架零件進(jìn)行強(qiáng)度較核計(jì)算，在分析模型中對(duì)邊界條件進(jìn)行“微調(diào)”，最終得出近乎想象的分析結(jié)果，進(jìn)一步例證和闡述了建立符合實(shí)際工況條件的“邊界條件”的重要性。只有保證計(jì)算結(jié)果的正確性，才能通過優(yōu)化程序?qū)Ξa(chǎn)品結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以期得到滿足工程要求的結(jié)果。 

   一、應(yīng)用背景 

   建立分析對(duì)象的三維模型，如圖1所示。  

   分析對(duì)象的三維模型

   該零件是沖壓成型的鈑金件，是電冰箱上的支撐架，主要承受重力和搬運(yùn)過程中的沖擊力。由于零件壁厚均勻，因此零件的分析模型宜采用“殼”單元模型。 

   美國(guó)參數(shù)技術(shù)公司（PTC）的軟件是優(yōu)秀的高端MCAD設(shè)計(jì)軟件之一，基于特征的全參數(shù)化及全相關(guān)技術(shù)極大地提高了設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。其中，CAE專用分析模塊 Pro/MECHANIC實(shí)現(xiàn)了與Pro/ENGINEER的完全無縫集成，由于Pro/MECHANIC采用高階次單元（P單元），使分析模型的網(wǎng)格生成變得簡(jiǎn)單容易，無需對(duì)原模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行大量的簡(jiǎn)化處理。Pro/MECHANICA實(shí)現(xiàn)了與其他PTC產(chǎn)品、數(shù)據(jù)管理工具及其他CAD工具的真正交互性。參數(shù)化優(yōu)化結(jié)合了Pro/ENGINEER的全部功能后，Pro/MECHANICA可以提供真正的參數(shù)化分析，使用相關(guān)仿真特征，因?yàn)榕c后續(xù)產(chǎn)品（模具、刀路軌跡等）完全相關(guān)，即使設(shè)計(jì)更改后，也不需要重新定義分析。 

   該零件的三維模型是用Pro/ENGINEER 軟件完成的，強(qiáng)度計(jì)算在Pro/ENGINEER與Pro/MECHANIC的集成環(huán)境中進(jìn)行，計(jì)算用Pro/MECHANIC解算器。 

   二、分析模型的建立 

   由于在創(chuàng)建三維模型過程中沒有過多地考慮用作分析模型，所以有些結(jié)構(gòu)不具備均勻的厚度。如果對(duì)原來設(shè)計(jì)特征進(jìn)行重定義，模型再生成功的可能性很小，為了能有效地利用原有數(shù)據(jù)，又能建立厚度均勻的三維模型，就需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)新的裝配模型，再把原設(shè)計(jì)零件（org.prt）裝配進(jìn)來，具體步驟如下： 

   1.在裝配模式下，創(chuàng)建一個(gè)新的零件（new.prt）； 

   2.激活零件new.prt，從org.prt零件復(fù)制曲面； 

   3.在零件new.prt中創(chuàng)建曲面“加厚”特征。  

   在進(jìn)入結(jié)構(gòu)分析（STRUCTURE）環(huán)境后，對(duì)零件new.prt進(jìn)行理想化處理（IDEALIZATION），壓縮成“中間面”后顯示的結(jié)果。  

    約束分為如下兩種情況。 

    約束1：螺栓固定孔和螺栓之間是一種理想配合的情況，中間沒有間隙，固定孔的位置在X，Y，Z三個(gè)方向上完全固定。 

    約束2：螺栓固定孔和螺栓之間是間隙配合的情況，中間有1毫米的間隙，在受力的極限情況下螺栓固定孔沿水平方向有2毫米的位移。 

    約束的位置和載荷的位置大小，如圖4所示。  

    三、結(jié)果分析 

    在固定孔完全固定情況下的主應(yīng)變分布云圖中，可以看出應(yīng)變最大部位為均布力的加載部位。 

   四、結(jié)構(gòu)優(yōu)化 

   由于該零件是一個(gè)支架，因此除了在強(qiáng)度方面有要求外，在靜變形方面也有要求，即該零件在垂直方向（Y軸方向）要小于4mm，不然會(huì)對(duì)其他零件產(chǎn)生擠壓。對(duì)于該零件，增加厚度是提高強(qiáng)度最有效的方法之一。 

   Pro/MECHANICA可以選擇一個(gè)或多個(gè)靈敏度參數(shù)，使它們?cè)谝粋�(gè)范圍內(nèi)變化，然后檢查希望輸出的圖形，把它作為更改參數(shù)的一個(gè)函數(shù)。用額定參數(shù)值的一個(gè)小小偏差來計(jì)算局部靈敏度結(jié)果，并查看改變某個(gè)參數(shù)是否會(huì)產(chǎn)生顯著效果。另外，通過指定多個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)和一個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)，在成本、質(zhì)量、位移、應(yīng)力、反作用力、應(yīng)變、頻率或設(shè)計(jì)的其他方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。例如，在保持應(yīng)力且在第一階眾數(shù)頻率和范圍內(nèi)最大位移不變的同時(shí)，將零件的質(zhì)量減到最小，可以獲得所有“單值”評(píng)估方法（最小值、最大值、最大絕對(duì)值和均方根值）的綜合值。 

   測(cè)量值（Y向位移）對(duì)厚度為自變量的全局自變量敏感度的分析。厚度為自變量，變化范圍是1～2mm，可以測(cè)得，如果要求零件在垂直方向（Y軸方向）變形小于4mm，厚度應(yīng)大于1.5mm，如圖9所示。  

   五、總結(jié) 

   用有限元法對(duì)新品進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算和優(yōu)化，是提高設(shè)計(jì)質(zhì)量、低成本的有效手段，而有效運(yùn)用這種方法的先決條件是保證計(jì)算結(jié)果的正確性。保證結(jié)果正確，除了要求CAE應(yīng)用軟件具備較好的穩(wěn)定性和計(jì)算精度外，最主要、最關(guān)鍵的一條是分析人員要對(duì)產(chǎn)品的工況進(jìn)行準(zhǔn)確地“抽象”和“簡(jiǎn)化”，這就需要分析人員具備豐富的工程經(jīng)驗(yàn)，而不僅僅是掌握如何使用FEA應(yīng)用程序。