基于有限元分析的箱體把手連接結構優化設計

郭裕聰

摘 要：文章通過使用三維設計軟件對9025適配器進行三維建模，并在有限元分析軟件中對適配器箱體與把手連接區域的應力進行分析，確定最大應力，對箱體與把手連接的結構優化設計提供支撐。

關鍵詞：適配器箱體；有限元分析；優化設計

引言

9025適配器廣泛應用于自動測試系統中，適配器箱體作為9025適配器各種測試接口連接器、線纜以及電路板的載體，其結構強度至關重要。目前，因便攜性、電磁屏蔽性等要求，適配器箱體多由規格為1.5mm的5052-H32鋁鎂合金板經整體折彎、焊接加工制成，重量小，但材料結構強度較鋼板降低，應力集中區域容易發生鋁鎂合金板失效現象。本文通過三維設計軟件對適配器箱體進行三維建模，在有限元分析軟件中對適配器箱體與把手連接區域的應力進行分析，結合分析結果對適配器箱體的結構進行優化，避免出現材料失效現象。

1 適配器箱體模型建立及分析

1.1 建立三維模型

本設計中采用了三維設計軟件進行箱體模型的建立，為了便于進行有限元計算和分析，在建立模型時，對箱體結構進行了簡化，建立后的適配器箱體模型如圖1所示。

1.2 建立有限元模型

將建立的簡化模型另存為igs格式文件，導入到有限元軟件中。將箱體材料設置為鋁，將把手材料設置為鋼，相關參數默認。對箱體整體進行自由網格劃分，將把手與箱體連接區域的網格進行局部細化，得到如圖2的箱體網格劃分圖。

1.3 約束及載荷施加并求解

如表1所示，適配器在非工作時有三種載荷狀態。

經進行初步分析，單手提起瞬間，箱體與把手連接區域會出現較大的應力集中。經模擬，得到提起瞬間的最大加速度約為9.8m/s2。為了計算和施加載荷方便，本文中對把手被握面施加約束，保持靜止；對箱體整體施提起瞬間加速度（9.8m/s2）和箱體內部器件等的模擬重量（8Kg）兩種載荷。

約束及載荷施加完成后，進行求解。

1.4 查看及分析結果

求解完成后，得到適配器箱體的應力分布圖（如圖3、4）。

從以上兩圖中可以看出，適配器箱體在被單手提起瞬間，把手與箱體接觸的區域出現了應力集中，箱體的最大應力值為160.59Mpa，把手的最大應力值為241.16Mpa。經查，規格1.5mm的5052鋁鎂合金板抗拉強度σb為190Mpa，把手材料0Cr18Ni9不銹鋼的抗拉強度σb為520Mpa[1]。

由經驗公式

σc=0.58σb

式中：σb為材料抗拉強度；σc為材料抗剪強度。

可以得出，規格1.5mm的5052鋁鎂合金板抗剪強度σc為110.2Mpa，把手材料0Cr18Ni9不銹鋼的抗剪強度σc為301.6Mpa。經比對，箱體的最大應力值已經超過了材料的抗剪強度，材料發生了失效，箱體與把手連接區域結構需要進行優化。

2 方案優化及結果分析

由σ=F/S[3]可知，在載荷F不變的情況下，增加接觸面積S可以減小應力。因此，方案優化的直接方法就是增加把手與適配器箱體之間的接觸面積。

改進后的方案如圖5所示，在箱體內部增加了加強板。

重復之前的步驟，在劃分網格、施加約束載荷、求解之后，得出結果如圖6、7所示。

由圖6、7可以得出，把手的最大應力為52.913Mpa，箱體的最大應力為82.088Mpa，均小于對應材料的抗剪強度，符合結構設計要求。

3 結束語

通過使用有限元分析軟件對適配器箱體與把手連接區域進行應力分析，為箱體的結構設計及優化提供依據，可以在保證箱體結構強度安全的前提下，避免重復工作，提高設計效率，對優化結構、降低生產成本具有實際的指導意義。

參考文獻

[1]張絲雨.最新金屬材料牌號、性能、用途及中外牌號對照速用速查實用手冊[K].北京：中國科技文化出版社，2005.

[2]劉國慶，楊慶東.ANSYS工程應用教程——機械篇[K].北京：中國鐵道出版社，2002.

[3]孫訓方.材料力學1（第5版）[M].北京：高等教育出版社，2009.