基于Solid Edge NX—Nastran軟件的力學試驗臺改進設計

楊澤林+張杰竣+陳建興+曾洪濤+郭俊標

摘要：本文主要介紹使用Solid Edge軟件對材料力學多功能實驗臺進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法。具體方案是使用Solid Edge NX-Nastran對原設備進行有限元分析，根據(jù)分析結(jié)果優(yōu)化設備結(jié)構(gòu)，改善受力情況，提高其使用精度與壽命。

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

中圖分類號：TP391.7 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）07-0153-02

本論文研究的材料力學多功能實驗臺用于“純彎曲時橫截面上的正應力實驗”和“彎扭組合實驗”。使用過程中，存在局部應力、變形較大的問題。

NX Nastran屬于西門子公司，是國際上應用最廣泛的CAE工具，大量的制造廠商依靠其分析結(jié)果來設計和生產(chǎn)更加安全可靠產(chǎn)品，得到更優(yōu)化的設計，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期。三十多年來， NX-Nastran已經(jīng)成為了幾乎所有國際大企業(yè)的工程分析工具，應用領域包括航空航天、汽車、軍工、船舶、重型機械設備、醫(yī)藥和消費品等，美國國家航空航天局（NASA）就是使用NX-Nastran解算器的用戶。同屬西門子公司的Solid Edge內(nèi)置NX-Nastran求解器，用其對該實驗臺進行分析并進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化是可行的。

1 實驗臺結(jié)構(gòu)分析

此實驗臺為臺式結(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；實驗用最大載荷4kN，力學分析模型如圖1所示。

首先分析檢查力學模型，通過計算受力后彈性變形量對各構(gòu)件接觸面形狀進行處理，使其趨近于設備承載后實際情況。

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

按“彎扭組合實驗”進行分析時，選取彎曲軸、支架和扇形加力臂作為研究對象，設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，設置支架與彎曲軸、彎曲軸與扇形加力臂的連接鍵為粘連，設置網(wǎng)格并求解，結(jié)果如圖3所示，最大應力值為211MPa。

“純彎曲時橫截面上的正應力實驗”分析后的最大應力為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；“彎扭組合實驗”分析后的最大應力為211MPa，位置在支架上；兩結(jié)果均符合實驗臺實際受力情況。

2 實驗臺的結(jié)構(gòu)改進

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

“純彎曲時橫截面上的正應力實驗”最大應力出現(xiàn)在支座軸上，經(jīng)過增加倒圓角、加卸荷孔等減少應力集中的措施對軸進行改進后，分析結(jié)果如圖4所示，最大應力值為229MPa，下降14%。

“彎扭組合實驗”最大應力出現(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題，用R5倒圓處理后，分析結(jié)果如圖5所示，最大應力值為188MPa，下降11%。

3 結(jié)語

有限元分析時，很重要的環(huán)節(jié)是力學模型的建立及各參數(shù)的設置，這對于分析結(jié)果影響很大。使用Solid Edge NX-Nastran對設備進行結(jié)構(gòu)分析，可充分考慮各構(gòu)件結(jié)構(gòu)的影響，嘗試對構(gòu)件各處結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，靈活且高效，在優(yōu)化設備結(jié)構(gòu)、縮短產(chǎn)品設計周期、降低試驗成本等方面效果顯著，可在產(chǎn)品設計中推廣使用。

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