基于ANSYS Workbenc的某電子單元托架的受力分析與優化

摘 要：本文針對實際應用中由于安裝條件的改變而導致的電子單元托架變形及受力狀態不滿足使用條件的情況，運用ANSYS Workbench仿真軟件對其進行受力分析，并采取了可行的改進措施，同時結合輕量化設計的概念對改進結果進行了拓撲優化，實現了托架結構強度與重量的平衡，在解決實際應用需求的同時，為今后的結構設計和優化提供了一種可供參考的方法。

關鍵詞：ANSYS Workbench；受力分析；托架；拓撲優化

中圖分類號：TP391.72 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2018）07-0174-03

Abstract：This paper in view of the deformation of the electronic unit bracket and the condition that the stress state of the electronic unit bracket caused by the change of the installation conditions in practical application，the force analysis is carried out by ANSYS Workbench simulation software，and the feasible improvement measures are taken. At the same time，the improved results are carried out with the concept of lightweight design. Topology optimization has realized the balance between the strength and weight of the bracket structure. It provides a reference method for the future structure design and optimization while solving the practical application demand.

Keywords：ANSYS Workbench；force analysis；bracket；topology optimization

0 引 言

由于使用環境的多樣性，當設備的安裝條件發生變化時，其內部受力狀態也會發生相應的變化，盲目使用有可能引起自身的損壞，并會對與其連接、依附的電子設備產生破壞。因此，為保證設備的安全性和可靠性，有效的力學分析及優化是很有必要的。

本文以實際工程應用中某電子單元托架為例，運用ANSYS Workbench工具，分析其在不同安裝條件下的受力情況，并進行優化。該托架外形尺寸為400×300×200mm，鋁合金材質，通過四個螺釘固定在安裝位置，電子單元質量為20kg，安全系數為3。

1 初始狀態受力分析

初始狀態下，該托架安裝孔位置相對稱，利用ANSYS Workbench平臺對其進行受力分析，得到其最大變形為2.612mm，最大變形點位于托架前沿橫梁中間，如圖1所示。最大應力為107.85MPa，最大應力產生于固定安裝的螺釘孔周圍，如圖2所示。

2 當前狀態受力分析

由于安裝條件發生變化，安裝孔位置發生了移動，不對稱，通過ANSYS Workbench受力分析，得到其最大變形為10.511mm，最大變形點位于托架前段橫梁左側頂點處，如圖3所示。最大應力為307.11MPa，最大應力產生于安裝的螺釘孔周圍，如圖4所示。

從上述結果可以看出，當托架安裝孔的位置發生變化時，托架的最大變形量及最大應力均大幅增加，可靠性大幅下降，無法滿足使用條件，因此需要對其進行改進。

3 結構改進

針對上述問題，本方案從加強底部橫梁強度、加固背板支撐為出發點對其改進，受力分析后，得到其最大變形及最大應力如圖5和圖6所示。

從上述仿真結果可以看出，該方法對托架強度有很大程度的改善和提升，托架最大變形為2.9324mm，最大變形點位于托架前段橫梁左側頂點位置處，托架所產生的最大應力為105.63MPa，產生于螺釘孔附近。

4 拓撲優化

上述改進雖然對托架的最大變形以及最大應力都有了大幅度的提升，但與此同時，托架的重量增大。由應力云圖可以看出，在相當大的一部分區域應力數值非常小，對外載荷的支撐作用不是很明顯。因此，對其進行適當的優化，尋求體積與性能的最佳平衡點是很有必要的。

拓撲優化的目的是尋找承載物體的最佳材料分配方案，在保證結構強度基本不變的前提下降低質量，實現輕量化設計，解決質量降低和剛度提高之間的矛盾。

ANSYS Workbench提供了優秀的拓撲優化工具——Shape Optimization，相比于傳統的優化設計，無需給出相關變量，狀態變量、設計變量，目標函數都已經預定義，使用者只需給出結構參數，輸入預期體積減少的百分比，即可得到優化后的初始模型。

如圖7所示，紅色區域為材料可去除區域，灰色區域為保留區域，褐色區域為臨界區域。

利用三維建模軟件對拓撲優化結果修改后，進行受力分析，得到變形及應力分布如圖8、圖9所示。

從圖8和圖9可以看出，優化后的托架最大變形量為3.0524mm，最大應力為99.519MPa。

測量得到優化后的托架質量為1.4201Kg，相比于優化前的1.8603Kg，減少了約23.7%，基本與未采取加固措施前托架的質量1.4814Kg持平，實現了輕量化設計。

5 結 論

通過對安裝條件變化前后托架變形及受力情況的分析，采取合適的改進措施，并運用拓撲優化的手段對可行結構進行優化，在保證托架結構強度的同時，實現了輕量化設計。

參考文獻：

[1] 凌桂龍，丁金濱，溫正.ANSYS Workbench 13.0從入門到精通 [M].北京：清華大學出版社，2012.

[2] 孫成寬，高勇.基于Ansys Workbench機箱托架拓撲優化設計 [J]. 艦舶電子對抗，2014，37（1）：117-120.

[3] 何正嘉，李兵，陳雪峰.ANSYS Workbench設計、仿真與優化 [M].北京：清華大學出版社，2010.

作者簡介：孟瑋（1990-），男，漢族，陜西人，初級工程師，碩士。研究方向：電子機械。