基于有限元分析的箱體把手連接結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

郭裕聰

摘 要：文章通過使用三維設(shè)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(qū)域的應(yīng)力進行分析，確定最大應(yīng)力，對箱體與把手連接的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供支撐。

關(guān)鍵詞：適配器箱體；有限元分析；優(yōu)化設(shè)計

引言

9025適配器廣泛應(yīng)用于自動測試系統(tǒng)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(jié)構(gòu)強度至關(guān)重要。目前，因便攜性、電磁屏蔽性等要求，適配器箱體多由規(guī)格為1.5mm的5052-H32鋁鎂合金板經(jīng)整體折彎、焊接加工制成，重量小，但材料結(jié)構(gòu)強度較鋼板降低，應(yīng)力集中區(qū)域容易發(fā)生鋁鎂合金板失效現(xiàn)象。本文通過三維設(shè)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(qū)域的應(yīng)力進行分析，結(jié)合分析結(jié)果對適配器箱體的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，避免出現(xiàn)材料失效現(xiàn)象。

1 適配器箱體模型建立及分析

1.1 建立三維模型

本設(shè)計中采用了三維設(shè)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(jié)構(gòu)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(dǎo)入到有限元軟件中。將箱體材料設(shè)置為鋁，將把手材料設(shè)置為鋼，相關(guān)參數(shù)默認。對箱體整體進行自由網(wǎng)格劃分，將把手與箱體連接區(qū)域的網(wǎng)格進行局部細化，得到如圖2的箱體網(wǎng)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(tài)。

經(jīng)進行初步分析，單手提起瞬間，箱體與把手連接區(qū)域會出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中。經(jīng)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(nèi)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(jié)果

求解完成后，得到適配器箱體的應(yīng)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(qū)域出現(xiàn)了應(yīng)力集中，箱體的最大應(yīng)力值為160.59Mpa，把手的最大應(yīng)力值為241.16Mpa。經(jīng)查，規(guī)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(jīng)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(guī)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(jīng)比對，箱體的最大應(yīng)力值已經(jīng)超過了材料的抗剪強度，材料發(fā)生了失效，箱體與把手連接區(qū)域結(jié)構(gòu)需要進行優(yōu)化。

2 方案優(yōu)化及結(jié)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(yīng)力。因此，方案優(yōu)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(nèi)部增加了加強板。

重復(fù)之前的步驟，在劃分網(wǎng)格、施加約束載荷、求解之后，得出結(jié)果如圖6、7所示。

由圖6、7可以得出，把手的最大應(yīng)力為52.913Mpa，箱體的最大應(yīng)力為82.088Mpa，均小于對應(yīng)材料的抗剪強度，符合結(jié)構(gòu)設(shè)計要求。

3 結(jié)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(qū)域進行應(yīng)力分析，為箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化提供依據(jù)，可以在保證箱體結(jié)構(gòu)強度安全的前提下，避免重復(fù)工作，提高設(shè)計效率，對優(yōu)化結(jié)構(gòu)、降低生產(chǎn)成本具有實際的指導(dǎo)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(yīng)用教程——機械篇[K].北京：中國鐵道出版社，2002.

[3]孫訓(xùn)方.材料力學(xué)1（第5版）[M].北京：高等教育出版社，2009.