基于COSMOSWorks的接地地釘端頭優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉 佳

(山西銀河電子設(shè)備廠，山西 太原 030006)

0 引言

優(yōu)化設(shè)計(jì)是將部件或零件設(shè)計(jì)問(wèn)題的物理模型轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用最優(yōu)化算法或借助計(jì)算機(jī)軟件求解數(shù)學(xué)模型。有限元分析法是隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)的一種現(xiàn)代計(jì)算方法，在解決復(fù)雜問(wèn)題時(shí)，對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行離散化，將其劃分為無(wú)窮個(gè)小單元，在每個(gè)小單元上用較為簡(jiǎn)單的插值函數(shù)代替其真實(shí)解進(jìn)行分段逼近，從而得到滿足工程精度的近似結(jié)果，以解決很多傳統(tǒng)理論算法無(wú)法解決的復(fù)雜問(wèn)題。

COSMOSWorks是完全整合在SolidWorks設(shè)計(jì)分析系統(tǒng)中的，其操作簡(jiǎn)單，易于上手，通過(guò)有限元分析法對(duì)產(chǎn)品局部區(qū)域網(wǎng)格劃分更細(xì)密，并提供更精確的計(jì)算結(jié)果，從而更準(zhǔn)確地對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。本文以接地地釘為例，采用COSMOSWorks技術(shù)對(duì)接地地釘端頭進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)和計(jì)算分析過(guò)程

1.1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

在通信車或通信方艙工作過(guò)程中，為了避免各種雜波電流對(duì)工作信號(hào)的影響，確保工作人員和設(shè)備自身的安全，通常均有與大地連接的要求。一般通過(guò)接地地釘來(lái)實(shí)現(xiàn)與大地的連接，要求接地地釘要良好接地，并要有較長(zhǎng)的使用壽命。

1.2 試驗(yàn)測(cè)試

在接地地釘?shù)腻N擊試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)接地地釘端頭處的螺紋孔變形，以致無(wú)法旋入螺釘,損壞位置見(jiàn)圖1。

通過(guò)對(duì)損壞的接地地釘進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)接地地釘用大錘敲向大地時(shí)，端頭所受到作用力的作用點(diǎn)并不一定在端頭的軸心處，而會(huì)偏離端頭的軸心，造成端頭受力點(diǎn)處會(huì)產(chǎn)生較大的扭矩，從而使得螺紋孔變形。

1.3 工作條件及結(jié)構(gòu)模型

通過(guò)分析接地地釘端頭的受力情況，將端頭的受力簡(jiǎn)化為兩個(gè)作用力，并采用SolidWorks軟件對(duì)接地地釘端頭進(jìn)行建模。

圖1 地釘螺孔變形位置

1.3.1 錘擊力作用于接地地釘端頭軸心時(shí)的受力情況

實(shí)際使用情況：8磅大錘重Q=35.6 N，從高度H=2 m處自由落到端頭上；端頭發(fā)生變形，歷時(shí)τ=0.01 s。

大錘自由落下H高度時(shí)所需的時(shí)間為t，根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)的公式計(jì)算：

t=2Hg.

(1)

根據(jù)動(dòng)量定理，可知：

mv2-mv1=S.

(2)

其中：m為接地地釘?shù)馁|(zhì)量；v1為錘擊前地釘速度；v2為錘擊后地釘速度；S為動(dòng)量。

由接地地釘端頭受力分析可知，v1=0,經(jīng)過(guò)(t+τ)后，v2=0，因此S=0。在這一過(guò)程中，重力Q的作用時(shí)間為(t+τ)，它的沖量大小等于Q×(t+τ)；反作用力N作用時(shí)間為τ，它的沖量大小為N×τ。

于是得：

S=N×τ-Q×(t+τ)=0.

(3)

由式(1)～式(3)可得:

N=Qtτ+1=Q1τ2Hg+1.

(4)

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(4)計(jì)算得N=2 310 N。

利用動(dòng)量定理公式計(jì)算出作用于端頭軸向方向的作用力為2 310 N。

1.3.2 垂直于接地地釘端頭軸向方向上的受力情況

實(shí)際情況如下：作用在接地地釘端頭上的作用力偏移中心L2=25 mm，力大小為N2=2 310 N，端頭的尺寸為L(zhǎng)1=80 mm。

根據(jù)力矩平衡公式：

N1×L1=N2×L2.

(5)

得出受到垂直于端頭軸向的分力為：

N1=N2×L2÷L1.

(6)

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(6)計(jì)算得N1=721.9 N。

利用力矩平衡公式計(jì)算出作用于垂直端頭軸向方向的作用力為721.9 N。

1.4 邊界條件的處理

當(dāng)接地地釘用大錘敲向大地過(guò)程中，接地地釘端頭受軸向方向的作用力，同時(shí)由于大錘敲偏而產(chǎn)生垂直軸向方向的作用力，同時(shí)還有接地地釘?shù)淖灾亍８鶕?jù)計(jì)算，自重所占比重非常小，為計(jì)算簡(jiǎn)便，只考慮接地地釘端頭所受的軸向方向的作用力和垂直軸向方向的作用力。

1.5 材料特性

端頭材料采用45鋼，其物理特性見(jiàn)表1。

表1 材料的物理特性

1.6 有限元分析

首先建立地釘?shù)娜S模型，然后賦予模型材質(zhì)，接著設(shè)置邊界條件及劃分網(wǎng)絡(luò)之后對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖2所示。從圖2中可以看出：最大應(yīng)力為115.4 MPa，位于螺紋孔部位；最大應(yīng)變?yōu)?.274×10-4，位于螺紋孔部位；最小安全系數(shù)為1.603，位于螺紋孔部位及螺紋孔周圍部分?？梢?jiàn)螺紋孔處為整個(gè)接地地釘端頭最薄弱的地方，需對(duì)接地地釘端頭進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖2 優(yōu)化前地釘應(yīng)變、應(yīng)力、安全系數(shù)云圖

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

綜合上述有限元分析結(jié)果，與在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)螺紋孔處變形相符合，由于螺紋孔處應(yīng)力集中而導(dǎo)致螺紋孔變形。

2.1 優(yōu)化措施

為保證原安裝方式不改變，要求接地地釘?shù)某叽绫ＷC原尺寸，這樣就不能通過(guò)加大接地地釘端頭的直徑來(lái)增加其強(qiáng)度。在不影響使用、不改變接地地釘端頭尺寸的情況下，將螺紋孔位置上移45 mm，同時(shí)將端頭上的倒角增大到5 mm，這樣可保證大錘盡可能地敲在端頭的軸心處，減少產(chǎn)生彎曲力矩。

2.2 安全校核

對(duì)優(yōu)化后的接地地釘端頭重新進(jìn)行建模，在邊界條件不變的情況下，對(duì)其進(jìn)行COSMOSWorks分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 優(yōu)化后地釘應(yīng)變、應(yīng)力、安全系數(shù)云圖

從圖3中可以看出：最大應(yīng)力為41 MPa，位于端頭中下部分，而螺紋孔處的應(yīng)力為30.7 MPa；最大應(yīng)變?yōu)?.894×10-4，位于端頭中下部分；最小安全系數(shù)為4.522，位于螺紋孔部位及螺紋孔周圍部分。

從圖3中可以看出:雖然只是將螺紋孔位置上移了45 mm ，同時(shí)將端頭的倒角倒成5mm，端頭的外形基本沒(méi)有變化，可是優(yōu)化后螺紋孔處所受到的應(yīng)力減小了73.4%，優(yōu)化后螺紋孔處的安全系數(shù)是原安全系數(shù)的2.82倍。

2.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)后的試驗(yàn)情況

通過(guò)對(duì)接地地釘端頭結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)接地地釘進(jìn)行了錘擊試驗(yàn)，土質(zhì)為夯土地。

地釘入地21次，平均每次入地錘擊48次，起拔時(shí)平均每次左右錘擊35次。

試驗(yàn)結(jié)果：觀察地釘，外表無(wú)損傷，接地地釘端頭螺紋處無(wú)變形，可以旋入螺釘。

結(jié)論：滿足使用要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

目前，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的接地地釘已經(jīng)完成錘擊試驗(yàn)，接地地釘整體完好，螺紋孔處無(wú)變形現(xiàn)象，驗(yàn)證了CAE的分析結(jié)果，也完成了接地地釘優(yōu)化的任務(wù)。

可見(jiàn)應(yīng)用CAD/CAE平臺(tái)的虛擬仿真技術(shù)，可以大大提高產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)能力和產(chǎn)品質(zhì)量，減少了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期和成本，增強(qiáng)了企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。