基于UG建模的球類零件輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與力學(xué)分析探究

王 亮,孫建華,劉柏森,鮑 宇,朱昱晨

(黑龍江工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150050)

0 引 言

零件輕量化是機(jī)械設(shè)計(jì)制造業(yè)中一個(gè)永恒不變的話題,是節(jié)能減排、降低成本、提高機(jī)械產(chǎn)品性能和材料利用率的有效途徑。零件輕量化的主要形式有2種:一是高科技新型輕質(zhì)材料,常見的如鋁鈦合金、高強(qiáng)度合金鋼、鎂合金、塑料復(fù)合材料或碳纖維復(fù)合材料等,主要減輕材料自身重量;二是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化,可以通過CAD/CAE等計(jì)算機(jī)軟件輔助設(shè)計(jì),結(jié)合材料學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、數(shù)學(xué)等進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),在保證使用要求的基礎(chǔ)上,把實(shí)心的結(jié)構(gòu)變成有骨架的空心結(jié)構(gòu),以達(dá)到零件輕量化的目的。在使用高科技輕質(zhì)材料的同時(shí)考慮材料的利用率、成本等,能更好地實(shí)現(xiàn)零件輕量化[1-3]。

本文就是以同種材料為基礎(chǔ),對(duì)外形相同的零件進(jìn)行內(nèi)部結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì),把原本的實(shí)心內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成為去除部分材料的空心結(jié)構(gòu),但同時(shí)要滿足使用要求和力學(xué)性能,這樣既能滿足零件的設(shè)計(jì)要求,又能達(dá)到輕量化的目的。我們選用特定外形的球體零件,在同種外觀形狀、同樣大小,但球體零件內(nèi)部結(jié)構(gòu)從實(shí)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變更為三角形筋肋、O形筋肋和網(wǎng)格狀筋肋的不同結(jié)構(gòu),利用UG軟件進(jìn)行輕量化零件的實(shí)體建模,對(duì)不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)的球體零件和實(shí)心零件分別利用ANSYS軟件進(jìn)行靜力學(xué)仿真分析,并輸出變形、應(yīng)變分布圖,最接近實(shí)心零件強(qiáng)度的為最佳結(jié)構(gòu)。由于篇幅有限,零件筋肋只設(shè)計(jì)為1mm厚度,三種結(jié)構(gòu)利用ANSYS軟件分析,對(duì)比找出一種結(jié)構(gòu)更接近實(shí)心球體強(qiáng)度[4-6]。

1 UG軟件對(duì)球體類零件實(shí)體結(jié)構(gòu)造型

在利用UG軟件對(duì)球體類零件進(jìn)行結(jié)構(gòu)造型時(shí),預(yù)設(shè)定4種結(jié)構(gòu):圓球?qū)嶓w結(jié)構(gòu),如圖1所示;三角形內(nèi)部結(jié)構(gòu),為正四面體去掉中間的所有實(shí)心部分,只留正四面體的6個(gè)棱邊,面體厚度為1mm,棱邊長(zhǎng)度為5mm,多個(gè)正四面體面與面重疊形成三角形內(nèi)部結(jié)構(gòu),如圖2所示;O形內(nèi)部結(jié)構(gòu),是外壁厚1mm,直徑為5mm的空心小球,各小球外壁相切,均勻地?cái)[放在各種形狀的零件內(nèi)部,如圖3所示;網(wǎng)格狀內(nèi)部結(jié)構(gòu),為正六面體去掉中間的所有實(shí)心部分,只留正六面體的12個(gè)棱邊,面體厚度為1mm,棱邊長(zhǎng)度為5mm,多個(gè)正六面體面與面重疊形成網(wǎng)格狀內(nèi)部結(jié)構(gòu),如圖4所示。

圖1 基于UG軟件的圓球?qū)嶓w結(jié)構(gòu)造型Fig.1 UG based on the ball solid structure modeling

圖2 基于UG軟件的圓球內(nèi)部為三角形實(shí)體結(jié)構(gòu)造型

圖3 基于UG軟件的圓球內(nèi)部為O形實(shí)體結(jié)構(gòu)造型

圖4 基于UG軟件的圓球內(nèi)部為網(wǎng)格狀實(shí)體結(jié)構(gòu)造型

UG實(shí)體結(jié)構(gòu)造型大大降低了設(shè)計(jì)工作量,可以設(shè)計(jì)出最接近使用要求和滿足強(qiáng)度要求的零件,只要找到合理的結(jié)構(gòu),就能為下一步的設(shè)計(jì)工作提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 球體結(jié)構(gòu)ANSYS有限元分析

ANSYS有限元分析軟件是由美國(guó)ANSYS公司研究開發(fā)的,包括對(duì)結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、結(jié)構(gòu)非線性、熱、聲場(chǎng)等多種分析功能。

對(duì)于本設(shè)計(jì)中的球體結(jié)構(gòu),在試驗(yàn)過程中會(huì)施加一個(gè)載荷,所以零件會(huì)受到徑向力作用;在分析過程中,還會(huì)施加一個(gè)旋轉(zhuǎn)動(dòng)作,這樣球體在受到徑向力作用的同時(shí),還會(huì)受到離心力作用[7-10]。以下對(duì)不同結(jié)構(gòu)的球體零件進(jìn)行有限元分析。

首先,建立球體零件的有限元模型,包括導(dǎo)入零件幾何模型、定義單元類型、定義零件材料的屬性,以及劃分有限元模型。球體材質(zhì)選用ABS,其泊松比為0.394,彈性模量為2×103MPa,材料密度1.02×10-9t/mm3。X軸、Y軸方向徑向載荷為3000N,繞Z軸以5000r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。

定義邊界條件:對(duì)各種球體零件結(jié)構(gòu)模型,在360°的范圍內(nèi)定義載荷數(shù)值,根據(jù)球體總載荷輸入載荷值,對(duì)應(yīng)輸出結(jié)果。

2.1 圓球?qū)嶓w結(jié)構(gòu)造型有限元分析

對(duì)實(shí)心球體有限元模型施加載荷和約束,如圖5所示。用ANSYS進(jìn)行計(jì)算求解變形量和應(yīng)力分布,X方向和Y方向結(jié)果分別如圖6和7所示。求得X方向上的應(yīng)力最大值SxMX為42.236MPa,得出變形量最大值DxMX為0.40123mm;Y方向上的應(yīng)力SyMX為40.019MPa,得出最大的變形量DyMX為0.40123mm。材料的屈服極限4000MPa均大于X和Y方向的應(yīng)力,并且相應(yīng)的變形量很小。因此,實(shí)心球體結(jié)構(gòu)零件在剛度上滿足要求。

圖5 圓球?qū)嶓w結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分圖Fig.5 Sphere solid structure grid division diagram

(a) 變形圖

(a) 變形圖

2.2 圓球內(nèi)部為三角形實(shí)體結(jié)構(gòu)有限元分析

將施加載荷和約束的圖8所示內(nèi)部為三角形結(jié)構(gòu)球體造型的有限元模型利用ANSYS計(jì)算和求解變形量和應(yīng)力分布,X方向和Y方向結(jié)果分別如圖9,10所示。可以得出X方向應(yīng)力最大值SxMX為187.058MPa,變形量最大值DxMX為1.09013mm;Y方向應(yīng)力最大值SyMX為184.323MPa,最大變形量DyMX為1.09013mm。材料的屈服極限4000MPa均大于X、Y方向應(yīng)力,并且變形量很少。因此,圓球內(nèi)部為三角形實(shí)體結(jié)構(gòu)在剛度上滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8 圓球內(nèi)部為三角形實(shí)體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分圖Fig.8 Inside the sphere is the triangular solid structure grid division diagram

(a) 變形圖

2.3 圓球內(nèi)部為O形節(jié)實(shí)體結(jié)構(gòu)有限元分析

將施加載荷和約束的內(nèi)部為O形結(jié)構(gòu)球體的有限元模型(圖11)利用ANSYS計(jì)算和求解變形量和應(yīng)力分布,X方向和Y方向結(jié)果分別如圖12,13所示。可以得出X方向最大應(yīng)力SxMX為205.078MPa,最大變形量DxMX為1.17227mm;Y方向上應(yīng)力SyMX為224.722MPa,得出變形量DyMX為1.17227mm。球體材料的屈服極限4000MPa均大于X、Y方向應(yīng)力,而且變形量都非常小。因此,圓球內(nèi)部為O形節(jié)實(shí)體結(jié)構(gòu)在剛度上滿足設(shè)計(jì)要求。

(a) 變形圖

(a) 變形圖

2.4 圓球內(nèi)部為網(wǎng)格狀實(shí)體結(jié)構(gòu)造型有限元分析

將施加載荷和約束的內(nèi)部為網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)球體的有限元模型(圖14)利用ANSYS計(jì)算和求解變形量和應(yīng)力分布,X方向和Y方向結(jié)果分別如圖15,16所示。得出X方向應(yīng)力最大值SxMX為143.878MPa,變形量最大值DxMX為1.05505mm;Y方向應(yīng)力最大值SyMX為138.532MPa,得出變形量DyMX為1.05505mm。球體材料的屈服極限4000MPa均大于X、Y方向應(yīng)力,并且變形量很少。因此,內(nèi)部為網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)的球體零件模型在剛度上可以滿足設(shè)計(jì)要求。

圖14 圓球內(nèi)部為網(wǎng)格狀實(shí)體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分圖Fig.14 Inside the sphere is a mesh solid structure grid division diagram

(a) 變形圖

(a) 變形圖

根據(jù)圖18、 19所示,表1為對(duì)不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)圓球的有限元分析對(duì)比結(jié)果。由表1可知,在3種輕量化設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)中,網(wǎng)格狀實(shí)體結(jié)構(gòu)在變形量和應(yīng)力大小上較其他結(jié)構(gòu)更具優(yōu)勢(shì),故選擇實(shí)體內(nèi)部為網(wǎng)格裝結(jié)構(gòu)來進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。

表1 球形ANSYS有限元分析結(jié)論數(shù)據(jù)對(duì)照Tab.1 Comparison of data from spherical ANSYS finite element analysis

3 結(jié) 語

對(duì)于網(wǎng)格狀內(nèi)部結(jié)構(gòu)的球體零件,其質(zhì)量為實(shí)心物體質(zhì)量的34.47%,但是變形量只是實(shí)心結(jié)構(gòu)的2.242倍,最大應(yīng)力是實(shí)心結(jié)構(gòu)的4.246倍;網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)的環(huán)形零件的質(zhì)量是實(shí)心環(huán)形零件的39.83%,變形量是實(shí)心結(jié)構(gòu)的2.63倍,最大應(yīng)力是實(shí)心結(jié)構(gòu)的5.35倍。對(duì)比上述結(jié)果,可以看出,如果對(duì)網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)的零件在筋肋的尺寸上逐漸繼續(xù)加大,再做分析,勢(shì)必出現(xiàn)與實(shí)心零件各個(gè)參數(shù)更加接近的結(jié)果。

對(duì)于上述零件結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì),由于結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,如果獲得實(shí)際零件,首選是通過增材制造技術(shù)的形式進(jìn)行加工制造,常規(guī)的機(jī)械加工很難實(shí)現(xiàn)。對(duì)于形狀復(fù)雜的零件來說,利用增材制造的辦法加工,優(yōu)勢(shì)尤為突出,加工工序少,能夠一次性完成零件制造,可有效降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

由于時(shí)間和條件有限,不能進(jìn)一步進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)來完善零件輕量化設(shè)計(jì)。在實(shí)際應(yīng)用中,可以通過一定量實(shí)驗(yàn)來改變內(nèi)部網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)的筋肋尺寸和外壁尺寸,使得內(nèi)部為網(wǎng)格狀實(shí)體結(jié)構(gòu)的各個(gè)性能無限接近實(shí)心結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,達(dá)到理想效果。通過本文的探索研究,可對(duì)不同類型的零件輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供相應(yīng)的理論基礎(chǔ)。