應用有限元分析軟件進行優(yōu)化改進的方法在工程研發(fā)中的優(yōu)勢日益明顯。針對工程中的零件失效等問題，如何分析原因，在軟件中抽象得到簡化模型，設定合理的邊界條件及約束，得到具有可參考性的優(yōu)化結果，最終達到解決實際問題的目的。

　　本文通過對失效零件的結構斷裂問題進行研究分析，在實際設計空間以及成本的限制條件下，探尋合理的優(yōu)化結構，找到工程中易實現(xiàn)、較經(jīng)濟的解決方案。

　　一、問題的提出

　　在新產(chǎn)品的研發(fā)中，對結構的可靠性需要進行批量的壽命測試。對如圖1所示的零件進行批量的壽命測試中，在百分之一概率的樣品中，凸起柱狀結構a處出現(xiàn)了斷裂現(xiàn)象，導致全套機構功能失效。圖2為零件失效結構斷裂狀態(tài)。

　　分析此結構的工作狀態(tài)，如圖3所示，柱狀結構表面受到金屬零件周期性的壓力F，壓力F的大小可以通過測力計得到。在實際的使用操作中，柱狀結構a處還要受到小幅沖擊力以及工作狀態(tài)中的環(huán)境溫度與濕度影響。在針對問題的分析中，結合工程經(jīng)驗得出壓力F是導致斷裂的主要影響因素，為此可以簡化條件，根據(jù)主要原因得到抽象分析模型(見圖4)，然后進行Nastran分析。

　　二、基于有限元Nastran分析與優(yōu)化

　　1.結構應力集中分析

　　應用有限元分析軟件Nastran的分析流程，首先對模型簡化，進行現(xiàn)有結構的應力變形分析，找到造成斷裂的結構應力集中位置，然后進行下一步的結構優(yōu)化。

　　定義材料屬性，用3D mesh 10節(jié)點單元對非規(guī)則性的模型進行網(wǎng)格劃分，為了保證計算的準確與精度，進行局部的網(wǎng)格細化。設定合理的邊界條件，對實際狀態(tài)分析后施加有效均布載荷F ;選擇結構靜態(tài)線性求解器進行求解，抓住主要因素快速找到問題所在。在實際情況下造成斷裂有多種因素，若用非線性求解器則會造成計算的復雜性，難以快速找到解決方案。如圖5所示為網(wǎng)格劃分結果及設定施加載荷位置示意;圖6為應力集中的分析結果。由分析結果可知，柱狀結構中1區(qū)位置處存在應力集中，需要針對受力的狀況進行結構上的加強，同時確保柱狀結構周邊其他零件的運動不受影響。

　　2.基于工程應用的結構優(yōu)化

　　首先確定工程條件下可優(yōu)化的區(qū)域。對結構的優(yōu)化必須保證不干涉到機構零件的正常運動，在實際可允許的范圍內(nèi)進行結構的改善。本文中要測量工作狀態(tài)下運動機構(見圖7) 需要的區(qū)域，從而找到可進行結構優(yōu)化的區(qū)域，僅能在此限定范圍內(nèi)進行結構的優(yōu)化。在模型中標示出圖7優(yōu)化區(qū)域的水平方向，圖8為高度h方向上不干擾機構運動的限定范圍。

　　其次確定可實現(xiàn)的優(yōu)化目標。在確保柱狀結構不斷裂的強度要求下，盡量減少改變的結構，不但能減少模具改動的工作量與費用，而且節(jié)約原材料。

　　根據(jù)力學基本理論，在施力面相同的條件下，施加載荷與應力成正比。通過實驗測試，失效樣品中柱狀結構能承受的平均壓力為9N，大于此壓力，結構的應力增大，斷裂發(fā)生的機率增大。

　　在實際工作條件下，經(jīng)測試此柱狀結構需要承受12～13N 的平均壓力，所以超過其所能承受的應力極限會發(fā)生斷裂。這需要通過結構的改善來降低應力提高結構的強度，當施加載荷13N時，保證應力在極限范圍內(nèi)，就可以達到結構強度要求。計算載荷為9N條件下的應力分布，如圖6所示，此計算結果5.858MPa為優(yōu)化的極限應力目標值，即優(yōu)化后的結構應力需接近目標值。

　　再次確定結構優(yōu)化的思路，以理論為基礎、工程經(jīng)驗為指導進行結構的改進。#p#分頁標題#e#

　　根據(jù)材料力學理論，，在載荷施加狀態(tài)不變的情況下，增大抗彎截面模量可以降低應力。分析柱狀結構截面，使中性軸的位置偏近施力點，可增大抗彎截面模量;增加底部厚度，減小應力集中。具體結構尺寸的優(yōu)化可通過軟件計算，比較各種不同分析結果后得到較為優(yōu)化的方案。

　　在載荷為13N的條件下，對結構進行優(yōu)化，計算得到其應力分布結果。如圖9所示，當載荷從9N增加到13N的情況下，原有應力集中區(qū)的應力值減小為3.717MPa。

　　如圖10所示，通過結構的優(yōu)化，消除了局部大應力集中存在的現(xiàn)狀，最大應力區(qū)在載荷增加30%的情況下，應力值略小于優(yōu)化目標值，為5.835MPa。說明結構強度有較大的增強，優(yōu)化后結構可承受現(xiàn)有工作條件下的載荷。

　　對優(yōu)化結果進行比較，由圖11給出了優(yōu)化前后的最大應力值以及原應力集中區(qū)的應力值變化比較，對應于圖9與圖10 中的2區(qū)和3區(qū)，在載荷從優(yōu)化前的9N增大到優(yōu)化后的13N、載荷增加30%的情況下，最大應力值略有降低，局部應力集中現(xiàn)象得到明顯改善(見圖11中2區(qū)曲線)。通過對結構的優(yōu)化，使得初始結構應力集中區(qū)的應力降低了36.5%(見圖11中3區(qū)曲線)。優(yōu)化后結構的承載能力增強，零件的可靠性提高。模型確定的最終優(yōu)化形狀，如圖12所示。

　　三、基于優(yōu)化方案的樣件測試與比較

　　根據(jù)方案優(yōu)化的結果對模具進行改進，試制樣品零件，如圖13所示。進行批量壽命測試，優(yōu)化后的凸起柱狀結構無斷裂現(xiàn)象，100%合格。通過優(yōu)化結構，有效增強結構可靠性。

　　四、結束語

　　本文就工程中出現(xiàn)的零件結構失效問題，給出了一種基于有限元分析軟件Nastran輔助解決問題的思路與方法。以力學理論及工程經(jīng)驗為基礎，運用NX-Nastran對零件失效結構進行分析并優(yōu)化;找到一種較優(yōu)的方案去指導實際制造中的模具改進，制得樣件進行相關測試，解決了零件結構的失效問題，提高了零件結構的可靠性，降低了模具修改的費用，縮短了時間，同時也驗證了軟件分析的正確性。在一定程度上降低了研發(fā)成本，加快了產(chǎn)品開發(fā)的進程，對解決工程應用的類似問題具有一定參考價值。