SolidWorks Simulation在掃描器扳機疲勞設計中的應用

吳書朋

（蘇州大學機電工程學院，江蘇 蘇州 215021）

SolidWorks Simulation在掃描器扳機疲勞設計中的應用

吳書朋

（蘇州大學機電工程學院，江蘇 蘇州 215021）

疲勞破壞是機械零件失效的主要原因之一，但是由于疲勞破壞前沒有明顯的變形以及疲勞測試需要耗費很長的時間，使得疲勞破壞很容易被忽視。使用有限元分析在設計前期就可以評估疲勞失效的風險，縮短產品的開發周期，節約開發成本。

SolidWorks Simulation；掃描器；疲勞

1 概述

疲勞破壞是機械零件失效的主要原因之一，疲勞是指在某點或某些點承受擾動應力，且在足夠多的循環擾動作用之后形成裂紋或完全斷裂的材料中所發生的局部永久結構變化的發展過程。疲勞破壞分為裂紋萌生、裂紋擴展和斷裂三個過程。

據統計，在機械零件失效中大約有80%以上屬于疲勞破壞。由于疲勞破壞是一個持續的過程，而且疲勞破壞前沒有明顯的變形，所以疲勞破壞很容易被忽視，從而造成重大事故。通常完成一個疲勞測試需要耗費很長的時間，因此有限元方法就被作為預測零件的疲勞失效的一種手段而廣泛使用。

2 SolidWorks疲勞仿真簡介

SolidWorks為達索系統（Dassault Systemes S.A）下的子公司，專門負責研發與銷售機械設計軟件的視窗產品。SolidWorks提供涵蓋整個產品生命周期的系統，包括設計、工程、制造、仿真、管理、流通等各個領域。SolidWorks 軟件設計遵循易用、穩定和創新三大原則，設計師可大大縮短設計時間，并保證產品快速高效地投放市場。

SolidWorks疲勞仿真采用的是應力壽命計算方法。這種方法假設零部件在恒定的幅度、恒定的平均應力載荷周期下工作。通過使用SN 曲線，快速計算導致零部件發生失效的此類周期數量。而對于零部件需要在多種載荷下工作的情況，則可采用Miner 線性準則來計算每種載荷情況的損壞結果，并將所有這些損壞結果合并起來獲得一個總體的破壞值。

3 疲勞應力壽命計算方法

材料的 SN 曲線定義交替應力值與指定應力比率下失效所需的周期數。典型的 S-N 曲線如圖1所示，Y軸表示交替應力 （S） ，X軸表示周期數 （N）。

實驗表明，S-N之間有對數線性關系：

由此可以得到S-N曲線為：

m與C是與材料、應力比、加載方式等有關的參數，且有：

4 掃描器扳機疲勞仿真

4.1 掃描器扳機結構介紹

圖2為某掃描器扳機結構圖。掃描時，手指扣動扳機，扳機繞著旋轉軸沿紅色箭頭方向旋轉，觸發按鈕觸碰PCB板上的開關，執行掃描操作。掃描完成后，手指松開，扳機在彈性臂彈性的作用下復位。

考慮到操作員在扣動扳機時的舒適度體驗，扳機彈性臂端部在設計時預留有一定量的預干涉，以提供一定量的反作用力。

扳機的材料選用SABIC公司的LEXAN 925U，材料性能參數如表1。

表1 LEXAN925U材料性能參數

4.2 掃描器扳機疲勞分析

4.2.1 應力分析

從扳機的工作過程來看，扳機受力狀態主要有兩個過程，第一個過程是初始的端部的預干涉狀態，第二個過程是工作時由于扳機旋轉而引起的端部更大的變形。而且一直處于單向拉應力狀態。

分別對兩種受力狀態進行靜力分析，得到應力分布如下。初始狀態最大應力是4.18MPa，加載后的最大應力是29.80MPa，最大應力發生在彈性臂的根部。另外最大應力值小于材料的屈服強度，結構不會發生屈服破壞。

4.2.2 疲勞分析

在SolidWorks Simulation中執行疲勞分析。選擇恒定振幅事件，并在疲勞載荷定義中添加前期計算的兩個受力分析。程序在計算每個節點的交替應力時，會考慮不同疲勞載荷的峰值組合。

SolidWorks Simulation疲勞分析結果可以查看損壞圖解和壽命圖解。最大損壞比例為173.3%，數值表示經過50萬次的循環后，扳機已經損壞，損壞區域發生在彈性臂根部，圖4藍色區域為最小壽命區域。最小壽命為28.8萬次。

通過疲勞分析我們得到現有結構的最小壽命是28.8萬次，沒有達到200萬次的設計要求，需要對結果進行改善。測試結果也表明，當前結構在25萬次的疲勞測試后，彈性臂發生斷裂。

根據分析結果和測試結果，改進的結構對根部斷裂區域進行了加強，在根部添加加強筋以降低根部斷裂區域應力，提高斷裂區域強度。

對改進后的結構再次進行有限元分析，兩種受力狀態下的最大應力分別為3.27MPa和23.09MPa，最小壽命為262.3萬次，滿足設計要求。同時，對改進后的結構進行疲勞測試，測試結果顯示經過200萬次的疲勞測試后，未出現破壞。

5 結語

本文以某款掃描器扳機為例，介紹了使用SolidWorks Simulation進行疲勞分析的兩個步驟：（1）通過靜強度分析得到受力狀態下的應力分布；（2）通過疲勞分析得到對應疲勞載荷下的壽命分布。同時根據有限元分析的結果來指導產品的結構改進。

使用有限元分析可以提前預測產品的失效風險，并指導產品的設計改進，是提升產品質量、縮短設計周期、提高產品競爭力的一項有效手段。

［1］疲勞強度［M］.中國鐵道出版社，1990（11）.

［2］徐灝.疲勞強度設計［M］.機械工業出版社，1981（12）.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.20.123