基于COSMOSWorks的接地地釘端頭優化設計

劉 佳

(山西銀河電子設備廠，山西 太原 030006)

0 引言

優化設計是將部件或零件設計問題的物理模型轉化為數學模型，運用最優化算法或借助計算機軟件求解數學模型。有限元分析法是隨著計算機的發展而迅速發展起來的一種現代計算方法，在解決復雜問題時，對研究對象進行離散化，將其劃分為無窮個小單元，在每個小單元上用較為簡單的插值函數代替其真實解進行分段逼近，從而得到滿足工程精度的近似結果，以解決很多傳統理論算法無法解決的復雜問題。

COSMOSWorks是完全整合在SolidWorks設計分析系統中的，其操作簡單，易于上手，通過有限元分析法對產品局部區域網格劃分更細密，并提供更精確的計算結果，從而更準確地對產品進行結構優化。本文以接地地釘為例，采用COSMOSWorks技術對接地地釘端頭進行優化設計。

1 產品設計和計算分析過程

1.1 產品設計

在通信車或通信方艙工作過程中，為了避免各種雜波電流對工作信號的影響，確保工作人員和設備自身的安全，通常均有與大地連接的要求。一般通過接地地釘來實現與大地的連接，要求接地地釘要良好接地，并要有較長的使用壽命。

1.2 試驗測試

在接地地釘的錘擊試驗過程中發現接地地釘端頭處的螺紋孔變形，以致無法旋入螺釘,損壞位置見圖1。

通過對損壞的接地地釘進行分析發現，當接地地釘用大錘敲向大地時，端頭所受到作用力的作用點并不一定在端頭的軸心處，而會偏離端頭的軸心，造成端頭受力點處會產生較大的扭矩，從而使得螺紋孔變形。

1.3 工作條件及結構模型

通過分析接地地釘端頭的受力情況，將端頭的受力簡化為兩個作用力，并采用SolidWorks軟件對接地地釘端頭進行建模。

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的受力情況

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

大錘自由落下H高度時所需的時間為t，根據運動學的公式計算：

t=2Hg.

(1)

根據動量定理，可知：

mv2-mv1=S.

(2)

其中：m為接地地釘的質量；v1為錘擊前地釘速度；v2為錘擊后地釘速度；S為動量。

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

將相關數據代入式(4)計算得N=2 310 N。

利用動量定理公式計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L1=80 mm。

根據力矩平衡公式：

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)

將相關數據代入式(6)計算得N1=721.9 N。

利用力矩平衡公式計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

當接地地釘用大錘敲向大地過程中，接地地釘端頭受軸向方向的作用力，同時由于大錘敲偏而產生垂直軸向方向的作用力，同時還有接地地釘的自重。根據計算，自重所占比重非常小，為計算簡便，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，其物理特性見表1。

表1 材料的物理特性

1.6 有限元分析

首先建立地釘的三維模型，然后賦予模型材質，接著設置邊界條件及劃分網絡之后對模型進行計算，結果如圖2所示。從圖2中可以看出：最大應力為115.4 MPa，位于螺紋孔部位；最大應變為4.274×10-4，位于螺紋孔部位；最小安全系數為1.603，位于螺紋孔部位及螺紋孔周圍部分。可見螺紋孔處為整個接地地釘端頭最薄弱的地方，需對接地地釘端頭進行優化設計。

圖2 優化前地釘應變、應力、安全系數云圖

2 優化設計

綜合上述有限元分析結果，與在試驗中發現螺紋孔處變形相符合，由于螺紋孔處應力集中而導致螺紋孔變形。

2.1 優化措施

為保證原安裝方式不改變，要求接地地釘的尺寸保證原尺寸，這樣就不能通過加大接地地釘端頭的直徑來增加其強度。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，減少產生彎曲力矩。

2.2 安全校核

對優化后的接地地釘端頭重新進行建模，在邊界條件不變的情況下，對其進行COSMOSWorks分析，結果如圖3所示。

圖3 優化后地釘應變、應力、安全系數云圖

從圖3中可以看出：最大應力為41 MPa，位于端頭中下部分，而螺紋孔處的應力為30.7 MPa；最大應變為1.894×10-4，位于端頭中下部分；最小安全系數為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 ，同時將端頭的倒角倒成5mm，端頭的外形基本沒有變化，可是優化后螺紋孔處所受到的應力減小了73.4%，優化后螺紋孔處的安全系數是原安全系數的2.82倍。

2.3 優化設計后的試驗情況

通過對接地地釘端頭結構的優化設計，對接地地釘進行了錘擊試驗，土質為夯土地。

地釘入地21次，平均每次入地錘擊48次，起拔時平均每次左右錘擊35次。

試驗結果：觀察地釘，外表無損傷，接地地釘端頭螺紋處無變形，可以旋入螺釘。

結論：滿足使用要求。

3 結束語

目前，優化設計后的接地地釘已經完成錘擊試驗，接地地釘整體完好，螺紋孔處無變形現象，驗證了CAE的分析結果，也完成了接地地釘優化的任務。

可見應用CAD/CAE平臺的虛擬仿真技術，可以大大提高產品的開發能力和產品質量，減少了產品的開發周期和成本，增強了企業的市場競爭能力。