基于ANSYS Workbench 的球頭螺栓簡化仿真分析方法*

師麗俠，鐘 璞，陳玉瑜

（常州紡織服裝職業技術學院，江蘇常州 213164）

0 引言

氣彈簧新產品投入生產前，需要對新產品的各項性能進行大量測試，不斷對樣品進行改進，從而最大限度地滿足市場需求。此過程不僅消耗大量的人力物力，而且降低了生產效率。如今，隨著計算機有限元技術的發展，CAE技術已經成為產品設計、研究驗證的一種必然趨勢，其發展和廣泛應用，給企業的生產和制造解決實際問題帶來很大的便利，使傳統的產品設計方法和生產組織模式發生巨大的變革，在滿足設計需求的前提下，縮短了產品設計周期、減少樣品驗證、降低成本、增強客戶滿意度、增強市場應變能力等，使企業在市場上更具有競爭力。球頭螺栓主要用于連接氣彈簧和車身，從而通過氣彈簧將汽車尾門或者引擎蓋支撐起來。工作過程中最大受力出現在關閉狀態，也就是氣彈簧壓縮到端部位置時［1］。球頭螺栓一旦斷裂，輕則尾門和引擎蓋無法打開，重則會在斷裂過程中尾門急劇下降傷人，因此對于球頭螺栓的強度校核非常重要，是產品設計過程中必不可少的環節。常見的開發流程是設計過程中采用Workbench進行有限元仿真，從而優化結構，保證最終結果的可行性；驗證過程中通過設計專用工裝進行實驗室現場驗證，對于結構仿真，通常Workbench 仿真結果和實驗室驗證結果相差較小［2-4］。球頭螺栓作為回轉件，整體進行仿真消耗時間較多，本文提出將模型沿著力值方向剖切成兩半，仿真過程中抑制一半模型，只對另一半模型進行仿真，理論上也能得到相同的結果，但仿真時間會大大縮短。需要考慮的是，簡化模型的仿真約束條件較為苛刻，剖切面采用何種約束需要通過具體的研究分析來確定［2］。

1 球頭螺栓參數

球頭螺栓的強度是產品設計過程中至關重要的考量因素，前期設計過程中使用UG軟件對球頭螺栓進行結構設計，后期采用ANSYS Workbench對其結構進行有限元分析。球頭螺栓結構示意圖如圖1 所示，主要包括球頭和墊圈，球頭材料選用C45，墊圈材料選用SWRCH45K JIS G3507。

材料屬性對于ANSYS Workbench 仿真結果的影響很大，材料屬性參數的設置直接關系到仿真分析的有效性［3］。材料屬性中比較重要的一個參數為正切模量m，塑性材料通常具有粘彈性，因此力與形變是非線性關系，正切模量m能夠表示非彈性極限范圍內的應力-應變曲線上的每點的斜率，從而解決靜力學分析中的非線性問題。正切模量計算公式如下。

圖1 球頭螺栓結構示意圖

式中：E為彈性模量，MPa；Re為材料屈服強度，MPa；Rm為材料抗拉強度，MPa；Eδ為彈性伸長率，%；A為斷后伸長率，%。

球頭螺栓的兩種材料屬性如表1 所示。

表1 材料屬性

2 結構仿真分析

球頭螺栓工作最惡劣的工況是在汽車關門狀態時，該階段氣彈簧壓縮到最端部，因此提供的伸展力最大。通過專用軟件分析出本次設計的球頭螺栓承受的最大伸展力F ＝1 700 N，因此將模型導入ANSYS Workbench，根據表1 設置兩種材料屬性。網格劃分根據模型結構尺寸來設置單元大小。單元太小，網格數量過大，雖然計算結果精度有所提高，但計算時間會成倍的增加。本次模型網格劃分節點數量為782 788，單元數量為548 731。網格矩陣檢查質量達到0.84，因此網格畸形率較低，整體設置合理。

圖2 模型約束設置

圖2為球頭螺栓約束設置示意圖，螺紋部分采用Fixed Support，墊圈部分實際工作過程中受壓縮約束，但朝上方向是自由的［5］，因此采用Compression Only Support。本次設計施加力值為1 700 N，如果力值超過3 000 N，還需要設置墊圈外圈的限位，本次模型約束力值不大，可以忽視該步驟。

強度測試比較關心的就是產品的彈性變形和塑性變形，圖3 所示為本次結構仿真彈性變形，圖4 所示為本次結構仿真塑性變形。彈性變形最大值為0.076 mm，塑性變形數值較小，因此可以忽略。說明整體結構設計合理，能夠滿足產品開發要求。

圖3 結構仿真彈性變形

圖4 結構仿真塑性變形

3 實驗室測試結果

實驗室現場測試是為了更好地驗證CAE 仿真的結果，結果如果一致，說明仿真分析參數設置、網格劃分以及約束加載等合理，結果如果不一致，需要查找原因，相應的仿真分析需要重新進行參數設置和計算。本次實驗室現場測試如圖5 所示，測試結果如圖6 所示。彈性變形結果為0.075，塑性變形較小，同樣可以忽略。因此結果和CAE結構仿真分析一致，能夠進一步開展后續的簡化仿真分析研究。

圖5 實驗室現場測試

圖6 實驗室測試結果

4 簡化仿真分析研究

通過分析，本次設計的球頭螺栓為回轉件，力值方向左右對稱，因此可以通過將模型剖切成兩部分來簡化仿真流程，縮短仿真時間［7-11］。具體步驟是通過Spaceclaim進行剖分，然后導入Workbench中，Suppress一半模型，施加力值大小變成850 N。需要特別研究的是剖切面的約束，因為剖切面是模型簡化的產物，其工作過程中的狀態較難把握，因此需要通過不同約束對比分析。

4.1 剖面無約束

剖切面選用無約束的設置，讓球頭和墊圈的剖分區域處于自由狀態，其他設置保持不變。通過仿真計算，得到的剖面無約束仿真結果如圖7 所示。彈性變形最大值為0.084 mm，相對于整體仿真結果偏大，主要是由于剖面自由狀態允許球頭的法向位移導致，分析認為，隨著力值的增加，這種偏差會越來越大，因此對于小力值或者塑性變形較小的場合，可以使用此方法來簡化模型，對于力值較大、塑性變形不可忽略的場合，該方法不可取。

圖7 剖面無約束仿真結果

圖8 剖面固定約束仿真結果

4.2 剖面固定約束

剖切面固定的方法是對球頭和墊圈的剖面均采取Fixed Support 約束，該約束限制剖切面的所有自由度，圖8 為剖面固定約束仿真結果。可以看到最大的彈性變形為0.000 7 mm，和整體仿真結果相比差距較大。因此可以認為該方法與實際情況不符，不建議采用該方法進行模型的簡化仿真分析。

4.3 剖面無摩擦約束

剖切面采用Frictionless Support約束，圖9為無摩擦約束仿真結果。彈性變形最大值為0.076 mm，結果和整體仿真計算的結果完全一致，表明該約束方法較合理。分析認為無摩擦約束是對約束面的法向位移進行約束，不限制約束面內的轉動和位移，因此和整體模型約束產生等價的約束效果。

5 結束語

球頭螺栓開發過程中的有限元仿真耗時較長，通過簡化模型能夠大大提高仿真效率。簡化仿真模型的結果需要和整體仿真結果保持一致。設計過程中首先通過實驗室現場試驗來驗證整體仿真參數設置的合理性，本次設計整體仿真分析彈性變形為0.076 mm，塑性變形可忽略不計，實驗室現場試驗彈性變形為0.075 mm，塑性變形同樣可忽略不計。說明仿真結果可靠。然后針對簡化仿真模型剖分面設計3 種約束方案，分別是無約束方案、固定約束和無摩擦約束。結果分析發現：無約束方案適用于力值較小，塑性變形較小的場合；固定約束方案結果與實際相差較大，不可取；無摩擦約束得到的結果與整體仿真結果一致，分析認為無摩擦約束是對約束面的法向位移進行約束，不限制約束面內的轉動和位移，因此和整體模型約束產生等價的約束效果。本次仿真設計和研究對于實際的工程應用具有較高的推廣和借鑒意義，可為類似產品設計開發提供借鑒和參考。