鈑金橫梁設(shè)計的分析與優(yōu)化

文 陳勁松 湖南長高成套電器有限公司

隨著科學(xué)進步速度的日益加快，特別是計算機技術(shù)的高速發(fā)展，設(shè)計領(lǐng)域相繼出現(xiàn)了一系列新興理論與方法，這些新興的理論與方法通稱為現(xiàn)代設(shè)計方法。現(xiàn)代設(shè)計方法包括：計算機輔助設(shè)計技術(shù)、可信性設(shè)計、設(shè)計試驗技術(shù)等。本文將以計算機輔助設(shè)計為基礎(chǔ)，應(yīng)用有限元法對設(shè)備中關(guān)鍵受力橫梁進行可行性分析與優(yōu)化設(shè)計。

提出問題

鈑金件設(shè)計中通常會遇到承載問題，如電氣設(shè)備中互感器、絕緣件、銅排安裝等。以此為切入點，假設(shè)某物質(zhì)重量為50kg，安裝長度為600mm，寬度為50mm，不考慮安裝環(huán)境設(shè)計橫梁截面。在此，列出幾種橫梁的截面形狀，如圖1 所示。

圖1 橫梁截面形狀

試驗方法

采用控制變量的試驗思想。

⑴建立有限元模型：控制橫梁長寬尺寸為800mm×50mm、材料選用厚度為2mm 的AISI 304，相似橫梁截面高度盡量保持一致；同時建立載荷模型，重量50kg。

⑵設(shè)置邊界條件：橫梁兩側(cè)固定，載荷設(shè)置為“剛性”，與橫梁正中位置以“接合”方式面接觸，重力加速度9.81m/s2；通過“網(wǎng)格無關(guān)性驗證”適配工作電腦性能，在此選擇標準網(wǎng)格，網(wǎng)格大小6mm，公差0.3mm。

結(jié)果分析

不同截面形狀橫梁的應(yīng)力及位移云圖如圖2 所示。

圖2 不同截面形狀橫梁的應(yīng)力及位移云圖

對比以上運算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力及形變最大值均在載荷兩側(cè)位置，符合預(yù)期發(fā)展方向，無“應(yīng)力奇異”現(xiàn)象，計算結(jié)果可以作為分析有效數(shù)據(jù)。若設(shè)定安全系數(shù)為2.0，以AISI 304 材料屈服強度206.8MPa 為判定標準，“褶邊形”最大Von Mises 應(yīng)力為152.7MPa，安全系數(shù)S=206.8/152.7=1.35，此值體現(xiàn)物體的安全性，數(shù)值越高表明物體越安全，計算褶邊形截面安全系數(shù)為1.35，小于設(shè)定安全系數(shù)2.0，說明此截面安全性較低，不能應(yīng)用于預(yù)設(shè)載荷環(huán)境。

針對同等長寬規(guī)格的“U形、雙折U形、凹形、多折形”截面計算安全系數(shù)分別為：18.3、19.4、20.7、21.5，計算值均遠大于設(shè)定的安全系數(shù)2.0，形變量都在微米級范圍，表明這4 種截面的橫梁都可滿足預(yù)設(shè)載荷的安裝。

再從工藝難易、成本考慮，得出結(jié)論：“U 形”為所列截面中的最佳方案。

優(yōu)化設(shè)計

上述得出“U 形”橫梁雖為最佳截面方案，但此時的安全系數(shù)為18.3，遠大于設(shè)定系數(shù)2.0，存在資源浪費，有很大優(yōu)化空間。因此設(shè)想降低U 形橫梁折邊高度，減少材料用量以達“降本減重”的優(yōu)化目的。

多個折彎邊長參數(shù)經(jīng)“有限元法”運算結(jié)果見表1。

表1 多個折彎邊長參數(shù)經(jīng)“有限元法”運算結(jié)果

基于表格數(shù)據(jù)采用“最小二乘法”進行曲線擬合如圖3 所示。

圖3 折彎邊長—最大應(yīng)力曲線

分析圖3，折彎邊長在10mm 之后曲線斜率開始較為平滑，20mm 后處于穩(wěn)定狀態(tài)且安全系數(shù)均在設(shè)定安全數(shù)值之上，反映在預(yù)設(shè)載荷環(huán)境中，當(dāng)邊長超過10mm 后最大應(yīng)力值隨折彎邊長的變化率呈現(xiàn)減小趨勢。綜上分析，折彎邊長選擇在10mm可滿足安裝載荷要求，取值在15 ～20mm 有較高的性價比，20mm 之后收益較低，因此可選擇15mm 折彎邊長作為橫梁最終設(shè)計結(jié)果。

最后，還可在仿真分析云圖顯示的最大應(yīng)力處進行局部加強，以求用最小的成本創(chuàng)造較大的收益。

結(jié)束語

在實際工作中，橫梁設(shè)計可能不會如文中復(fù)雜，更多的是經(jīng)驗分析，但設(shè)計是尋求最優(yōu)解的過程，在此過程中需要不斷地進行精益分析、求解，因此，只有身為設(shè)計者的我們持續(xù)學(xué)習(xí)、提高，掌握先進技術(shù)，才能創(chuàng)造出更好的產(chǎn)品。

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永不褪色的仙女裙

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是對隋唐五代時期特有的一種女子裙裝的稱呼。

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