彭 強，方慶文

(四川華豐企業(yè)集團有限公司，四川綿陽621000)

1 引言

有限元分析(FEA，F(xiàn)inite Element Analysis)是利用數(shù)學(xué)近似的方法對真實物理系統(tǒng)(幾何和載荷工況)進行模擬。還利用簡單而又相互作用的元素(即單元)，就可以用有限數(shù)量的未知量去逼近無限未知量的真實系統(tǒng)。有限元分析是用較簡單的問題代替復(fù)雜問題后再求解，它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對每一單元假定一個合適的(較簡單的)近似解，然后推導(dǎo)或求解這個域總的滿足條件(如結(jié)構(gòu)的平衡條件)，從而得到問題的解。這個解不是準(zhǔn)確解，而是近似解，因為實際問題被較簡單的問題所代替。由于大多數(shù)實際問題難以得到準(zhǔn)確解，而有限元不僅計算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。

本文通過一種連接器端子進行有限元分析的過程來展現(xiàn)有限元分析軟件在連接器設(shè)計中的應(yīng)用。文中分析所使用的軟件，前處理和后處理采用HyperMesh，求解器使用ABAQUS。

本文不把軟件操作作為重點介紹內(nèi)容，僅想通過設(shè)計過程體現(xiàn)有限元軟件在其中的作用。

2 分析軟件簡介

2.1 HyperMesh

Hypermesh軟件是美國Altair公司的產(chǎn)品，是世界領(lǐng)先的、功能強大的CAE應(yīng)用軟件包，也是一個創(chuàng)新、開放的企業(yè)級CAE平臺，它集成了設(shè)計與分析所需的各種工具，具有無與倫比的性能以及高度的開放性、靈活性和友好的用戶界面。

在CAE工程技術(shù)領(lǐng)域，Hypermesh最著名的特點是它所具有的強大的有限元網(wǎng)格劃分前處理功能。一般來說，CAE分析工程師80%的時間都花費在了有限元模型的建立、修改和網(wǎng)格劃分上，而真正的分析求解時間是消耗在計算機工組站上，所以采用一個功能強大，使用方便靈活，并能夠與眾多CAD系統(tǒng)和有限元求解器進行方便的數(shù)據(jù)交換的有限元前后處理工具，對于提高有限元分析工作的質(zhì)量和效率具有十分重要的意義。

HyperMesh是一個高性能的有限元前后處理器，它能讓CAE分析工程師在高度交互及可視化的環(huán)境下進行仿真分析工作。與其他的有限元前后處理器比較，HyperMesh的圖形用戶界面易于學(xué)習(xí)，特別是它支持直接輸入已有的三維CAD幾何模型(UG、Pro/E和CATIA等)已有的有限元模型，并且導(dǎo)入的效率和模型質(zhì)量都很高，可以大大減少很多重復(fù)性的工作，使得CAE分析工程師能夠投入更多的精力和時間到分析計算工作上去。同樣，Hypermesh也具有先進的后處理功能，可以保證形象地表現(xiàn)各種各樣的復(fù)雜的仿真結(jié)果，如云圖、曲線標(biāo)和動畫等。

圖1 HyperMesh軟件截圖

2.2 ABAQUS

ABAQUS是一套功能強大的工程模擬的有限元軟件，其解決問題的范圍從相對簡單的線性分析到許多復(fù)雜的非線性問題。ABAQUS有兩個主求解器模塊－ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit。ABAQUS還包含一個全面支持求解器的圖形用戶界面，即人機交互前后處理模塊 －ABAQUS/CAE。ABAQUS對某些特殊問題還提供了專用模塊來加以解決。

ABAQUS被廣泛認為是功能最強的有限元軟件，可以分析復(fù)雜的固體力學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)系統(tǒng)，特別是能夠駕馭非常龐大復(fù)雜的問題和模擬高度非線性問題。ABAQUS不但可以做單一零件的力學(xué)和多物理場的分析，同時還可以做系統(tǒng)級的分析和研究。ABAQUS系統(tǒng)級分析的特點相對于其他的分析軟件來說是獨一無二的。由于ABAQUS優(yōu)秀的分析能力和模擬復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性使得ABAQUS被各國的工業(yè)和研究中所廣泛采用。ABAQUS產(chǎn)品在大量的高科技產(chǎn)品研究中都發(fā)揮著巨大的作用。

圖2 ABAQUS軟件截圖

3 應(yīng)用案例

3.1 產(chǎn)品簡述

本文選用一款為Work Station開發(fā)的CPU插座作為范例，端子數(shù)量989只，端子間距1×1mm，連接器外形尺寸為42.7×35×3mm。連接器外形圖和端子結(jié)構(gòu)如下:

圖3 連接器外形

圖4 端子

圖5 端子與CPU插針配合示意

CPU插針?biāo)椒较蛞苿訉崿F(xiàn)導(dǎo)通與斷開，插針直徑0.305mm，如圖5。根據(jù)產(chǎn)品實際尺寸，端子的初始設(shè)計材料厚度為0.06mm。

圖6 端子與手指的大小比較

3.2 分析過程

在有限元分析中，模型的網(wǎng)格化是非常重要的一個環(huán)節(jié)，網(wǎng)格質(zhì)量直接影響到仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。HyperMesh在網(wǎng)格化上提供了一個非常便捷的方式。圖7為端子網(wǎng)格化結(jié)果。經(jīng)過前處理的模型(網(wǎng)格化、賦予邊界條件、運動條件等)，就可以提交ABAQUS進行運算。運算后的結(jié)果在HyperMesh中進行后處理。

圖7 前處理模型

圖8 后處理(應(yīng)力分布云圖)

圖9 后處理(變形比較)

通過后處理，我們還可以模擬以下內(nèi)容:

a.不同材料間的正壓力或插拔力比較;

b.最差情況下(worse case)的正壓力比較;

c.永久變形;

d.最差情況下(worse case)的永久變形;

e.零件間干涉模擬。

3.2.1 不同材料間的性能比較

圖8說明:三種材料的正壓力同步比較(Y軸)，同時顯示各種材料的永久變形值(X軸)。本圖可以了解不同材料間正壓力和永久變形的具體數(shù)值，從圖中可以看出在相同的變形幅度下，C7035TM06和NKC388 SH的正壓力最大，可以達到0.29N左右，NKC388 SH的永久變形最小，約0.02mm 左右。

圖8 不同材料間的正壓力比較

3.2.2 最差情況下的應(yīng)力應(yīng)變分析

3.2.1 的分析是基于所有零件處于理想位置下的結(jié)果，在實際使用中考慮加工和組裝誤差，真實的狀態(tài)幾乎都不可能是理想狀態(tài)，所以必須考慮最差情況下的受力情況。圖9表示只有單臂接觸下的受力情況云圖，第一步圓針以理想位置插入，第二步偏移插入。圖10是在該受力狀態(tài)下端子的正壓力和插入力的分析結(jié)果。圖11是在不同的偏移量的條件下的端子正壓力結(jié)果。

圖9 最差情況下應(yīng)力分布

3.2.3 最差情況下的應(yīng)力應(yīng)變分析

3.2.2 的分析是在圓針首先以理想位置插入，第二步以最差位置插入后的應(yīng)力應(yīng)變情況，也可以首先以最差位置插入，再以理想位置插入的方式進行分析。圖12顯示的是受力云圖，圖13是端子在最差情況下插入后再以支持位置插入時的正壓力和插入力結(jié)果。

圖10 最差情況下應(yīng)力分析

圖11 最差情況下的正壓力比較(不同偏移量)

圖12 最差情況后的應(yīng)力云圖

圖13 最差情況后的插入力和正壓力

3.2.4 零件間的干涉仿真

使用FEA軟件還可以模擬組裝環(huán)境下各零件之間是否有干涉情況以便改善設(shè)計。在一般的三維設(shè)計軟件中我們也可以用改變折彎半徑的方式來模擬零件的變形情況，但這和實際的零件變形還是有所不同，而FEA軟件可以非常接近設(shè)計的變形狀態(tài)。圖12顯示的是在最差狀態(tài)下端子與基座的干涉情況。

3.3 設(shè)計優(yōu)化

在最初的端子設(shè)計中，從性能和可制造性等方面考慮，提出了各種不同的設(shè)計方案，如下圖。

圖12 干涉模擬

圖13 方案設(shè)計

表1 關(guān)鍵參數(shù)比較

從比較結(jié)果來看，TypeA、TypeC均符合設(shè)計要求，在進一步分析比較這兩種結(jié)構(gòu)的工藝性以后，最終選擇了Type C。

4 結(jié)束語

有限元分析可以提供連接器設(shè)計中所關(guān)注的結(jié)果，并能通過這些結(jié)果優(yōu)化設(shè)計。比如在上面的案例中，根據(jù)設(shè)計輸入的要求達到以下目的:

a.根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變曲線選擇合適的零件結(jié)構(gòu);

b.選擇適當(dāng)?shù)牟牧?。即達到功能的要求，不會產(chǎn)生性能過剩，達到控制成本的目的;

c.模擬產(chǎn)品實際工作中的狀態(tài)，降低設(shè)計風(fēng)險;

d.縮短設(shè)計開發(fā)周期，滿足市場需求。

本文內(nèi)容僅僅為有限元分析中應(yīng)力應(yīng)變方面的使用情況的描述。實際上，我們在設(shè)計中還關(guān)注疲勞壽命、發(fā)熱、振動沖擊等方面的影響，運用有限元分析軟件同樣能解決這些方面的問題。