呂忠衛(wèi), 顧 峰, 戴秀芬

（上海無線電設(shè)備研究所,上海 200090）

一種薄壁殼體零件的靜力仿真和靜力試驗(yàn)

呂忠衛(wèi), 顧 峰, 戴秀芬

（上海無線電設(shè)備研究所,上海 200090）

利用有限元對薄壁殼體進(jìn)行靜力學(xué)分析,并采用實(shí)物試驗(yàn)對仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,建立了薄壁殼體零件設(shè)計(jì)和靜力學(xué)分析的方法。

殼體；靜力仿真；靜力試驗(yàn)

0 引言

當(dāng)前對機(jī)械類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求是輕、巧、小,并在此基礎(chǔ)上具有相當(dāng)?shù)牧W(xué)要求,能滿足產(chǎn)品的強(qiáng)度指標(biāo)。這就要求在產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)時做相應(yīng)仿真分析和實(shí)物靜力學(xué)試驗(yàn),以此提高設(shè)計(jì)的可靠性,節(jié)約研制成本和縮短研制周期。

1 零件設(shè)計(jì)

零件在初步設(shè)計(jì)階段就需要考慮產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)要求,從而選擇相應(yīng)的材料以及采用相應(yīng)的設(shè)計(jì)來滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

1.1 指標(biāo)要求

對某圓柱殼體類零件,總體給出如下指標(biāo)：

a）殼體重量小于350 g。

b）殼體在承受3 950 N剪力時,能同時承受1 352 Nm的彎矩,安全系數(shù)為1.5。

c）殼體長度為112 mm,直徑為127 mm。

1.2 殼體的設(shè)計(jì)

按照重量指標(biāo)和力學(xué)要求,選擇鋁合金2A12-T4作為該零件的材料。表1為該材料的物理屬性。

零件設(shè)計(jì)時,充分考慮力學(xué)要求,在減重的同時,局部采用加強(qiáng)筋以提高殼體的力學(xué)性能。

表1 零件材料屬性

如圖1所示,殼體壁厚為2 mm,局部采用4 mm厚加強(qiáng)筋增加殼體強(qiáng)度。經(jīng)分析,該零件重量為334 g,滿足指標(biāo)要求。

圖1 殼體三維造型

2 靜力學(xué)仿真

在完成殼體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及材料選擇后,須對該殼體進(jìn)行靜力學(xué)分析,校核其強(qiáng)度是否能滿足指標(biāo)要求。

2.1 殼體有限元模型

殼體上的許多小孔對整個艙體的強(qiáng)度和剛度的影響較小,因此在有限元建模過程中把這些小孔去除不予考慮。建好的殼體有限元模型如圖2所示,模型中采用十節(jié)點(diǎn)四面體二階實(shí)體單元。

圖2 殼體有限元模型

2.2 施加載荷及約束條件

在有限元軟件中較難直接模擬總體所給出的條件,因此在建模過程中通過等效彎矩計(jì)算,對殼體進(jìn)行適當(dāng)延長便于加載。

通過等效計(jì)算,把殼體總長加長至366 mm,其中一端（用于加載載荷）延長238 mm,另一端（用于加載約束）延長16 mm,在延長后的端面上施加3 950 N的載荷就能夠模擬產(chǎn)生最大彎矩為1 382.5 N·m的彎矩?？紤]到安全系數(shù)為1.5,須在載荷施加面施加5 925 N的剪力,同時在殼體另一端面將產(chǎn)生2 073.75 N·m的彎矩。

圖3為殼體的載荷與約束圖,圖中左端面加載了5 925 N的載荷,右端面進(jìn)行了六自由度的約束。

圖3 殼體載荷與約束圖

2.3 計(jì)算結(jié)果

采用ANSYS軟件對圖3進(jìn)行有限元分析,殼體的應(yīng)力云圖如圖4所示,可以看出殼體的最大應(yīng)力位于殼體右端面退刀槽處,大小為315 Mpa,低于材料的抗拉強(qiáng)度為425 Mpa,表明該殼體的設(shè)計(jì)能滿足力學(xué)指標(biāo)要求,且剩余強(qiáng)度系數(shù)為1.349。

3 殼體靜力試驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證所設(shè)計(jì)薄壁殼體的力學(xué)性能,需要對實(shí)物進(jìn)行靜力試驗(yàn)。

3.1 試驗(yàn)條件設(shè)置

圖4 殼體的應(yīng)力云圖

從仿真結(jié)果可以得到,殼體在承受150%的使用載荷時,尚剩余強(qiáng)度系數(shù)為1.349,因此在實(shí)物靜力試驗(yàn)中,設(shè)定試驗(yàn)載荷為使用載荷的150%,即加載5 925 N的剪力,該剪力將在殼體另一端面產(chǎn)生2 073.75 N·m的彎矩。圖5為該殼體靜力試驗(yàn)加載示意圖。

殼體靜力由固定板、轉(zhuǎn)接環(huán)、殼體（試驗(yàn)件）、位移計(jì)、加力環(huán)和接長筒組成。固定板與轉(zhuǎn)接環(huán)的作用是固定殼體,位移計(jì)的作用是測量殼體在加載情況下的位移變化量,接長筒的作用是使過載加載在圖5所示366 mm處,加力環(huán)的作用是在試驗(yàn)環(huán)Q處進(jìn)行力的加載。

圖5 殼體靜力試驗(yàn)加載示意圖

如圖5所示,在殼體后端固定有兩只位移計(jì),分別是1#和2#,在殼體前端也固定有兩只位移計(jì),分別是3#和4#。

試驗(yàn)時,在Q處以試驗(yàn)載荷的10%為一級,逐級加載,直至加載至100%試驗(yàn)載荷（即150%使用載荷）后卸載,查驗(yàn)在各級載荷作用下位移的變化量。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果如表2所示,1#位移、2#位移、3#位移和4#位移分別對應(yīng)1#位移計(jì)、2#位移計(jì)、3#位移計(jì)和4#位移計(jì)在相應(yīng)載荷時所測量的位移值。

表2 艙體靜力試驗(yàn)位移測量數(shù)據(jù)

從表2數(shù)據(jù)分析,在最大過載情況下,殼體位移值僅為0.38 mm,且在卸載后,位移值迅速恢復(fù)至0.031 mm,可見,在150%使用載荷作用下,殼體并未發(fā)生塑性變形,而是仍處在彈性變形階段。

該試驗(yàn)結(jié)果有利的支撐了仿真試驗(yàn)的結(jié)果,從零件承受載荷和零件受力產(chǎn)生位移兩方面同時驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性,為薄壁殼體類零件的設(shè)計(jì)提供了一條設(shè)計(jì)、仿真和實(shí)物試驗(yàn)的思路。

4 結(jié)束語

本文通過有限元仿真分析和實(shí)物試驗(yàn)建立了薄壁殼體類零件設(shè)計(jì)的思路,完善了薄壁殼體零件的設(shè)計(jì)與分析。

［1］程燕平.靜力學(xué)［M］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,1999.

［2］張少實(shí).新編材料力學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2002.

［3］張國瑞.有限單元法［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 1992.

［4］王勛成,邵敏.有限單元法基本原理和數(shù)值方法［M］.北京：清華大學(xué)出版社,1995.

［5］ANSYS公司北京辦事處.ANSYS入門手冊［S］. 2003.

［6］R.D.庫克,程耿東,等譯.有限元分析的概念和應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社,1989.

Statics Simulation and Statics Test of a Thin-walled Shell Part

LV Zhong-wei, GU Feng, DAI Xiu-fen
（Shanghai Radio Equipment Research Institute,Shanghai 200090,China）

The statics analysis of thin-walled shell was performed via finite element.The design and statics analysis methodology of spareparts made from thin-walled shell was established according to the simulation test result.

shell；statics simulation；statics test

TJ43

A

1671-0576（2014）01-0018-03

2013-03-26

呂忠衛(wèi)（1981-）,男,碩士,高級工程師,主要從事引信結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究。