吳書朋

（蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215021）

SolidWorks Simulation在掃描器扳機(jī)疲勞設(shè)計中的應(yīng)用

吳書朋

（蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215021）

疲勞破壞是機(jī)械零件失效的主要原因之一，但是由于疲勞破壞前沒有明顯的變形以及疲勞測試需要耗費(fèi)很長的時間，使得疲勞破壞很容易被忽視。使用有限元分析在設(shè)計前期就可以評估疲勞失效的風(fēng)險，縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，節(jié)約開發(fā)成本。

SolidWorks Simulation；掃描器；疲勞

1 概述

疲勞破壞是機(jī)械零件失效的主要原因之一，疲勞是指在某點或某些點承受擾動應(yīng)力，且在足夠多的循環(huán)擾動作用之后形成裂紋或完全斷裂的材料中所發(fā)生的局部永久結(jié)構(gòu)變化的發(fā)展過程。疲勞破壞分為裂紋萌生、裂紋擴(kuò)展和斷裂三個過程。

據(jù)統(tǒng)計，在機(jī)械零件失效中大約有80%以上屬于疲勞破壞。由于疲勞破壞是一個持續(xù)的過程，而且疲勞破壞前沒有明顯的變形，所以疲勞破壞很容易被忽視，從而造成重大事故。通常完成一個疲勞測試需要耗費(fèi)很長的時間，因此有限元方法就被作為預(yù)測零件的疲勞失效的一種手段而廣泛使用。

2 SolidWorks疲勞仿真簡介

SolidWorks為達(dá)索系統(tǒng)（Dassault Systemes S.A）下的子公司，專門負(fù)責(zé)研發(fā)與銷售機(jī)械設(shè)計軟件的視窗產(chǎn)品。SolidWorks提供涵蓋整個產(chǎn)品生命周期的系統(tǒng)，包括設(shè)計、工程、制造、仿真、管理、流通等各個領(lǐng)域。SolidWorks 軟件設(shè)計遵循易用、穩(wěn)定和創(chuàng)新三大原則，設(shè)計師可大大縮短設(shè)計時間，并保證產(chǎn)品快速高效地投放市場。

SolidWorks疲勞仿真采用的是應(yīng)力壽命計算方法。這種方法假設(shè)零部件在恒定的幅度、恒定的平均應(yīng)力載荷周期下工作。通過使用SN 曲線，快速計算導(dǎo)致零部件發(fā)生失效的此類周期數(shù)量。而對于零部件需要在多種載荷下工作的情況，則可采用Miner 線性準(zhǔn)則來計算每種載荷情況的損壞結(jié)果，并將所有這些損壞結(jié)果合并起來獲得一個總體的破壞值。

3 疲勞應(yīng)力壽命計算方法

材料的 SN 曲線定義交替應(yīng)力值與指定應(yīng)力比率下失效所需的周期數(shù)。典型的 S-N 曲線如圖1所示，Y軸表示交替應(yīng)力 （S） ，X軸表示周期數(shù) （N）。

實驗表明，S-N之間有對數(shù)線性關(guān)系：

由此可以得到S-N曲線為：

m與C是與材料、應(yīng)力比、加載方式等有關(guān)的參數(shù)，且有：

4 掃描器扳機(jī)疲勞仿真

4.1 掃描器扳機(jī)結(jié)構(gòu)介紹

圖2為某掃描器扳機(jī)結(jié)構(gòu)圖。掃描時，手指扣動扳機(jī)，扳機(jī)繞著旋轉(zhuǎn)軸沿紅色箭頭方向旋轉(zhuǎn)，觸發(fā)按鈕觸碰PCB板上的開關(guān)，執(zhí)行掃描操作。掃描完成后，手指松開，扳機(jī)在彈性臂彈性的作用下復(fù)位。

考慮到操作員在扣動扳機(jī)時的舒適度體驗，扳機(jī)彈性臂端部在設(shè)計時預(yù)留有一定量的預(yù)干涉，以提供一定量的反作用力。

扳機(jī)的材料選用SABIC公司的LEXAN 925U，材料性能參數(shù)如表1。

表1 LEXAN925U材料性能參數(shù)

4.2 掃描器扳機(jī)疲勞分析

4.2.1 應(yīng)力分析

從扳機(jī)的工作過程來看，扳機(jī)受力狀態(tài)主要有兩個過程，第一個過程是初始的端部的預(yù)干涉狀態(tài)，第二個過程是工作時由于扳機(jī)旋轉(zhuǎn)而引起的端部更大的變形。而且一直處于單向拉應(yīng)力狀態(tài)。

分別對兩種受力狀態(tài)進(jìn)行靜力分析，得到應(yīng)力分布如下。初始狀態(tài)最大應(yīng)力是4.18MPa，加載后的最大應(yīng)力是29.80MPa，最大應(yīng)力發(fā)生在彈性臂的根部。另外最大應(yīng)力值小于材料的屈服強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)不會發(fā)生屈服破壞。

4.2.2 疲勞分析

在SolidWorks Simulation中執(zhí)行疲勞分析。選擇恒定振幅事件，并在疲勞載荷定義中添加前期計算的兩個受力分析。程序在計算每個節(jié)點的交替應(yīng)力時，會考慮不同疲勞載荷的峰值組合。

SolidWorks Simulation疲勞分析結(jié)果可以查看損壞圖解和壽命圖解。最大損壞比例為173.3%，數(shù)值表示經(jīng)過50萬次的循環(huán)后，扳機(jī)已經(jīng)損壞，損壞區(qū)域發(fā)生在彈性臂根部，圖4藍(lán)色區(qū)域為最小壽命區(qū)域。最小壽命為28.8萬次。

通過疲勞分析我們得到現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的最小壽命是28.8萬次，沒有達(dá)到200萬次的設(shè)計要求，需要對結(jié)果進(jìn)行改善。測試結(jié)果也表明，當(dāng)前結(jié)構(gòu)在25萬次的疲勞測試后，彈性臂發(fā)生斷裂。

根據(jù)分析結(jié)果和測試結(jié)果，改進(jìn)的結(jié)構(gòu)對根部斷裂區(qū)域進(jìn)行了加強(qiáng)，在根部添加加強(qiáng)筋以降低根部斷裂區(qū)域應(yīng)力，提高斷裂區(qū)域強(qiáng)度。

對改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)再次進(jìn)行有限元分析，兩種受力狀態(tài)下的最大應(yīng)力分別為3.27MPa和23.09MPa，最小壽命為262.3萬次，滿足設(shè)計要求。同時，對改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞測試，測試結(jié)果顯示經(jīng)過200萬次的疲勞測試后，未出現(xiàn)破壞。

5 結(jié)語

本文以某款掃描器扳機(jī)為例，介紹了使用SolidWorks Simulation進(jìn)行疲勞分析的兩個步驟：（1）通過靜強(qiáng)度分析得到受力狀態(tài)下的應(yīng)力分布；（2）通過疲勞分析得到對應(yīng)疲勞載荷下的壽命分布。同時根據(jù)有限元分析的結(jié)果來指導(dǎo)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)改進(jìn)。

使用有限元分析可以提前預(yù)測產(chǎn)品的失效風(fēng)險，并指導(dǎo)產(chǎn)品的設(shè)計改進(jìn)，是提升產(chǎn)品質(zhì)量、縮短設(shè)計周期、提高產(chǎn)品競爭力的一項有效手段。

［1］疲勞強(qiáng)度［M］.中國鐵道出版社，1990（11）.

［2］徐灝.疲勞強(qiáng)度設(shè)計［M］.機(jī)械工業(yè)出版社，1981（12）.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.20.123