邢 超

（山西銀河電子設(shè)備廠，山西 太原 030006）

1 引言

“最優(yōu)化設(shè)計(jì)”的本質(zhì)是將物理模型轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)學(xué)模型，并選用最優(yōu)化的方法求解數(shù)學(xué)模型，從而找到最好的設(shè)計(jì)方案。其特點(diǎn)是利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)或半自動(dòng)設(shè)計(jì)，#以大大提高設(shè)計(jì)效率，縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低研發(fā)成本。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和推廣應(yīng)用，CAE技術(shù)作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要工具之一，普遍應(yīng)用于航天、電子、機(jī)械等各個(gè)領(lǐng)域。CAE軟件的主體是有限元分析軟件，有限元技術(shù)是將求解區(qū)域網(wǎng)格化，并利用數(shù)學(xué)近似的方法求解，其優(yōu)點(diǎn)是#以適應(yīng)各種復(fù)雜形狀。

在所有CAE軟件中，COSMOSWorks的特點(diǎn)是易學(xué)易用，不需要專業(yè)的有限元分析經(jīng)驗(yàn)，#以作為插件完全整合于SolidWorks中，由于其分析模塊和SolidWorks共享一個(gè)數(shù)據(jù)庫，所以能夠更加準(zhǔn)確和快速地為設(shè)計(jì)人員提供分析參數(shù)[1]。

2 COSMOSWorks優(yōu)化步驟

作為一款有限元分析軟件，COSMOSWorks#以進(jìn)行應(yīng)力分析、頻率分析、失穩(wěn)分析、熱分析等工程分析，并擁有精確力分析模塊，性能十分強(qiáng)大，為研發(fā)人員提供了完整的分析手段。憑借先進(jìn)的快速有限元分析技術(shù)，能夠使研發(fā)人員快速準(zhǔn)確地對(duì)零部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)快速優(yōu)化設(shè)計(jì)[2]。其優(yōu)化分析的求解流程如圖1所示。

圖1 COSMOSWorks進(jìn)行優(yōu)化分析的求解流程圖

從圖1中#以看出優(yōu)化過程分為三大步：

（1）三維建模并定義零件屬性，如材料特性、所受載荷等。

（2）通過有限元庫、材料庫、相關(guān)算法以及有限元模塊等相關(guān)有限元子系統(tǒng)對(duì)零件進(jìn)行有限元分析。

（3）根據(jù)有限元分析結(jié)果優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 產(chǎn)品設(shè)計(jì)和計(jì)算分析過程

3.1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

在企業(yè)通信車或通信方艙的生產(chǎn)制造過程中，為了避免各種雜波電流對(duì)工作信號(hào)的影響，確保工作人員和設(shè)備的安全，通常均有與大地連接的要求。企業(yè)通過接地地釘來實(shí)現(xiàn)設(shè)備與大地的連接，因此，要求接地地釘必須良好接地，并要有較長的使用壽命。

3.2 試驗(yàn)測(cè)試

在接地地釘?shù)腻N擊試驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)接地地釘端頭處的螺紋孔變形，以致無法旋入螺釘。損壞位置見圖2。

圖2 螺紋孔變形處

通過對(duì)損壞的接地地釘分析，當(dāng)接地地釘用大錘敲向大地時(shí)，端頭所受到作用力的作用點(diǎn)并不一定在端頭的軸心處，而會(huì)偏離端頭的軸心，在端頭受力點(diǎn)處會(huì)產(chǎn)生較大的扭矩，從而造成螺紋孔變形。

3.3 工作條件及結(jié)構(gòu)模型

通過分析接地地釘端頭的受力情況，將端頭的受力簡化為2個(gè)作用力，并用SolidWorks對(duì)接地地釘端頭進(jìn)行建模。

3.3.1 作用于端頭軸心時(shí)的受力情況

根據(jù)實(shí)際使用情況，8磅大錘重Q=35.6 N，從高度H=2 m處自由落到端頭上。端頭發(fā)生變形，歷時(shí)τ=0.01 s。

大錘自由落下H高度時(shí)所需的時(shí)間為t，根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)的公式計(jì)算：

根據(jù)動(dòng)量定理：質(zhì)點(diǎn)動(dòng)量對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，等于作用于該質(zhì)點(diǎn)上所有力的合力。

由接地地釘端頭受力分析#知，v1=0，經(jīng)過（t+τ）后，v2=0，因此S=0。在這過程中，重力Q的作用時(shí)間為（t＋τ），它的沖量大小等于Q×（t+τ），反作用力N作用時(shí)間為τ，它的沖量大小為N×τ。

利用動(dòng)量定理公式計(jì)算出作用于端頭軸向方向所受的作用力為2310 N。

3.3.2 垂直于接地地釘軸向作用在上端頭的受力情況

實(shí)際情況如下：作用在接地地釘端頭上的作用力偏移中心L2=25 mm，力大小為N2=2310 N，端頭的尺寸為L1=80 mm。

根據(jù)力矩平衡公式：N1×L1=N2×L2

得出受到垂直于端頭軸向的分力為：

代入數(shù)據(jù)得：N1=2310×25÷80=721.9 N

利用力矩平衡公式計(jì)算出作用于垂直端頭軸向方向所受的作用力為721.9 N[3]。

3.4 邊界條件的處理

當(dāng)接地地釘用大錘敲向大地過程中，接地地釘端頭受軸向方向的作用力，同時(shí)由于大錘敲偏而產(chǎn)生垂直軸向方向的作用力，且還有接地地釘?shù)淖灾?。根?jù)計(jì)算，自重所占其他作用力的比重非常小，為計(jì)算簡便，只考慮接地地釘端頭所受的軸向方向的作用力和垂直軸向方向的作用力。

3.5 材料特性

端頭材料采用鋼45#，查閱有關(guān)資料，各指標(biāo)見表1。

表1 材料的各項(xiàng)指標(biāo)

3.6 有限元分析

把以上參數(shù)設(shè)置好后，利用COSMOSWorks所推薦的實(shí)體網(wǎng)絡(luò)劃分，對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如下：

3.6.1 應(yīng)力分析

從圖3（a）中#以看出（變形放大比為256.585），最大應(yīng)力為1.154×108N/m2，位于螺紋孔部位。

3.6.2 應(yīng)變分析

從圖3（b）中#以看出（變形放大比為256.585），最大應(yīng)變?yōu)?.247×10－4N/m2，位于螺紋孔部位。

3.6.3 最小安全系數(shù)

從圖3（c）中#以看出，最小安全系數(shù)為1.603，位于螺紋孔部位及螺紋孔周圍部分。#見螺紋孔處為整個(gè)接地地釘端頭最薄弱的地方，對(duì)接地地釘端頭需優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖3 接地地釘端頭的有限元分析結(jié)果

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)

綜合上述有限元分析結(jié)果，與在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)螺紋孔處變形相符合，螺紋孔處應(yīng)力集中而形成螺紋孔變形。

4.1 優(yōu)化措施

為保證原安裝方式不改變，要求接地地釘?shù)某叽绫ＷC原尺寸。這樣就不能加大接地地釘端頭的直徑來增加的強(qiáng)度。在不影響使用，不改變接地地釘端頭尺寸的情況下，將螺紋孔位置上移45 mm。

同時(shí)將端頭上的倒角增大到5 mm，這樣#保證大錘盡#能敲在端頭的軸心處，減少產(chǎn)生彎曲力矩。

4.2 安全校核

對(duì)優(yōu)化后的接地地釘端頭重新建模，在邊界條件不變的情況下，對(duì)其進(jìn)行COSMOSWorks分析，結(jié)果如圖4。

圖4 優(yōu)化后接地地釘端頭的有限元分析結(jié)果

4.2.1 應(yīng)力分析

從圖4（a）中#以看出（變形放大比為385.094），最大應(yīng)力為4.091×107N/m2，位于端頭中下部分，而螺紋孔處的應(yīng)力為3.067×107N/m2。

4.2.2 應(yīng)變分析

從圖4（b）中#以看出（變形放大比為385.094），最大應(yīng)變?yōu)?.894×10－4，位于端頭中下部分。

4.2.3 最小安全系數(shù)

從圖4（c）中#以看出，最小安全系數(shù)為4.522，位于螺紋孔部位及螺紋孔周圍部分。雖然只是將螺紋孔位置上移了45 mm，同時(shí)將端頭的倒角倒成5 mm，端頭的外形基本沒有變化，#是優(yōu)化后螺紋孔處所受到的應(yīng)力減小了73.4%，優(yōu)化后螺紋孔處的安全系數(shù)是原來安全系數(shù)的2.82倍[4]。

4.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)后的試驗(yàn)情況

經(jīng)過對(duì)接地地釘端頭結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)接地地釘做了錘擊試驗(yàn)，土質(zhì)為夯土地。地釘入地21次，平均每次入地錘擊48次，起拔時(shí)平均每次錘擊35次。

試驗(yàn)結(jié)果：觀察地釘外表無損傷，接地地釘端頭螺紋處無變形，#以旋入螺釘。

5 結(jié)論

（1）#以看出CAE軟件的出現(xiàn)，#使設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)階段，運(yùn)用計(jì)算機(jī)的模擬仿真功能，對(duì)零件的受力情況進(jìn)行驗(yàn)證，并通過其優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，但是為了保證分析結(jié)果的正確性，還需要一定的技巧，如：三維建模的合理性、實(shí)體網(wǎng)格的劃分及基本參數(shù)的正確與否，都會(huì)對(duì)分析產(chǎn)生很大影響?？傮w上講CAE軟件讓我們進(jìn)行零部件和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)部分的分析變得十分方便，而且處理過程也更加簡便。

（2）通過COSMOSWorks應(yīng)力分析圖，#以很直觀地得到零件的最大應(yīng)力值、最大應(yīng)變值及最小安全系數(shù)。再根據(jù)這些數(shù)據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，根據(jù)優(yōu)化后的有限元分析我們#以得出螺紋孔處所受到的應(yīng)力減小了73.4%，安全系數(shù)是原來的安全系數(shù)的2.82倍。通過對(duì)地釘進(jìn)行錘擊實(shí)驗(yàn)，得出的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與有限元分析的結(jié)果基本一致，#以說明COSMOSWorks的分析結(jié)果#以采納[5]。

6 結(jié)束語

從上述分析#以看出，要解決地釘端頭受力變形的問題，如果采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，不僅要計(jì)算大量的力學(xué)公式，還要通過各種實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，過程復(fù)雜繁瑣。而采用CAD/CAE技術(shù)后，不僅#以很方便地得到零件的各項(xiàng)參數(shù)，如質(zhì)量、體積、重心、轉(zhuǎn)動(dòng)慣性等，還能利用CAE軟件快速得出應(yīng)力、變形、最小安全系數(shù)等參數(shù)，使設(shè)計(jì)者擺脫了繁瑣的校核工作，實(shí)現(xiàn)快速優(yōu)化設(shè)計(jì)。

目前，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的接地地釘已經(jīng)完成錘擊試驗(yàn)，接地地釘整體完好，螺紋孔處無變形現(xiàn)象，驗(yàn)證了CAE的分析結(jié)果，也完成了接地地釘優(yōu)化設(shè)計(jì)的任務(wù)。

由此#見，應(yīng)用CAD/CAE平臺(tái)的虛擬仿真技術(shù)，#以大大提高產(chǎn)品的開發(fā)效率，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)，#以明顯縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低產(chǎn)品的開發(fā)成本，對(duì)增強(qiáng)企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力具有積極意義。