王 亮,孫建華,劉柏森,鮑 宇,朱昱晨

(黑龍江工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150050)

0 引 言

零件輕量化是機械設(shè)計制造業(yè)中一個永恒不變的話題,是節(jié)能減排、降低成本、提高機械產(chǎn)品性能和材料利用率的有效途徑。零件輕量化的主要形式有2種:一是高科技新型輕質(zhì)材料,常見的如鋁鈦合金、高強度合金鋼、鎂合金、塑料復(fù)合材料或碳纖維復(fù)合材料等,主要減輕材料自身重量;二是結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化,可以通過CAD/CAE等計算機軟件輔助設(shè)計,結(jié)合材料學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、數(shù)學(xué)等進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計,在保證使用要求的基礎(chǔ)上,把實心的結(jié)構(gòu)變成有骨架的空心結(jié)構(gòu),以達到零件輕量化的目的。在使用高科技輕質(zhì)材料的同時考慮材料的利用率、成本等,能更好地實現(xiàn)零件輕量化[1-3]。

本文就是以同種材料為基礎(chǔ),對外形相同的零件進行內(nèi)部結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計,把原本的實心內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計成為去除部分材料的空心結(jié)構(gòu),但同時要滿足使用要求和力學(xué)性能,這樣既能滿足零件的設(shè)計要求,又能達到輕量化的目的。我們選用特定外形的球體零件,在同種外觀形狀、同樣大小,但球體零件內(nèi)部結(jié)構(gòu)從實體結(jié)構(gòu)設(shè)計變更為三角形筋肋、O形筋肋和網(wǎng)格狀筋肋的不同結(jié)構(gòu),利用UG軟件進行輕量化零件的實體建模,對不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)的球體零件和實心零件分別利用ANSYS軟件進行靜力學(xué)仿真分析,并輸出變形、應(yīng)變分布圖,最接近實心零件強度的為最佳結(jié)構(gòu)。由于篇幅有限,零件筋肋只設(shè)計為1mm厚度,三種結(jié)構(gòu)利用ANSYS軟件分析,對比找出一種結(jié)構(gòu)更接近實心球體強度[4-6]。

1 UG軟件對球體類零件實體結(jié)構(gòu)造型

在利用UG軟件對球體類零件進行結(jié)構(gòu)造型時,預(yù)設(shè)定4種結(jié)構(gòu):圓球?qū)嶓w結(jié)構(gòu),如圖1所示;三角形內(nèi)部結(jié)構(gòu),為正四面體去掉中間的所有實心部分,只留正四面體的6個棱邊,面體厚度為1mm,棱邊長度為5mm,多個正四面體面與面重疊形成三角形內(nèi)部結(jié)構(gòu),如圖2所示;O形內(nèi)部結(jié)構(gòu),是外壁厚1mm,直徑為5mm的空心小球,各小球外壁相切,均勻地擺放在各種形狀的零件內(nèi)部,如圖3所示;網(wǎng)格狀內(nèi)部結(jié)構(gòu),為正六面體去掉中間的所有實心部分,只留正六面體的12個棱邊,面體厚度為1mm,棱邊長度為5mm,多個正六面體面與面重疊形成網(wǎng)格狀內(nèi)部結(jié)構(gòu),如圖4所示。

圖1 基于UG軟件的圓球?qū)嶓w結(jié)構(gòu)造型Fig.1 UG based on the ball solid structure modeling

圖2 基于UG軟件的圓球內(nèi)部為三角形實體結(jié)構(gòu)造型

圖3 基于UG軟件的圓球內(nèi)部為O形實體結(jié)構(gòu)造型

圖4 基于UG軟件的圓球內(nèi)部為網(wǎng)格狀實體結(jié)構(gòu)造型

UG實體結(jié)構(gòu)造型大大降低了設(shè)計工作量,可以設(shè)計出最接近使用要求和滿足強度要求的零件,只要找到合理的結(jié)構(gòu),就能為下一步的設(shè)計工作提供堅實的基礎(chǔ)。

2 球體結(jié)構(gòu)ANSYS有限元分析

ANSYS有限元分析軟件是由美國ANSYS公司研究開發(fā)的,包括對結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)、動力學(xué)、運動學(xué)、結(jié)構(gòu)非線性、熱、聲場等多種分析功能。

對于本設(shè)計中的球體結(jié)構(gòu),在試驗過程中會施加一個載荷,所以零件會受到徑向力作用;在分析過程中,還會施加一個旋轉(zhuǎn)動作,這樣球體在受到徑向力作用的同時,還會受到離心力作用[7-10]。以下對不同結(jié)構(gòu)的球體零件進行有限元分析。

首先,建立球體零件的有限元模型,包括導(dǎo)入零件幾何模型、定義單元類型、定義零件材料的屬性,以及劃分有限元模型。球體材質(zhì)選用ABS,其泊松比為0.394,彈性模量為2×103MPa,材料密度1.02×10-9t/mm3。X軸、Y軸方向徑向載荷為3000N,繞Z軸以5000r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。

定義邊界條件:對各種球體零件結(jié)構(gòu)模型,在360°的范圍內(nèi)定義載荷數(shù)值,根據(jù)球體總載荷輸入載荷值,對應(yīng)輸出結(jié)果。

2.1 圓球?qū)嶓w結(jié)構(gòu)造型有限元分析

對實心球體有限元模型施加載荷和約束,如圖5所示。用ANSYS進行計算求解變形量和應(yīng)力分布,X方向和Y方向結(jié)果分別如圖6和7所示。求得X方向上的應(yīng)力最大值SxMX為42.236MPa,得出變形量最大值DxMX為0.40123mm;Y方向上的應(yīng)力SyMX為40.019MPa,得出最大的變形量DyMX為0.40123mm。材料的屈服極限4000MPa均大于X和Y方向的應(yīng)力,并且相應(yīng)的變形量很小。因此,實心球體結(jié)構(gòu)零件在剛度上滿足要求。

圖5 圓球?qū)嶓w結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分圖Fig.5 Sphere solid structure grid division diagram

(a) 變形圖

(a) 變形圖

2.2 圓球內(nèi)部為三角形實體結(jié)構(gòu)有限元分析

將施加載荷和約束的圖8所示內(nèi)部為三角形結(jié)構(gòu)球體造型的有限元模型利用ANSYS計算和求解變形量和應(yīng)力分布,X方向和Y方向結(jié)果分別如圖9,10所示?？梢缘贸鯴方向應(yīng)力最大值SxMX為187.058MPa,變形量最大值DxMX為1.09013mm;Y方向應(yīng)力最大值SyMX為184.323MPa,最大變形量DyMX為1.09013mm。材料的屈服極限4000MPa均大于X、Y方向應(yīng)力,并且變形量很少。因此,圓球內(nèi)部為三角形實體結(jié)構(gòu)在剛度上滿足設(shè)計要求。

圖8 圓球內(nèi)部為三角形實體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分圖Fig.8 Inside the sphere is the triangular solid structure grid division diagram

(a) 變形圖

2.3 圓球內(nèi)部為O形節(jié)實體結(jié)構(gòu)有限元分析

將施加載荷和約束的內(nèi)部為O形結(jié)構(gòu)球體的有限元模型(圖11)利用ANSYS計算和求解變形量和應(yīng)力分布,X方向和Y方向結(jié)果分別如圖12,13所示?？梢缘贸鯴方向最大應(yīng)力SxMX為205.078MPa,最大變形量DxMX為1.17227mm;Y方向上應(yīng)力SyMX為224.722MPa,得出變形量DyMX為1.17227mm。球體材料的屈服極限4000MPa均大于X、Y方向應(yīng)力,而且變形量都非常小。因此,圓球內(nèi)部為O形節(jié)實體結(jié)構(gòu)在剛度上滿足設(shè)計要求。

(a) 變形圖

(a) 變形圖

2.4 圓球內(nèi)部為網(wǎng)格狀實體結(jié)構(gòu)造型有限元分析

將施加載荷和約束的內(nèi)部為網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)球體的有限元模型(圖14)利用ANSYS計算和求解變形量和應(yīng)力分布,X方向和Y方向結(jié)果分別如圖15,16所示。得出X方向應(yīng)力最大值SxMX為143.878MPa,變形量最大值DxMX為1.05505mm;Y方向應(yīng)力最大值SyMX為138.532MPa,得出變形量DyMX為1.05505mm。球體材料的屈服極限4000MPa均大于X、Y方向應(yīng)力,并且變形量很少。因此,內(nèi)部為網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)的球體零件模型在剛度上可以滿足設(shè)計要求。

圖14 圓球內(nèi)部為網(wǎng)格狀實體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分圖Fig.14 Inside the sphere is a mesh solid structure grid division diagram

(a) 變形圖

(a) 變形圖

根據(jù)圖18、 19所示,表1為對不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)圓球的有限元分析對比結(jié)果。由表1可知,在3種輕量化設(shè)計的結(jié)構(gòu)中,網(wǎng)格狀實體結(jié)構(gòu)在變形量和應(yīng)力大小上較其他結(jié)構(gòu)更具優(yōu)勢,故選擇實體內(nèi)部為網(wǎng)格裝結(jié)構(gòu)來進行輕量化設(shè)計。

表1 球形ANSYS有限元分析結(jié)論數(shù)據(jù)對照Tab.1 Comparison of data from spherical ANSYS finite element analysis

3 結(jié) 語

對于網(wǎng)格狀內(nèi)部結(jié)構(gòu)的球體零件,其質(zhì)量為實心物體質(zhì)量的34.47%,但是變形量只是實心結(jié)構(gòu)的2.242倍,最大應(yīng)力是實心結(jié)構(gòu)的4.246倍;網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)的環(huán)形零件的質(zhì)量是實心環(huán)形零件的39.83%,變形量是實心結(jié)構(gòu)的2.63倍,最大應(yīng)力是實心結(jié)構(gòu)的5.35倍。對比上述結(jié)果,可以看出,如果對網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)的零件在筋肋的尺寸上逐漸繼續(xù)加大,再做分析,勢必出現(xiàn)與實心零件各個參數(shù)更加接近的結(jié)果。

對于上述零件結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計,由于結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,如果獲得實際零件,首選是通過增材制造技術(shù)的形式進行加工制造,常規(guī)的機械加工很難實現(xiàn)。對于形狀復(fù)雜的零件來說,利用增材制造的辦法加工,優(yōu)勢尤為突出,加工工序少,能夠一次性完成零件制造,可有效降低勞動強度。

由于時間和條件有限,不能進一步進行大量的實驗來完善零件輕量化設(shè)計。在實際應(yīng)用中,可以通過一定量實驗來改變內(nèi)部網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)的筋肋尺寸和外壁尺寸,使得內(nèi)部為網(wǎng)格狀實體結(jié)構(gòu)的各個性能無限接近實心結(jié)構(gòu)強度,達到理想效果。通過本文的探索研究,可對不同類型的零件輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計提供相應(yīng)的理論基礎(chǔ)。