常用鈑金件有限元分析及剛度優(yōu)化設(shè)計

常用鈑金件有限元分析及剛度優(yōu)化設(shè)計楊長牛;趙鵬云【摘要】結(jié)合空調(diào)產(chǎn)業(yè)鈑金件使用的實際情況,對影響常用鈑金件剛度的諸多因素進行了詳細的數(shù)值仿真分析，得出在考慮成本爭剛度前提下鈑金件翻邊高度和寬度的比例關(guān)系，以及通過合理設(shè)計截面形狀使不同厚度材料之間可相互替代等實用結(jié)論.【期刊名稱】《機械與電子》【年(卷)，期】2010(000)006【總頁數(shù)】4頁(P75-78)【關(guān)鍵詞】鈑金件;剛度;有限元;數(shù)值仿真;優(yōu)化設(shè)計【作者】楊長牛;趙鵬云【作者單位】四川理工學院機械工程學院，四川啟貢,643000;長虹中央空調(diào)研發(fā)中心四川，綿陽,621000【正文語種】中文【中圖分類】TH1230引言在家電、輕工和化工等機器中，使用大量的鈑金件.為了保證機器或設(shè)備在載荷作用下正常工作，就要求這些鈑金件具有足夠的承載能力，通常衡量零件承載能力主要有強度、剛度和穩(wěn)定性等方面.考慮到目前空調(diào)產(chǎn)業(yè)(尤其是中央空調(diào))的實際情況，鈑金件變形（彎曲等）情況較多,而零件斷裂等情況相對較少，說明目前空調(diào)的鈑金件設(shè)計中，零件剛度問題比較突出，即剛度不夠.因此，空調(diào)中鈑金件的設(shè)計主要是以滿足剛度和穩(wěn)定性為主.1進行優(yōu)化設(shè)計的理論依據(jù)本文對常用鈑金件進行分析主要基于以下2點:在設(shè)計中保證支撐作用的鈑金件具有足夠的剛度;通過合理地改變鈑金件的截面形狀，使不同厚度的鈑金件進行相互替代，尤其是利用薄板代替厚板，從而達到降低成本而又不損害零件剛度的作用，同時還可根據(jù)現(xiàn)有鈑金材料庫存進行設(shè)計,縮短產(chǎn)品開發(fā)周期.撓度和轉(zhuǎn)角是衡量一零件剛度好壞的2個要素.通常在給定受力狀態(tài)下的零件，其撓度和轉(zhuǎn)角是一對應的，即該零件的撓度越大，則其對應的轉(zhuǎn)角也越大.因此，為了便于分析，本文只對零件的撓度進行分析.零件的支撐方式很多,以一簡支梁為例進行分析,如圖1所示.圖1簡支梁受力及變形簡支梁只受到一恒定的外力F的作用,01,02表示截面轉(zhuǎn)角,3x表示撓度，在F作用下,梁的最大撓度為［1］：對于一給定的零件及受力狀態(tài),F,l,b是確定的，彈性模量E在材料確定后也是定值，因此，影響梁變形的主要因素是對于中性軸的慣性矩I.而慣性矩主要與零件的截面形狀有關(guān),與材料厚度關(guān)系并不很密切，基于此,在實際開發(fā)中，可通過適當調(diào)整零件的截面形狀,減小用料厚度，達到降低成本,降低整機重量，同時不損害零件所必需的剛度,甚至提高零件剛度的目的.兩鈑金件A與B,長度均為500mm,寬度均為40mm,翻邊高度和厚度分別如圖2所示.圖2不同截面的零件相同材料兩零件的體積與重量成正比,A與B的體積分別如下：其慣性矩分別為:由式(1)可知I越大，撓度越小，即在外載荷相同的情況下，零件B的撓度略小于零件A,再由式(2)、式(3)可知，零件B的質(zhì)量僅為零件A的90%,即零件B的材料成本僅為零件A的90%.由此不難得出，在很多情況下，通過合理設(shè)計零件的截面形狀，可有效提高零件的剛度,并減小用料厚度,減輕零件重量，降低成本.2基于ADAMS有限元法常用鈑金件剛度數(shù)值仿真分析基于ADAMS的有限元分析演算過程實際是一動態(tài)的過程，變形曲線開始急劇上升的階段為加載瞬間鈑金件從原始狀態(tài)到最大變形階段,后面的直線段實際反映的是靜力分析，在ADAMS中生成柔性體的過程，實際上是劃分有限元單元的過程[2-3].2.1考慮成本和剛度的鈑金件翻邊高度優(yōu)化設(shè)計對于一給定寬度的鈑金件,合理選擇鈑金件的翻邊高度不僅有助于提高鈑金件的剛度，還可避免過大的翻邊造成材料的浪費.下面通過兩實例進行有限元分析，假設(shè)兩鈑金件均為完全彈性,即在大變形的情況下不會發(fā)生破壞，僅發(fā)生彎曲和偏轉(zhuǎn)變形.3.實例1.如圖3所示，鈑金件長度500mm,寬度40mm,厚度2mm,外載荷1500kg作用點在鈑金寬度方向和長度方向中點(即A點),支撐方式為鈑金件兩端固結(jié).圖3零件結(jié)構(gòu)翻邊高度的優(yōu)化需仿真不同翻邊高度時的受力狀態(tài)，不同翻邊高度的變形情況如表1所示.表1實例1分析結(jié)果作用力大小(kg)零件長度(mm)翻邊高度(mm)最大變形量(mm)1500500450.22231500500400.38671500500350.7061500500301.5911500500252.731500500204.89915005001514.5715005001050.4(塑性變形)其變形對應曲線如圖4所示.圖4實例1變形曲線?實例2.鈑金件長度500mm,外載荷500kg,鈑金寬度為30mm,作用點在鈑金寬度方向和長度方向中點，支撐方式為鈑金件兩端面固結(jié),不同翻邊高度變形情況如表2所示.表2實例2分析結(jié)果作用力大小(kg)零件長度(mm)翻邊高度(mm)最大變形量(mm)500500350.0923500500300.126500500250.4968500500201.2087500500152.52345005001017.0126500__5005137.123_1(塑性變形)其變形對應曲線如圖5所示.圖5實例2變形曲線通過以上的分析可得出以下結(jié)論:根據(jù)工程實際,比較合理的鈑金件翻邊高度應為鈑金件寬度方向的3/8-2/3,推薦1/2-2/3.2.2不同厚度材料通過改變截面形狀相互替代的數(shù)值分析在上述理論分析中，得出厚度不等的材料通過改變截面形狀，可達到降低成本且提高剛度的目的.對于相同寬度,料厚度分別為2mm和1.6mm,在不同翻邊高度時，鈑金件仿真分析結(jié)果如表3所示.表3不同厚度材料分析結(jié)果對比表作用力大小(kg)寬度(mm)用料厚度(mm)翻邊高度(mm)變形量(mm)500402204.899500401.6234.32130035217.50.388300351.620.50.3268500302152.5234500301.6182.5094300252143.7104300251.6153.7037100202103.3122100201.6112.6785從對比結(jié)果可得出，在外負載、寬度一致的情況下，厚度和翻邊高度做適當?shù)恼{(diào)整，可使剛度基本保持不變,甚至調(diào)整后的較薄的鈑金比較厚的鈑金具有更高的剛度.通過表3的幾組數(shù)據(jù)的對比分析，可得出以下結(jié)論：在某些情況下，通過合理的改變鈑金件的截面形狀,可使薄、厚板在不損害機械特性的前提下相互替代.一定情況下可根據(jù)現(xiàn)有鈑金材料庫存進行生產(chǎn)，縮短開發(fā)周期.通過薄、厚板的相互替代，還可起到減輕重量、降低成本的作用.2.3其它因素對剛度的影響影響鈑金件的剛度除上述分析的翻邊高度、厚度（不是主要因素）外，還有鈑金件的寬度、受外載荷的狀態(tài)（外載荷作用點方向等）等因素.以鈑金寬度為例進行分析的結(jié)果如圖6所示，分析條件是，鈑金件翻邊高度為15mm,外負載200kg,作用點在鈑金寬度方向和長度方向的中點，鈑金厚度2mm,鈑金長度500mm,鈑金件兩端面固結(jié).圖6不同寬度變形曲線從圖6中分析結(jié)果看，單純增加寬度并不能提高鈑金件剛度，有時甚至會損害零件剛度.另外根據(jù)工程實際經(jīng)驗和仿真結(jié)論,對于類似常用U形鈑金件，受力位置應考慮盡量在寬度方向,盡量避免翻邊受力的情況.在工程實際中,某些情況必須使用單翻邊的鈑金件，即L形零件.對表2中翻邊為15mm時做如下修改:將該零件改為單翻邊的情況，受力狀況,鈑金的其它約束條件不變.此時最大變形量為13.8048mm,雙翻邊時最大變形為2.5234mm,雙翻邊且翻邊高度為10mm時,最大變形量為17.0126mm.可見在翻邊高度相同的情況下,U形零件的承載能力要優(yōu)于L形;從分析數(shù)據(jù)也可得出，該單翻邊情況的剛度優(yōu)于翻邊為10mm的雙翻邊情況,而此時L形用料明顯少于翻邊為10mm時的U形零件.由此進一步驗證了合理選擇零件截面形狀的重要性.3結(jié)束語利用有限元分析工具，對影響常用鈑金件剛度的截面形狀因素，進行了詳細的數(shù)值仿真分析，得出在考慮成本和剛度的前提下翻邊高度的選擇