机械设计有限元分析及结构优化

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摘要：有限元分析是利用数学近似的方法对真实物理系统进行模拟的方法。在便携式设备的塑料壳体设计中，需要应用有限元分析的方法建立有限元模型，对系统结构分解，优化零件结构，以便利用更小的材料和更低的成本来提高零件的刚度，提升综合性能，使其满足工业设计的需要。

关键词：有限元；优化设计；成本控制；工程设计；工业需求

随着计算机技术的快速发展，有限元分析越来越被广泛应用在机械设计中。通过有限元分析软件，根据零件的几何特征建立有限元模型，对单元的力学性质进行分析，最后根据力的平衡条件和边界条件联结，形成整体刚度矩阵，求出应变和应力。通过分析，可以对零件的设计结构优化，在提高零件的刚度与强度的同时，降低制造成本，满足更多的性能要求。这种方法可以用在多种领域的设计中，如汽车零部件、土木建筑、水利工程、造船、电子技术等，也可以在各种材料中应用，如塑料、金属材料、复合材料等，特别是对材料在具体结构中承载后应力应变和变形的分析，已经成为机械工程最基本、最常用的分析方法。

1机械结构静力学分析

1.1有限元方法运用。关键步骤分为结构离散化、位移插值函数选择、单元力学特性的分析、等效节点载荷计算、整体的分析和位移边界的应用条件求解等。使用计算单元应力方程、结构平衡方程对于单元结构进行有限元分析，设置节点并加以连接，形成结合体，将整体机械结构加以设计，目标是机械结构趋于成熟。有限元分析方法的运用，分析机械结构的静力学，得到原有结构中需要改进和优化的部分参数，对于某个局部加以替代或者加以改进。以钢结构例，在进行连续的弹塑体的钢结构的结构分析时，其弹塑性区域连续，逼近连续。根据计算机的计算，对钢结构的精度和性能进行了计算，得到单元数目和基本设计模型。划分了网格，确定了位移插值函数，判定函数节点，分别设置为应变、应力、位移，在进行函数节点的能源力学特性以及位移函数的应变计算时，使用弹性力学几何方程，使用节点位移表示单元应变，钢结构连续弹性经过离散，得到了从单元公共边界传递过来的集中力和体积力以及单元边界的表面力，移植到了节点上，形成等效节点载荷。1.2使用有限元的参数化分析技术。简化结构参数模型，描述有限元的尺寸参数以及可变参数的特征。有限元可变参数的分析，目前采用有限元分析软件进行参数化的分析，根据机械结构的抽象特征，对于不影响精度情况的简化分析，可利用软件编程提供，建立参数化有限元分析流程，根据设计要求，赋予参数以特征值，进行有限元的计算，然后将分析结果作为分析的核心，获得变量形式定义特征参数，对于类型和过程进行定义，并提取和处理分析的结构，用于机械结构的设计。

2建模的分析

在具体的施工中，对于设备重量加以控制，需要将设备的重量设计为机械设备可承受的范围内。例如对便携式设备的外壳壳体进行设计。由于便携式的设备经常用于人工移动，所以重量越小越好。在选择便携式设备的壳体材料的过程中，优先选轻质材料；同时便携式设备在移动的过程中，还要考虑移动的过程中可能会受到的磕碰，所以需要有效地提高壳体的强度与刚度，保证设备不被损坏的同时，具有较强的变形承受度，提高塑料壳体的使用品质。壳体一般具有如下要求：首先质量需要小于1kg；其次壳体的各个面要承受力在150N以上，并且其变形度不能够超过2mm；在承受外界的冲击方面，也要有一定的承受度；最后需要壳体的光滑平整。为了使得塑料外壳的强度与成型的性能够满足设计需求，可以选择2.5mm的ABS+PC材料，主要是该材料的性价比较高，能够满足工程需要，同时，其强度冲击力变形程度都比较高，并且其表面比较容易着色，密度较轻，所以利用其设计的产品重量也比较轻。首先可以利用Pro/E建立复杂的3D模型，同时还可以利用该软件进行壳体3D模型的建立，壳体主要是由几个零件装配在一起，所以可以利用该软件进行相关的操作，进行程序的自动转化，就能够显示实体模型。

3壳体模型的有限元分析

3.1设置单元类型。由于壳体体积和重量的限制，在壳体的有限元分析时，选择建立的单元模型为：BRICKSILID45。3.2材料属性。由于使用的材料主要是ABS+PC材料，在工作的过程中要始终保持其变形比较小，所以需要优先选择线弹性材料，对于材料的弹性模量需要为2370MPa，材料的泊松比为0.3。3.3建立模型。由于在上述过程中所建立的壳体是由几个零件进行组独立的，在进行有限元的分期过程中，需要将各个零件进行系统的整合，成为一个整体，才能对其过程中的各个约束条件加以真实的模拟，还原真实环境中的具体的情况。根据分析进行相关操作，选择所有的零件，将它们组装成为一个有机整体[1]。3.4网格设置。要充分利用上述过程中设置好的材料的性能与单元的类型，根据具体实际选取实体，对壳体进行网格状的划分。3.5受载模拟。在实际的使用过程中，壳体的主要承受力为壳体的背面，所以受到载荷的影响，会横向发生弯曲，根据壳体变形的相关理论，需要将壳体的背面转化为四个支撑的薄板结构，从而能够进行全方位的还原。由于实际工作的过程中，壳体的背部受到的载荷是随机的，哪个方面都有可能，所以在进行模拟分析时，要将某个位置的负荷量加载到导致壳体变形的最大位置，这样才能够保证设计的零件达到所需的要求。由材料力学知识可知越靠近薄板中心的位置，板的弯曲变形程度越大，所以只有薄板的中心位置达到150N的力量，以此为中面，在xyz三个方向进行位置移动的约束[2]。3.6求解运算。通过ansys的计算处理，可得知最大的变形量为5.3mm，远超过了设计的要求，这就需要增加零件的刚度。将现在的厚度2.5mm换成3mm或者是更大厚度，这样虽然可以满足刚度要求，但是会导致材料的浪费，造成生产材料成本的增加，同时也加大了壳体的重量，增加了工作人员搬运的强度[3]。除了加强壳体的厚度还可以在零件的局部加强筋度来提高刚度，为了能够将材料进行充分的利用，在必要的位置加入强筋，从而使得零件的刚度得到有效的提高。在零件需要加强强度的位置，在设计过程中很难进行确定，因为一般设计的零件是不规则形状，理想的程度与实际的情况很难相符，所以在一般情况下，只能根据以往的经验来确定增加强度的位置[4]。由于位置确定不准确，没有得到明显的加强效果，或者是为了保险起见过多的加入了强筋，反而导致了材料的浪费，在塑料模成型的过程中，其流动性也难以确定，导致生产率不高。所以在进行量化设计的时候，可以利用相关的软件进行有限元的分析，将零件拆解为微小的单元，借助计算机的计算能力，对零件的应力应变进行相关的计算，从而使设计能够满足实际生产的需要。为了借助ansys软件的分析能力，需要确定壳体不同位置的应力应变，找到最大应变处，从而有效地提高壳体的刚度。在壳体使用的过程中，要使得其变形小于2mm，属于小变形，材料的应力应变线性关系中，应力大的位置也应该变形大。所以在利用软件进行壳体的实际承受力的应用分析过程时，需要利用该软件处理器的应力云图找出应变最大的区域，该区域是最需要加强高度的区域。但是在实际的过程中，壳体受到的荷载位置也是随机的，在整个板面中可能都存在着需要加强承受力的位置，所以不可能对每种情况都进行模拟，实际分析时可以通过一定的方式将所有的可能性进行叠加分析，找出应力较大的地方，从而确定需要加强刚度的位置[5]。这时需要重新对零件施加重力，因为局部的荷载地区只能影响零件表面的应力，不能影响零件大部分的应力和具体的分布情况，所以需要加强零件的荷载分布，通过软件处理后进行应力求解的计算后可得知应力主要集中在三个方面，即背面的中心区域、顶部和中间地区、以及背部和底部的中间地区。因为壳体是线性弹性材料，所以其应力越大的地区应变也会越大，更容易导致整个壳体的变形。为了减少零件的变形，就需要在相应的位置加入强筋。根据ansys软件分析，在应力最大的地方加入强筋。再次由软件分析计算，运行后得到最大变形量为1.7mm，完全符合设计需要。通过ansys软件对前后的两个模型进行测量，可以得出其没有加强筋壳体的重量为0.81kg，加入强筋的重量为0.96kg，仅仅增加了0.14kg，而壳体的变形度由原来的5.3mm减少到了1.7mm，有效地增加了壳体的刚度。从这些数据分析中，可以看到通过有限元分析的方法，能够在机械设计中减少材料，优化设计，得到了科学合理的结构。不仅降低了生产成本，还提高了产品的质量。

4结束语

机械设计中的复杂结构采用有限元分析的应用方法，通过静力学分析的方式，对于二维和三维的机械结构，主要分析其变形和应力应变，这是机械工程中常用的分析内容。进行复杂结构有限元分析，要随着时间的变化，通过静力学分析对于结构荷载加以动态的建模。模态分析是动力学分析的一种，用于研究结构的固定频率和自振形式的特性。施加荷载是位移和预应力荷载，而瞬态动力学分析可以对上述分析进行动力学分析，获得周期荷载和非周期荷载的动态响应分析结构。例如在进行热应力分析的过程中，可以对于工作结构内部的温度分布进行温度应力的分析，而接触分析则可以进行状态非现行分析，用于结构物的产生以及机械结构的结构剪力的传递。通过有限元分析方法，应用在机械结构的分析方面，进行计算能力的制约。

参考文献：

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[2]马建，孙守增，芮海田，等.中国筑路机械学术研究综述•2018[J].中国公路学报，2018，31(6)：1-164.

[3]赵海鸣，蒋彬彬，李密.基于拓扑优化与多目标优化的机床底座结构设计[J].机械设计与研究，2018，34(4)：100-105.

[4]杨雅勋，柴文浩，杨福利，等.基于全寿命周期的连续刚构桥应变传感器优化布置研究[J].西南大学学报(自然科学版)，2020，42(6)：119-127.

[5]石俊彪，赵昀，陈树君，等.Tandem-GMAW电弧增材制造基层成型宽度研究及热过程分析[J].天津大学学报(自然科学与工程技术版)，2020，53(9)：910-916.

作者:高清冉 姚亚平 单位:济源职业技术学院