基于Solid Edge NX—Nastran软件的力学试验台改进设计

杨泽林+张杰竣+陈建兴+曾洪涛+郭俊标

摘要：本文主要介绍使用Solid Edge软件对材料力学多功能实验台进行结构优化的方法。具体方案是使用Solid Edge NX-Nastran对原设备进行有限元分析，根据分析结果优化设备结构，改善受力情况，提高其使用精度与寿命。

关键词：结构优化；有限元分析；Solid Edge；NXNastran

中图分类号：TP391.7 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）07-0153-02

本论文研究的材料力学多功能实验台用于“纯弯曲时横截面上的正应力实验”和“弯扭组合实验”。使用过程中，存在局部应力、变形较大的问题。

NX Nastran属于西门子公司，是国际上应用最广泛的CAE工具，大量的制造厂商依靠其分析结果來设计和生产更加安全可靠产品，得到更优化的设计，缩短产品研发周期。三十多年来， NX-Nastran已经成为了几乎所有国际大企业的工程分析工具，应用领域包括航空航天、汽车、军工、船舶、重型机械设备、医药和消费品等，美国国家航空航天局（NASA）就是使用NX-Nastran解算器的用户。同属西门子公司的Solid Edge内置NX-Nastran求解器，用其对该实验台进行分析并进行结构优化是可行的。

1 实验台结构分析

此实验台为台式结构，其架体由采用型钢及铝合金铸件组成，外部尺寸为650×700×1100mm；实验用最大载荷4kN，力学分析模型如图1所示。

首先分析检查力学模型，通过计算受力后弹性变形量对各构件接触面形状进行处理，使其趋近于设备承载后实际情况。

按“纯弯曲时横截面上的正应力实验”进行分析时，选取除弯曲轴、扇形加力臂以外的其余零部件作为研究对象。支架底座的下表面进行设置固定约束，设置弯曲梁、承力下梁和加载杆的材料为铝合金6061-T6，其余零部件为钢；对承力下梁施加4kN的工作载荷，方向向下，作用点在承力下梁的上表面的几何中心上；设置支座与弯曲梁、支座轴与弯曲梁、加载杆轴与承力下梁的连接件设置为无渗透，静摩擦系数为0.17；设置网格并求解，结果如图2所示，最大应力值为266MPa。

按“弯扭组合实验”进行分析时，选取弯曲轴、支架和扇形加力臂作为研究对象，设置支架底座的下表面为固定约束，弯曲轴的材料为铝合金6061-T6，其余零部件为钢。在扇形加力臂处施加4kN的工作载荷，方向竖直向下，设置支架与弯曲轴、弯曲轴与扇形加力臂的连接键为粘连，设置网格并求解，结果如图3所示，最大应力值为211MPa。

“纯弯曲时横截面上的正应力实验”分析后的最大应力为266MPa，位置在支座轴上，最大位移发生在弯曲梁上的中间位置上；“弯扭组合实验”分析后的最大应力为211MPa，位置在支架上；两结果均符合实验台实际受力情况。

2 实验台的结构改进

分析结果显示，该设备在工作时，存在明显应力和变形明显不均现象，在承受最大工作载荷时，最大应力接近材料的屈服强度极限。

“纯弯曲时横截面上的正应力实验”最大应力出现在支座轴上，经过增加倒圆角、加卸荷孔等减少应力集中的措施对轴进行改进后，分析结果如图4所示，最大应力值为229MPa，下降14%。

“弯扭组合实验”最大应力出现在支架上，经分析主要原因是支架和弯曲梁接触部位的直角问题，用R5倒圆处理后，分析结果如图5所示，最大应力值为188MPa，下降11%。

3 结语

有限元分析时，很重要的环节是力学模型的建立及各参数的设置，这对于分析结果影响很大。使用Solid Edge NX-Nastran对设备进行结构分析，可充分考虑各构件结构的影响，尝试对构件各处结构进行调整，灵活且高效，在优化设备结构、缩短产品设计周期、降低试验成本等方面效果显著，可在产品设计中推广使用。

参考文献

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