钣金横梁设计的分析与优化

2024-02-29陈劲松湖南长高成套电器有限公司

钣金与制作 2024年2期

文陈劲松湖南长高成套电器有限公司

随着科学进步速度的日益加快，特别是计算机技术的高速发展，设计领域相继出现了一系列新兴理论与方法，这些新兴的理论与方法通称为现代设计方法。现代设计方法包括：计算机辅助设计技术、可信性设计、设计试验技术等。本文将以计算机辅助设计为基础，应用有限元法对设备中关键受力横梁进行可行性分析与优化设计。

提出问题

钣金件设计中通常会遇到承载问题，如电气设备中互感器、绝缘件、铜排安装等。以此为切入点，假设某物质重量为50kg，安装长度为600mm，宽度为50mm，不考虑安装环境设计横梁截面。在此，列出几种横梁的截面形状，如图1 所示。

图1 横梁截面形状

试验方法

采用控制变量的试验思想。

⑴建立有限元模型：控制横梁长宽尺寸为800mm×50mm、材料选用厚度为2mm 的AISI 304，相似横梁截面高度尽量保持一致；同时建立载荷模型，重量50kg。

⑵设置边界条件：横梁两侧固定，载荷设置为“刚性”，与横梁正中位置以“接合”方式面接触，重力加速度9.81m/s2；通过“网格无关性验证”适配工作电脑性能，在此选择标准网格，网格大小6mm，公差0.3mm。

结果分析

不同截面形状横梁的应力及位移云图如图2 所示。

图2 不同截面形状横梁的应力及位移云图

对比以上运算结果发现，应力及形变最大值均在载荷两侧位置，符合预期发展方向，无“应力奇异”现象，计算结果可以作为分析有效数据。若设定安全系数为2.0，以AISI 304 材料屈服强度206.8MPa 为判定标准，“褶边形”最大Von Mises 应力为152.7MPa，安全系数S=206.8/152.7=1.35，此值体现物体的安全性，数值越高表明物体越安全，计算褶边形截面安全系数为1.35，小于设定安全系数2.0，说明此截面安全性较低，不能应用于预设载荷环境。

针对同等长宽规格的“U形、双折U形、凹形、多折形”截面计算安全系数分别为：18.3、19.4、20.7、21.5，计算值均远大于设定的安全系数2.0，形变量都在微米级范围，表明这4 种截面的横梁都可满足预设载荷的安装。

再从工艺难易、成本考虑，得出结论：“U 形”为所列截面中的最佳方案。

优化设计

上述得出“U 形”横梁虽为最佳截面方案，但此时的安全系数为18.3，远大于设定系数2.0，存在资源浪费，有很大优化空间。因此设想降低U 形横梁折边高度，减少材料用量以达“降本减重”的优化目的。

多个折弯边长参数经“有限元法”运算结果见表1。

表1 多个折弯边长参数经“有限元法”运算结果

基于表格数据采用“最小二乘法”进行曲线拟合如图3 所示。

图3 折弯边长—最大应力曲线

分析图3，折弯边长在10mm 之后曲线斜率开始较为平滑，20mm 后处于稳定状态且安全系数均在设定安全数值之上，反映在预设载荷环境中，当边长超过10mm 后最大应力值随折弯边长的变化率呈现减小趋势。综上分析，折弯边长选择在10mm可满足安装载荷要求，取值在15 ～20mm 有较高的性价比，20mm 之后收益较低，因此可选择15mm 折弯边长作为横梁最终设计结果。

最后，还可在仿真分析云图显示的最大应力处进行局部加强，以求用最小的成本创造较大的收益。