msc_patran_dytra_省略_结构件抗冲击强度仿真分析中的应用_程畅

研究与设计
MSC/PAT RAN 、DYT RAN 软件在机电产品结构件
抗冲击强度仿真分析中的应用
程 畅,吕 勇
(四川泛华航空仪表电器厂,四川 雅安 625000)
摘要:应用M SC/PAT RA N 有限元前后处理软件和M SC.DY T RAN 瞬态非线性有限元分析软件,在冲击载荷情况下对继电器及电子组件外壳进行有限元建模与强度分析,了解该结构件动态响应过程,研究其应力分布,验证及优化结构设计。

关键词:PA T RAN ;DYT RA N;有限元;冲击强度
中图分类号:T M 5 文献标识码:A 文章编号:1000-6133(2002)03-0015-03
收稿日期:2002-07-15
1 前 言
机电产品在转型、鉴定及定型时,其抗机械冲击强度的验证传统的方法主要是通过对产品按规范进行冲击试验,然后检验产品是否被破坏来判断,这是一种被动性的事后把关的方法;而对于产品在受到冲击载荷作用时,其结构所受的力为多大?结构应力是否在材料的安全系数内?在多大的应力下结构会破坏?结构的变形有多大?在冲击载荷下的动态响应过程以及应力分布如何?我们根本无法从目前的试验中得到,无法进行定量分析。

随着计算机技术与有限元技术的迅速发展,我们可以利用MSC(The MacNeal-Schw endler Corporation )公司MSC/PA -TRAN 有限元前后处理软件和M SC.DY -TRAN 瞬态非线性有限元分析软件,对在冲击载荷下的机电产品结构件进行有限元建模与强度分析,从而了解结构件在冲击载荷下的动态响应过程,研究其应力分布,并通过设计过程的仿真研究对结构强度进行验证及优化,减少验证试验次数,缩短产品开
发周期,降低开发费用,提高设计质量。

2 冲击强度仿真分析
2.1 产品结构概况
我厂开发的继电器及电子组件产品外形为长方体,尺寸为192mm 143mm 70mm,底部有两个安装支架,产品通过4个 8.4mm 的孔进行安装,产品内部由多个继电器及电子组件集合而成,均采用刚性连接,其外形如图1所示。

对于该产品,其主要受力件为外壳结构,因此在进行抗冲击强度仿真研究中,
我们选择外壳部件来进行。

图1 产品外形图
整个外壳及安装支架由0Cr18Ni10Ti 板料构成,厚度1.2mm,密度7.9 10-9t/mm 3,弹性模量2.15 105
MPa,剪切模量8.1 104MPa,泊松比0.3,屈服应力205MPa 。

2.2 载荷工况
冲击载荷的时间历程曲线为后峰锯齿
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Vol.22 No.3 Electromechanical Co mponents
波,其峰值在垂直方向为196m/s 2,水平方向为196m/s 2,轴向为98m/s 2。

如图2所示,完成一个冲击波所用时间为11ms。

图2 后峰锯齿波冲击载荷
2.3 仿真计算内容及方法
对外壳结构在冲击载荷下的瞬态动力学过程进行数值仿真,得到外壳在整个过程中的应力历程,用于强度分析。

根据外壳三维模型,建立有限元模型,所用工具为MSC/PATRAN,该程序稍后也用于对计算结果进行后处理。

本课题采用的加速度冲击试验模拟分析程序是MSC.DYTRAN,该程序采用的是显式积分求解方法,其运动微分方程为:
M a n +C v n +K d n =F ext n F int
=C v n +K d n 改写为:
M a n =F ext n -F int
n
a n =M -1F resi dual n F residual n =F ex t n -F int
n 其中,F ext n 为外载荷矢量;F int n 为内力矢量;F resi dual n 为剩余力矢量;
C 为结构阻尼矩阵;
K 为结构刚度矩阵;M 为质量矩阵;a n 为加速度在t n 时刻的近似值;v n 为速度在t n 时刻的近似值;d n 为位移在t n 时刻的近似值。

在时间推进上采用中心差分法:
v n+1/2=v n-1/2+a n ( t n+1/2+ t n-1/2)/2
d n+1=d n +v n+1/2 t n+1/2
即假设加速度在一个时间步长内是恒定的。

显式求解法求解大型结构的短时强非线性问题时,具有明显的优越性。

显式积分在采用低精度单元和细密网格的基础上,经过近似处理,可以使系统的质量矩阵不包含
耦合项,不需要进行矩阵分解或求逆,无须求解联立方程组,也不存在收敛问题,计算速度快,程序能够根据其稳定性准则自动控制积分的时间步长的大小,保证时间积分的精度和求解过程的稳定。

应用显式积分时应注意时间步长的选择,其时间步长不能超过临界时间步长。

实用中常以有限单元网格的特征长度L e 除以应力波速C 来近似临界时间步长 t cr 即:
t t c r =(L e /C )min
程序的实际操作方法是将 t cr 乘以一个0到1之间的系数S :
t =S t cr =S (L e /C)min 2.4 分析模型的建立2.4.1 有限元模型
将继电器、电子组件外壳及支架作为板壳结构处理,用四边形单元网格模拟;将产品内部处理为实体单元,采用八节点体单元网格模拟;由于产品安装在刚性台面上,台面本身刚度很大,可以不考虑其变形等因素,数值模拟中忽略平台本身的弹性变形,同样采用四边形单元网格。

在网格划分时应注意各部分有限元网格之间的协调:内部填充物及电子组件与外壳紧密结合,在整个冲击过程中可以保证不与外壳分离,所以该体元与外壳板元重合处可共用节点且网格协调;外壳与安装支架焊接,焊接强度达到300MPa,接近材料本身强度,同样在焊接部位共用节点网格协调;对于安装支架四个安装孔的网格处理,孔与平台上相应的孔在孔边网格协调并共用节点,以简化螺钉安装的模拟,起到对安装孔圆周约束的作用。

网格见图3,共有23981个节点,26968单元。

2.4.2 载荷及边界条件定义
通过表格函数输入一个后峰锯齿冲击波,完成锯齿冲击波的定义。

一个完整的后峰锯齿波持续时间为
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图3 有限元网格
11ms,因为响应峰值的出现不一定与载荷同步,所以在分析的时候将时间延长一些,将其定义为23ms 。

只对刚性平台旋转方向三个自由度进行约束。

2.5 仿真计算结果及验证
经过数值仿真计算后,得出在冲击载荷下继电器与电子组件外壳上的等效应力分布如图4、图5:
等效应力EFFST-IN max 27.3M Pa
等效应力E FFST-OUT ma x 25.6
MPa
图4 EFF ST -IN
从应力分布可以看出:外壳最大的应力位于安装孔处及外壳底部中心处,最大等效
应力为(内层)27.3M Pa 。

0Cr18Ni10Ti 的屈服强度为 0.2 205MPa;抗拉强度 b 520MPa;考虑到疲劳的因素,材料可以承
受的最大拉力应不超过屈服强度的一半,即
图5
EFFST -OU T
102.5MPa,而计算出的等效应力最大为27.3M Pa,远远小于屈服强度,说明该结构设计完全满足承受冲击载荷的强度要求。

根据设计资料制作的产品实物在冲击台上进行冲击试验后,未发现破坏情况,说明设计是成功的。

3 结束语
通过MSC/PATRAN 有限元前后处理软件和M SC.DYTRAN 瞬态非线性有限元分析软件,对继电器及电子组件外壳的抗冲击强度进行数值仿真,可全面掌握外壳的应力分布情况,减少失误,缩短产品开发周期,提升产品设计水平。

同时以MSC/PATRAN 作为一个并行框架式有限元前后处理系统,结合DY -TRAN 分析软件所具备的优秀的显式积分算法、流固耦合算法及多种材料模式,还可广泛应用于如高速撞击、爆炸、接触摩擦等非线性瞬态问题以及流体-固体结构耦合等问题的有限元仿真分析。

参考文献:
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[2] M SC PAT RAN8.5User s M anual[M ] M SC Soft -ware,1999
[3] 岑军健主编 新编非标准设备设计手册[M ] 北
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