天津航空机电有限公司天津300308
摘要:以某机载探测器为例,在有限元建模的基础上,应用MSC.Nastran对其断裂模型进行仿真分析,通过修正模型找到弯管的薄弱位置及断裂原因。通过优化设计仿真验证,在不需要物理样机的基础上找到了满足产品要求的改进方案。
关键词:有限元,振动,MSC.Nastran,优化设计
引言
某机载探测器产品进行例行试验时,在Y方向振动试验后,检查产品弯管与电极心柱焊接处,发现弯管断裂,断裂具体情况如图1所示。本文通过有限元分析对其结构进行仿真,找出断裂原因并优化产品结构。
图2结构示意图管
首先对弯管的化学成分及力学性能进行分析,排除了材料化学成分或性能不达标的因素,从产品结构本身寻找断裂原因。
电极心柱与弯管接触处外径尺寸为,弯管内径尺寸为,为间隙配合,实际由于弯管进行加工弯形时容易发生轻微变形,为保证弯管与电极心柱的连接,弯管在电极心柱焊接连接处进行绞孔,因此仿真模型接触位置电极心柱外径为Φ9.98mm,弯管内径为Φ10.1mm,外径为Φ11.5mm。此仿真模型中,只有弯管的端面与电极心柱端面接触,表示焊接,圆柱面为间隙配合。
产品固定在振动台上,采用HB5830.5中正弦扫描振动试验,在104Hz~2000Hz振动量值为20g,仿真结果显示产品的一阶共振频率为113.15Hz,在该频率点引起共振,对产品产生不利影响。
电极心柱和弯管的受力分别为349MPa和344MPa。
分别取电极心柱窗口(红色)、弯管接触面(蓝色)受力较大位置处的点,列出在104Hz-500Hz扫频下,两点的受力值曲线如图3所示。在113.15Hz时,应力达到最大值。
图3电极心柱和弯管受力曲线图
2仿真模型修正
考虑实际加工过程中,弯管材料进行弯形加工时会发生轻微变形,弯管材料壁厚不均匀,再加上弯管焊接处进行铰孔加剧了壁厚不均匀的趋势,形成弯管焊接接口处偏心、单侧变薄,造成弯管机械强度下降,产品振动时弯管断裂。故仿真模型修正主要考虑绞孔和偏心两种方案。
2.1弯管绞孔加工
由于加工制造缺陷及绞孔处理,实际产品接触面不能达到厚度为0.7mm的环形面接触,对其模型处理为距离接触面15mm处内径Φ10.4mm,弯管重量变化可以忽略,弯管接触面积变小,受力相应增大。电极心柱和弯管的受力分别为395MPa和425MPa。
2.2弯管不均匀壁厚
实测弯管的厚度分别为0.58mm-0.72mm不等,其中靠电极窗口的同侧相对薄,窗口对面相对厚。因此均匀壁厚不能复现产品的实际情况,故采用偏心结构,偏心0.2mm,上壁厚0.5mm,下壁厚0.7mm。弯管重量变化可以忽略,弯管接触面积略变小,受力相应增大。电极心柱和弯管的受力分别为362MPa和378MPa,应力集中在偏心切口位置处。
3改进方案
根据仿真结果显示,弯管绞孔加工或者材料壁厚不均,最大受力部位都在弯管薄壁焊接位置,且焊接处高温容易造成材料晶粒粗大,机械性能下降。故改进方案采取增加壁厚,或者采用弯管与电极心柱过盈配合,使应力集中位置远离焊接点。
3.1增加壁厚
由于弯管薄壁位置发生断裂,考虑采取厚度变化的方式改进产品。增加弯管外径为12mm,电极心柱和弯管的受力分别为501MPa和354MPa,弯管外径增大,重量增加,电极心柱受力相应增加,但是弯管受力情况几乎不变,因此,单纯采用增加壁厚不能有效解决弯管断裂的问题。
3.2过盈配合
由于弯管与电极心柱配合存在间隙,电极心柱插入弯管的部分支撑作用就大大减弱,产品振动时作用力大部分都作用在弯管与电极心柱的焊接处。增加电极心柱与弯管连接处直径,使电极心柱与弯管过盈配合,电极心柱和弯管的受力分别为378MPa和322MPa,
图4紧配合产品受力云图
由图4所示,配合关系改为过盈配合,最大受力位置相对向弯管尾部移动。
由金属所材料试验结果显示,弯管根部与电极心柱焊接位置,由于受高温影响,晶粒粗大,材料机械性能下降,远离焊接位置处,材料性能相对稳定,可以有效改进产品振动性能。
4试验验证
以壁厚均匀且无铰孔的弯管与产品电极心柱紧配合后焊接,此产品重新进行安装并做扫频振动试验,产品无破坏裂纹产生,证明仿真提出改进措施有效
参考文献
[1]田利思,李相辉,等.MSCNastran动力分析指南[M].北京:中国水利水电出版社,2012.3
[2]唐心春,张才文.模态分析在航天电子产品结构设计中的应用[J].现代商贸工业,2010(9):307-309.