鈑金橫梁設計的分析與優化

文 陳勁松 湖南長高成套電器有限公司

隨著科學進步速度的日益加快，特別是計算機技術的高速發展，設計領域相繼出現了一系列新興理論與方法，這些新興的理論與方法通稱為現代設計方法?，F代設計方法包括：計算機輔助設計技術、可信性設計、設計試驗技術等。本文將以計算機輔助設計為基礎，應用有限元法對設備中關鍵受力橫梁進行可行性分析與優化設計。

提出問題

鈑金件設計中通常會遇到承載問題，如電氣設備中互感器、絕緣件、銅排安裝等。以此為切入點，假設某物質重量為50kg，安裝長度為600mm，寬度為50mm，不考慮安裝環境設計橫梁截面。在此，列出幾種橫梁的截面形狀，如圖1 所示。

圖1 橫梁截面形狀

試驗方法

采用控制變量的試驗思想。

⑴建立有限元模型：控制橫梁長寬尺寸為800mm×50mm、材料選用厚度為2mm 的AISI 304，相似橫梁截面高度盡量保持一致；同時建立載荷模型，重量50kg。

⑵設置邊界條件：橫梁兩側固定，載荷設置為“剛性”，與橫梁正中位置以“接合”方式面接觸，重力加速度9.81m/s2；通過“網格無關性驗證”適配工作電腦性能，在此選擇標準網格，網格大小6mm，公差0.3mm。

結果分析

不同截面形狀橫梁的應力及位移云圖如圖2 所示。

圖2 不同截面形狀橫梁的應力及位移云圖

對比以上運算結果發現，應力及形變最大值均在載荷兩側位置，符合預期發展方向，無“應力奇異”現象，計算結果可以作為分析有效數據。若設定安全系數為2.0，以AISI 304 材料屈服強度206.8MPa 為判定標準，“褶邊形”最大Von Mises 應力為152.7MPa，安全系數S=206.8/152.7=1.35，此值體現物體的安全性，數值越高表明物體越安全，計算褶邊形截面安全系數為1.35，小于設定安全系數2.0，說明此截面安全性較低，不能應用于預設載荷環境。

針對同等長寬規格的“U形、雙折U形、凹形、多折形”截面計算安全系數分別為：18.3、19.4、20.7、21.5，計算值均遠大于設定的安全系數2.0，形變量都在微米級范圍，表明這4 種截面的橫梁都可滿足預設載荷的安裝。

再從工藝難易、成本考慮，得出結論：“U 形”為所列截面中的最佳方案。

優化設計

上述得出“U 形”橫梁雖為最佳截面方案，但此時的安全系數為18.3，遠大于設定系數2.0，存在資源浪費，有很大優化空間。因此設想降低U 形橫梁折邊高度，減少材料用量以達“降本減重”的優化目的。

多個折彎邊長參數經“有限元法”運算結果見表1。

表1 多個折彎邊長參數經“有限元法”運算結果

基于表格數據采用“最小二乘法”進行曲線擬合如圖3 所示。

圖3 折彎邊長—最大應力曲線

分析圖3，折彎邊長在10mm 之后曲線斜率開始較為平滑，20mm 后處于穩定狀態且安全系數均在設定安全數值之上，反映在預設載荷環境中，當邊長超過10mm 后最大應力值隨折彎邊長的變化率呈現減小趨勢。綜上分析，折彎邊長選擇在10mm可滿足安裝載荷要求，取值在15 ～20mm 有較高的性價比，20mm 之后收益較低，因此可選擇15mm 折彎邊長作為橫梁最終設計結果。

最后，還可在仿真分析云圖顯示的最大應力處進行局部加強，以求用最小的成本創造較大的收益。

結束語

在實際工作中，橫梁設計可能不會如文中復雜，更多的是經驗分析，但設計是尋求最優解的過程，在此過程中需要不斷地進行精益分析、求解，因此，只有身為設計者的我們持續學習、提高，掌握先進技術，才能創造出更好的產品。

02

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