彭 強(qiáng)，方慶文

(四川華豐企業(yè)集團(tuán)有限公司，四川綿陽621000)

1 引言

有限元分析(FEA，F(xiàn)inite Element Analysis)是利用數(shù)學(xué)近似的方法對真實(shí)物理系統(tǒng)(幾何和載荷工況)進(jìn)行模擬。還利用簡單而又相互作用的元素(即單元)，就可以用有限數(shù)量的未知量去逼近無限未知量的真實(shí)系統(tǒng)。有限元分析是用較簡單的問題代替復(fù)雜問題后再求解，它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對每一單元假定一個(gè)合適的(較簡單的)近似解，然后推導(dǎo)或求解這個(gè)域總的滿足條件(如結(jié)構(gòu)的平衡條件)，從而得到問題的解。這個(gè)解不是準(zhǔn)確解，而是近似解，因?yàn)閷?shí)際問題被較簡單的問題所代替。由于大多數(shù)實(shí)際問題難以得到準(zhǔn)確解，而有限元不僅計(jì)算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。

本文通過一種連接器端子進(jìn)行有限元分析的過程來展現(xiàn)有限元分析軟件在連接器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。文中分析所使用的軟件，前處理和后處理采用HyperMesh，求解器使用ABAQUS。

本文不把軟件操作作為重點(diǎn)介紹內(nèi)容，僅想通過設(shè)計(jì)過程體現(xiàn)有限元軟件在其中的作用。

2 分析軟件簡介

2.1 HyperMesh

Hypermesh軟件是美國Altair公司的產(chǎn)品，是世界領(lǐng)先的、功能強(qiáng)大的CAE應(yīng)用軟件包，也是一個(gè)創(chuàng)新、開放的企業(yè)級CAE平臺，它集成了設(shè)計(jì)與分析所需的各種工具，具有無與倫比的性能以及高度的開放性、靈活性和友好的用戶界面。

在CAE工程技術(shù)領(lǐng)域，Hypermesh最著名的特點(diǎn)是它所具有的強(qiáng)大的有限元網(wǎng)格劃分前處理功能。一般來說，CAE分析工程師80%的時(shí)間都花費(fèi)在了有限元模型的建立、修改和網(wǎng)格劃分上，而真正的分析求解時(shí)間是消耗在計(jì)算機(jī)工組站上，所以采用一個(gè)功能強(qiáng)大，使用方便靈活，并能夠與眾多CAD系統(tǒng)和有限元求解器進(jìn)行方便的數(shù)據(jù)交換的有限元前后處理工具，對于提高有限元分析工作的質(zhì)量和效率具有十分重要的意義。

HyperMesh是一個(gè)高性能的有限元前后處理器，它能讓CAE分析工程師在高度交互及可視化的環(huán)境下進(jìn)行仿真分析工作。與其他的有限元前后處理器比較，HyperMesh的圖形用戶界面易于學(xué)習(xí)，特別是它支持直接輸入已有的三維CAD幾何模型(UG、Pro/E和CATIA等)已有的有限元模型，并且導(dǎo)入的效率和模型質(zhì)量都很高，可以大大減少很多重復(fù)性的工作，使得CAE分析工程師能夠投入更多的精力和時(shí)間到分析計(jì)算工作上去。同樣，Hypermesh也具有先進(jìn)的后處理功能，可以保證形象地表現(xiàn)各種各樣的復(fù)雜的仿真結(jié)果，如云圖、曲線標(biāo)和動(dòng)畫等。

圖1 HyperMesh軟件截圖

2.2 ABAQUS

ABAQUS是一套功能強(qiáng)大的工程模擬的有限元軟件，其解決問題的范圍從相對簡單的線性分析到許多復(fù)雜的非線性問題。ABAQUS有兩個(gè)主求解器模塊－ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit。ABAQUS還包含一個(gè)全面支持求解器的圖形用戶界面，即人機(jī)交互前后處理模塊 －ABAQUS/CAE。ABAQUS對某些特殊問題還提供了專用模塊來加以解決。

ABAQUS被廣泛認(rèn)為是功能最強(qiáng)的有限元軟件，可以分析復(fù)雜的固體力學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)系統(tǒng)，特別是能夠駕馭非常龐大復(fù)雜的問題和模擬高度非線性問題。ABAQUS不但可以做單一零件的力學(xué)和多物理場的分析，同時(shí)還可以做系統(tǒng)級的分析和研究。ABAQUS系統(tǒng)級分析的特點(diǎn)相對于其他的分析軟件來說是獨(dú)一無二的。由于ABAQUS優(yōu)秀的分析能力和模擬復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性使得ABAQUS被各國的工業(yè)和研究中所廣泛采用。ABAQUS產(chǎn)品在大量的高科技產(chǎn)品研究中都發(fā)揮著巨大的作用。

圖2 ABAQUS軟件截圖

3 應(yīng)用案例

3.1 產(chǎn)品簡述

本文選用一款為Work Station開發(fā)的CPU插座作為范例，端子數(shù)量989只，端子間距1×1mm，連接器外形尺寸為42.7×35×3mm。連接器外形圖和端子結(jié)構(gòu)如下:

圖3 連接器外形

圖4 端子

圖5 端子與CPU插針配合示意

CPU插針?biāo)椒较蛞苿?dòng)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通與斷開，插針直徑0.305mm，如圖5。根據(jù)產(chǎn)品實(shí)際尺寸，端子的初始設(shè)計(jì)材料厚度為0.06mm。

圖6 端子與手指的大小比較

3.2 分析過程

在有限元分析中，模型的網(wǎng)格化是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，網(wǎng)格質(zhì)量直接影響到仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。HyperMesh在網(wǎng)格化上提供了一個(gè)非常便捷的方式。圖7為端子網(wǎng)格化結(jié)果。經(jīng)過前處理的模型(網(wǎng)格化、賦予邊界條件、運(yùn)動(dòng)條件等)，就可以提交ABAQUS進(jìn)行運(yùn)算。運(yùn)算后的結(jié)果在HyperMesh中進(jìn)行后處理。

圖7 前處理模型

圖8 后處理(應(yīng)力分布云圖)

圖9 后處理(變形比較)

通過后處理，我們還可以模擬以下內(nèi)容:

a.不同材料間的正壓力或插拔力比較;

b.最差情況下(worse case)的正壓力比較;

c.永久變形;

d.最差情況下(worse case)的永久變形;

e.零件間干涉模擬。

3.2.1 不同材料間的性能比較

圖8說明:三種材料的正壓力同步比較(Y軸)，同時(shí)顯示各種材料的永久變形值(X軸)。本圖可以了解不同材料間正壓力和永久變形的具體數(shù)值，從圖中可以看出在相同的變形幅度下，C7035TM06和NKC388 SH的正壓力最大，可以達(dá)到0.29N左右，NKC388 SH的永久變形最小，約0.02mm 左右。

圖8 不同材料間的正壓力比較

3.2.2 最差情況下的應(yīng)力應(yīng)變分析

3.2.1 的分析是基于所有零件處于理想位置下的結(jié)果，在實(shí)際使用中考慮加工和組裝誤差，真實(shí)的狀態(tài)幾乎都不可能是理想狀態(tài)，所以必須考慮最差情況下的受力情況。圖9表示只有單臂接觸下的受力情況云圖，第一步圓針以理想位置插入，第二步偏移插入。圖10是在該受力狀態(tài)下端子的正壓力和插入力的分析結(jié)果。圖11是在不同的偏移量的條件下的端子正壓力結(jié)果。

圖9 最差情況下應(yīng)力分布

3.2.3 最差情況下的應(yīng)力應(yīng)變分析

3.2.2 的分析是在圓針首先以理想位置插入，第二步以最差位置插入后的應(yīng)力應(yīng)變情況，也可以首先以最差位置插入，再以理想位置插入的方式進(jìn)行分析。圖12顯示的是受力云圖，圖13是端子在最差情況下插入后再以支持位置插入時(shí)的正壓力和插入力結(jié)果。

圖10 最差情況下應(yīng)力分析

圖11 最差情況下的正壓力比較(不同偏移量)

圖12 最差情況后的應(yīng)力云圖

圖13 最差情況后的插入力和正壓力

3.2.4 零件間的干涉仿真

使用FEA軟件還可以模擬組裝環(huán)境下各零件之間是否有干涉情況以便改善設(shè)計(jì)。在一般的三維設(shè)計(jì)軟件中我們也可以用改變折彎半徑的方式來模擬零件的變形情況，但這和實(shí)際的零件變形還是有所不同，而FEA軟件可以非常接近設(shè)計(jì)的變形狀態(tài)。圖12顯示的是在最差狀態(tài)下端子與基座的干涉情況。

3.3 設(shè)計(jì)優(yōu)化

在最初的端子設(shè)計(jì)中，從性能和可制造性等方面考慮，提出了各種不同的設(shè)計(jì)方案，如下圖。

圖12 干涉模擬

圖13 方案設(shè)計(jì)

表1 關(guān)鍵參數(shù)比較

從比較結(jié)果來看，TypeA、TypeC均符合設(shè)計(jì)要求，在進(jìn)一步分析比較這兩種結(jié)構(gòu)的工藝性以后，最終選擇了Type C。

4 結(jié)束語

有限元分析可以提供連接器設(shè)計(jì)中所關(guān)注的結(jié)果，并能通過這些結(jié)果優(yōu)化設(shè)計(jì)。比如在上面的案例中，根據(jù)設(shè)計(jì)輸入的要求達(dá)到以下目的:

a.根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變曲線選擇合適的零件結(jié)構(gòu);

b.選擇適當(dāng)?shù)牟牧稀＜催_(dá)到功能的要求，不會產(chǎn)生性能過剩，達(dá)到控制成本的目的;

c.模擬產(chǎn)品實(shí)際工作中的狀態(tài)，降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn);

d.縮短設(shè)計(jì)開發(fā)周期，滿足市場需求。

本文內(nèi)容僅僅為有限元分析中應(yīng)力應(yīng)變方面的使用情況的描述。實(shí)際上，我們在設(shè)計(jì)中還關(guān)注疲勞壽命、發(fā)熱、振動(dòng)沖擊等方面的影響，運(yùn)用有限元分析軟件同樣能解決這些方面的問題。