非线性仿真技术在零件结构大变形设计中的应用
作者：赵芳 13581960496
单位：北京西门子西伯乐斯电子有限公司， 北京
摘要：通过零件本身变形来实现零件之间的连接在产品设计中使用非常普遍广泛，变形 的关键在于材料特性，零件本身结构及使其变形的约束条件。本文利用NX
高级仿真中的[SOL601,106 Advanced Nonlinear
Statics]结构非线性静态分析模块，对零件受力发生塑性变形进行仿真分析，对零件结构 和设计参数进行了改进，并为确定合理的压接工艺提供依据。
关键词：非线性仿真，SOL601,106，塑性变形 引文：
通过零件自身的变形产生装配连接的方式，在实际的结构装配中广泛使用，由于无需添 加额外装配件，只需要在装配时使其发生塑性变形或弹性变形产生挂台，便可以实现连 接，例如常见的塑料件卡扣连接等，不仅节省了物料，同时也大大降低了物流和装配费 用，成本低廉。特别是在结构安装的空间和方向上受限的时候，由于结构简洁便于控制
，优势尤为明显。
连接器设计的关键问题在于材料的选择，变形结构的设计及工艺的确定。引入仿真之前
，这些验证需要投入多种的试验，实验设备，物料准备和试验时间大大限制了产品设计 时间。本文以实际工作中采用仿真方法来替代实验验证，并对设计做出优化，得到了满 意的效果。
正文：
案例所示的金属连接器，结构如图1a所示，压接变形为图1b，理论设计的最大位移为2m m，在外力作用下，连接器的应力超过材料的屈服极限而未到强度极限，此时的零件发 生塑性变形，产生挂台，从而起到连接的作用。
图1a 图1b
在此过程中，材料发生了塑性变形，几何形状发生了大变形，新的接触面也产生，属于 非线性大位移大变形问题。对此问题的仿真，本文采用了NX 高级仿真中的[SOL601,106 Advanced Nonlinear
Statics]结构非线性静态分析模块，主要解决的问题是校验设计合理性，确定生产工艺。
整个验证过程一共进行了三组仿真，一是连接器变形导向的仿真，包括形状及公差；二 是压接工艺的设计仿真；三是校核整个零件变形后的几何形状。
2 1. 材料的选择
此连接器为金属材料，利用其塑性变形，需超过材料的屈服极限并且在强度极限以内。
材料的特性曲线要通过拉伸试验获得，图2
展示了某些材料的特性曲线。在材料价格和加工难度相当的情况下，为生产过程的裕度 考虑，应选择如材料3的特性，在屈服极限和强度极限间有一定的范围。本案例中着重对 材料1和材料3做了研究，材料1的材料成本低，材料3对设计的要求低。
图2 材料应力应变曲线 2.1 连接器变形导向的设计
对连接器的变形部位要做导向设计以保证零件压接的成功率，验证设计除了理想尺寸，
同时需给出设计参数的敏感程度分析，以便于公差的设计。由于非线性分析的计算时间 和计算机存储量都非常大，在做变形导向的仿真时提取变形段做为分析对象。设定边界 条件为固定下表面，载荷为2mm竖直方向的强制位移，1S内完成，时间步长为0.02S，设 定接触条件、时间参数，并设定非线性分析的参数。可以通过应力应变分布检查连接器 的强度，提取上表面的反作用力作为压接工装的工艺设计依据。
图3 选择变形部分作为分析对象
分析敏感因素首先要识别敏感因子，此案例的变量识别为导角R1、
R2，导向角R3的对称度，尺寸长度L1 、L2和直径D1、
D2，如图3所示。这些因素组合出了多个仿真方案，参数值见表1。
表1. 仿真方案设定
Sim.Nr. D1 D2 L1 L2 R1 R2 S1 Angle
Wall
thickness Material
Sim.01 31.95 31.15 0.16 2.2 0.05 0.07 0 0.24 0.4 Material3
Sim.02 32.05 31.05 0.1 2.2 0.05 0.07 0 0.4 0.5 Material3
Sim.03 31.95 31.15 0.16 2.2 0.04 0.01 0 0.24 0.4 Material3
Sim.04 32.05 31.05 0.1 2.2 0.1 0.09 0 0.4 0.5 Material3
Sim.05 32.05 31.05 0.1 2.25 0.1 0.09 0 0.4 0.5 Material3
Sim.06 32.05 31.05 0.1 2.15 0.1 0.09 0 0.4 0.5 Material3
Sim.07 32.05 31.05 0.16 2.2 0.05 0.07 0 0.34 0.5 Material3
Sim.08 31.95 31.15 0.1 2.2 0.05 0.07 0 0.3 0.4 Material3
Sim.09 32.05 31.05 0.1 2.2 0.05 0.07 0.025 0.4 0.5 Material3
Sim.10 31.95 31.15 0.14 2.2 0.05 0.07 0 0.26 0.4 Material3
Sim.11 32.05 31.1 0.08 2.2 0.05 0.07 0 0.395 0.475 Material3
Sim.12 31.95 31.15 0.14 2.2 0.05 0.07 0 0.26 0.4 Material1
Sim.13 32.05 31.1 0.08 2.2 0.05 0.07 0 0.395 0.475 Material1
仿真结果显示，在这些公差范围内，应力应变均未超过强度极限。而敏感系数表现各不 相同：
1） R2在一定范围内几乎无影响。
2） R1对变形部位应力应变分布非常敏感，R1的增大会使整体应力增大。对反作用 力无影响。
3） L2增加可以降低变形部位应力，对反作用力无影响。
4） L1增大对应力分布有影响，由于结构强度的变化，会导致发生塑性变形需要的力 减小。
5） S1对应力分布稍有影响，但是并不大，对反作用力无影响。
6） D1和D2的尺寸主要影响圆环壁厚，对应力分布有一定影响，是影响反作用力的 敏感因素。
7） D1,D2和L1的共同作用表现在最小壁厚处，最小壁厚会影响零件产生塑性变形需 要的力，壁厚会影响变形到位时需要的力。
8） 材料不同，应力应变曲线不同，应力应变的分布和相应的反作用力都影响比较大
。
由此可得出，对案例所设计的零件，需要尽量减小R1的值，L2的尺寸会取上差，对壁厚 和最小壁厚也会适当控制，并有他们的值来确定压接所需的力。
表二 影响因素仿真结果
1) R2影响 Sim.01 R2=0.07 Sim.03 R2=0.01
4 2) R1影响 Sim.02 R1=0.05 Sim.04 R1=0.1
3) L2 影响 Sim.04 L2=2.2 Sim.05 L2=2.25
4) L1 影响 Sim.02 L1=0.1 Sim.07 L1=0.16
5) S1影响 Sim.02 S1=0 Sim.09 S1=0.025
6) Wall thickness 影响
Sim.01 Wall thickness =0.4 Sim.07 wall thickness =0.5
7）最小壁厚 处的影响
Sim.07 min.wall thickness =0.34 Sim.08 min.wall thickness =0.3
8) 材料影响 Sim.11 Material3 Sim.13 Material1
图4 仿真方案的反作用力结果 2.2 压接工艺的设计
根据确定的尺寸，选取最大圆环壁厚的模型为对象，仿真模型如图5。支撑圆台和气缸头 简化为两个刚体，连接器由工作台支撑，气缸头提供竖直方向的推力，行程为2mm，作 用在连接器上表面。接触的表面共有三对，定义局部接触为高级非线性，不同的材料根 据需要设定不同的摩擦系数。
2.2.1 气缸推力的设计
6 图5 压接工艺仿真模型
提取气缸头上表面的反作用力即为需要的气缸出力，可以得出，材料3时，当前几何设计 下发生塑性变形所需的力约为2600kg，变形到位的力约为3000kg，因此设计气缸的推力 应以3000kg来设计。 跟理论计算的数值是有差别的，在工艺验证时也证明了这一点。
图6 反作用力与位移的仿真结果
2.2.2 定位工装的设计
在压接测试时，对零件的约束也是影响条件之一，在2.2.1的工艺设计中，仅仅做接触表 面的接触设置，对材料3是足够的，对材料1却不行。实际生产过程中的一种失效就是材 料引起的，对于材料1的状态，则需要额外的约束或者设计去引导变形。
Material 3 Material 1
图7 材料3和材料1的应变分布 通过设计引导变形的方法之一如图8
所示，在导向槽的上根部加沟槽，减小上根部的结构强度，也得到了比较好的效果。
图8 通过加沟槽引导变形 2.3 零件变形后的几何形状验证
2.1和2.2的仿真中，边界条件和载荷的设置不同。2.1是为了验证变形导向部位的设计，
对变形部位的上下表面做了约束。2.2是对真实工艺过程的仿真，对工作台和气缸做了约 束，接触面做了接触设置。因此，还需要对工艺过程下、连接器变形的形状做校核。对几 何形状的验证无需提取反作用力，采用轴对称模型做截面的仿真只需十分钟即可完成 一个算例，大大减小了运行时间。图9列举了材料1时，增加了沟槽引导的情况下，不同 的尺寸参数值压接完毕的几何形状。
Sim. Nr. D1 D2 L1 L2 L3 S1 N Result
1 31.97 31.10 0.14 2.20 0.12 0.000 0.40
2 31.97 31.10 0.14 2.20 0.12 0.000 0.20
3 32.03 31.10 0.14 2.20 0.08 0.000 0.40
4 31.97 31.10 0.18 2.20 0.12 0.000 0.40
5 32.03 31.10 0.18 2.20 0.08 0.000 0.40
6 31.97 31.10 0.14 2.20 0.12 0.000 0.20
7 32.03 31.10 0.14 2.20 0.08 0.000 0.20
8 31.97 31.10 0.18 2.20 0.12 0.000 0.20
9 32.03 31.10 0.18 2.20 0.08 0.000 0.20
10 31.97 31.15 0.14 2.15 0.12 0.000 0.400
11 32.03 31.15 0.18 2.25 0.08 0.000 0.400
8
12 32.03 31.15 0.18 2.25 0.12 0.000 0.400
13 32.03 31.15 0.14 2.15 0.12 0.025 0.400
14 31.97 31.15 0.18 2.25 0.12 0.025 0.400
15 32.03 31.15 0.14 2.15 0.12 -0.025 0.400
16 31.97 31.15 0.18 2.25 0.12 -0.025 0.400
17 32.00 31.125 0.16 2.20 0.09 0.000 0.280
18 32.00 31.125 0.16 2.20 0.09 0.000 0.380
图9 零件压接完毕的几何形状
可以看出，增加的沟槽引导对压接完毕的几何尺寸影响比较大，会导致压台非对称的情 况，明显的上翘是由于沟槽偏大，上根部强度不够，而明显的下翘是由于上根部的强度 偏大造成的。上根部和下根部的强度是相对的，这不仅是对引导沟槽的机加精度要求提 高，对其他尺寸的公差要求也同样的提高了。
3. 结论
本文以一个金属连接器为案例，通过3组不同形式的仿真，分析了结构设计中的敏感尺 寸参数，验证了最佳压接工艺参数，校核了最终的零件状态。综合分析机加精度、工艺 要求和材料成本，最终确定了采用材料3，给出了最经济的公差设计，并且大大缩减了用 实际试验进行工艺验证的时间和费用。所采用的设计通过了实验验证，效果良，可以推 广应用，以辅助此类零件的设计。
