應用有限元分析軟件進行優化改進的方法在工程研發中的優勢日益明顯。針對工程中的零件失效等問題，如何分析原因，在軟件中抽象得到簡化模型，設定合理的邊界條件及約束，得到具有可參考性的優化結果，最終達到解決實際問題的目的。

　　本文通過對失效零件的結構斷裂問題進行研究分析，在實際設計空間以及成本的限制條件下，探尋合理的優化結構，找到工程中易實現、較經濟的解決方案。

　　一、問題的提出

　　在新產品的研發中，對結構的可靠性需要進行批量的壽命測試。對如圖1所示的零件進行批量的壽命測試中，在百分之一概率的樣品中，凸起柱狀結構a處出現了斷裂現象，導致全套機構功能失效。圖2為零件失效結構斷裂狀態。

　　分析此結構的工作狀態，如圖3所示，柱狀結構表面受到金屬零件周期性的壓力F，壓力F的大小可以通過測力計得到。在實際的使用操作中，柱狀結構a處還要受到小幅沖擊力以及工作狀態中的環境溫度與濕度影響。在針對問題的分析中，結合工程經驗得出壓力F是導致斷裂的主要影響因素，為此可以簡化條件，根據主要原因得到抽象分析模型(見圖4)，然后進行Nastran分析。

　　二、基于有限元Nastran分析與優化

　　1.結構應力集中分析

　　應用有限元分析軟件Nastran的分析流程，首先對模型簡化，進行現有結構的應力變形分析，找到造成斷裂的結構應力集中位置，然后進行下一步的結構優化。

　　定義材料屬性，用3D mesh 10節點單元對非規則性的模型進行網格劃分，為了保證計算的準確與精度，進行局部的網格細化。設定合理的邊界條件，對實際狀態分析后施加有效均布載荷F ;選擇結構靜態線性求解器進行求解，抓住主要因素快速找到問題所在。在實際情況下造成斷裂有多種因素，若用非線性求解器則會造成計算的復雜性，難以快速找到解決方案。如圖5所示為網格劃分結果及設定施加載荷位置示意;圖6為應力集中的分析結果。由分析結果可知，柱狀結構中1區位置處存在應力集中，需要針對受力的狀況進行結構上的加強，同時確保柱狀結構周邊其他零件的運動不受影響。

　　2.基于工程應用的結構優化

　　首先確定工程條件下可優化的區域。對結構的優化必須保證不干涉到機構零件的正常運動，在實際可允許的范圍內進行結構的改善。本文中要測量工作狀態下運動機構(見圖7) 需要的區域，從而找到可進行結構優化的區域，僅能在此限定范圍內進行結構的優化。在模型中標示出圖7優化區域的水平方向，圖8為高度h方向上不干擾機構運動的限定范圍。

　　其次確定可實現的優化目標。在確保柱狀結構不斷裂的強度要求下，盡量減少改變的結構，不但能減少模具改動的工作量與費用，而且節約原材料。

　　根據力學基本理論，在施力面相同的條件下，施加載荷與應力成正比。通過實驗測試，失效樣品中柱狀結構能承受的平均壓力為9N，大于此壓力，結構的應力增大，斷裂發生的機率增大。

　　在實際工作條件下，經測試此柱狀結構需要承受12～13N 的平均壓力，所以超過其所能承受的應力極限會發生斷裂。這需要通過結構的改善來降低應力提高結構的強度，當施加載荷13N時，保證應力在極限范圍內，就可以達到結構強度要求。計算載荷為9N條件下的應力分布，如圖6所示，此計算結果5.858MPa為優化的極限應力目標值，即優化后的結構應力需接近目標值。

　　再次確定結構優化的思路，以理論為基礎、工程經驗為指導進行結構的改進。#p#分頁標題#e#

　　根據材料力學理論，，在載荷施加狀態不變的情況下，增大抗彎截面模量可以降低應力。分析柱狀結構截面，使中性軸的位置偏近施力點，可增大抗彎截面模量;增加底部厚度，減小應力集中。具體結構尺寸的優化可通過軟件計算，比較各種不同分析結果后得到較為優化的方案。

　　在載荷為13N的條件下，對結構進行優化，計算得到其應力分布結果。如圖9所示，當載荷從9N增加到13N的情況下，原有應力集中區的應力值減小為3.717MPa。

　　如圖10所示，通過結構的優化，消除了局部大應力集中存在的現狀，最大應力區在載荷增加30%的情況下，應力值略小于優化目標值，為5.835MPa。說明結構強度有較大的增強，優化后結構可承受現有工作條件下的載荷。

　　對優化結果進行比較，由圖11給出了優化前后的最大應力值以及原應力集中區的應力值變化比較，對應于圖9與圖10 中的2區和3區，在載荷從優化前的9N增大到優化后的13N、載荷增加30%的情況下，最大應力值略有降低，局部應力集中現象得到明顯改善(見圖11中2區曲線)。通過對結構的優化，使得初始結構應力集中區的應力降低了36.5%(見圖11中3區曲線)。優化后結構的承載能力增強，零件的可靠性提高。模型確定的最終優化形狀，如圖12所示。

　　三、基于優化方案的樣件測試與比較

　　根據方案優化的結果對模具進行改進，試制樣品零件，如圖13所示。進行批量壽命測試，優化后的凸起柱狀結構無斷裂現象，100%合格。通過優化結構，有效增強結構可靠性。

　　四、結束語

　　本文就工程中出現的零件結構失效問題，給出了一種基于有限元分析軟件Nastran輔助解決問題的思路與方法。以力學理論及工程經驗為基礎，運用NX-Nastran對零件失效結構進行分析并優化;找到一種較優的方案去指導實際制造中的模具改進，制得樣件進行相關測試，解決了零件結構的失效問題，提高了零件結構的可靠性，降低了模具修改的費用，縮短了時間，同時也驗證了軟件分析的正確性。在一定程度上降低了研發成本，加快了產品開發的進程，對解決工程應用的類似問題具有一定參考價值。