有限元分析在气扳机冲击块设计中的应用(2)

　　4.4.2.施加一个模拟转速到托架上，经求解器求解，可求出发生冲击时扳轴反作用给冲击块的接触力；如果求出的力高于F，则适当降低模拟转速；如果求出的力值低于F，则适当提高模拟转速；直至求出的力值与F接近；表四是多次模拟的结果。
　　经试算，当模拟转速等于3700RPM时，冲击块受到扳轴的反作用力与F接近；
　　为了确保给托架施加模拟转速时，与真实的情况比较接近，还需要定义托架在0.1s的时间内被加载到3700RPM。
　　4.5.输出与LS-Dyna软件接口的K文件
　　由于此例只关心碰撞时刻的应力以及瞬间碰撞力，为降低计算规模可设定0.2s作为完整计算时间。在Hypermesh中输出与求解器接口的K文件。
　　5.有限元的求解和后处理
　　5.1.将Hypermesh中的K文件导入到LS-Dyna中求解
　　选择Ls-Dyna作为求解器，在LS-Dyna软件中读入专用的记录了冲击机构单元、边界条件等信息的K文件，根据控制命令进行运算求解生成结果文件
　　5.2.有限元模型的后处理，查看应力云图、接触力
　　在Hypermesh中读入求解结果文件d3plot和d3thdt），经后处理查看结果。
　　图5-1（初始方案：发生冲击时，冲击块的应力云图）
　　图5-1是发生冲击时，冲击块的应力云图，由图可知初始方案的冲击块应力最大的位置在R1.85、R25.5圆弧处，最大应力558MPa。
　　图5-2（初始方案：发生冲击时，冲击块的接触力时间历程图）
　　图5-2是发生冲击时，冲击块的接触力时间历程图，由图可知发生冲击时，冲击块收到扳轴的最大反作用力F=26800N；（就是前面试运算的力值）。
　　根据初始方案中R冲=9.3mm，可以推算出初始方案中的CAE模拟输出扭距
　　M=26800*9.3*2/1000=498N.m与在动态扭距测试仪上测试的动态扭距一致。
　　6.方案优化及对结果的影响
　　根据初始方案的冲击块应力云图，结合设计经验，优化了冲击块的内腔形状R25.5、R1.85处，形成了方案一，见图（6-1），R0.7增大到R1.2，R1.85增大到2.9，R25.5增大到R26.8；R1.85的中心距从29.5调整到29.8；R25.5的圆心距中心的距离从27.2调整到28.3。
　　为了增加扭距需要增加冲击块的重量，图（6-2）方案二是在方案一的基础上优化了冲击块的外形轮廓，将冲击块的外圆半径从R24增加到R25，4个圆弧倒角减小到R5，相关外形的角度也做了调整，在Pro/E中测算，方案二中冲击块的重量比初始方案增加11%。
　　图6-1（方案一：优化内腔形状）6-2（方案二：优化外形轮廓）
　　重复前面的有限元分析步骤，经Hypermesh前处理，输入同样的转速3700RPM后，通过LS-Dyna求解，再在Hypermesh中后处理，查看结果。
　　6-3（方案一：冲击块应力云图）6-4（方案二：冲击块应力云图）
　　从图6-3查看，方案一中冲击块的最大应力是399.8MPa，对比初始方案，冲击块的最大应力值下降了28.3%；从图6-4查看，方案二中冲击块的最大应力值是475MPa，对比方案一最大应力增加了18.8%，但仍然比初始方案的最大应力小14.8%。
　　6-5（方案一：冲击块接触力时间历程图）
　　6-6（方案二：冲击块接触力时间历程图）
　　从图6-5查看，方案一冲击块和扳轴冲击时的最大受力F=26150N，由图6-1发生冲击时冲击机构的几何关系可以算出R冲=10.12mm，推算出方案一的CAE模拟输出扭距M=26150*10.12*2/1000=529.2N.m；对比原始方案，经方案一优化后，气扳机输出扭距增加了6.26%。
　　从图6-6查看，查出冲击块和扳轴冲击时的最大受力F=30150N；由于内腔没有变化，R冲不变，可推算出方案二的CAE模拟输出扭距是M=30150N*10.12*2/1000=610N.m；比参考样机的输出扭距低5.8%。
　　7.实验和结果对比
　　按照方案一和方案二，分别加工符合热处理要求的，材料是20CrMnTi的冲击块各2只；，用同一台参考样机，只是更换不同方案的冲击块，其余零件保持不变，在动态扭距测试仪上测试输出扭距峰值，每个方案的气扳机测试10次；结合前期已经测试过的参考样机和原始方案的气扳机的测试结果，对比如下表五。
　　（表五）
　　12345678910平均CAE模拟
　　输出扭距
　　参考样机666686647637662642675632615618648
　　原始方案485542538495472502520478455489498498
　　方案一518542532578592552512558585572554529
　　方案二652632612635618675655638615672640610
　　从实验结果数据分析，实际测得的动态输出扭距与CAE中模拟输出的扭距呈明显相关性，误差5%左右，考虑到实际测试时的气压波动误差，经过有限元优化设计的冲击块方案二能够满足设计要求。

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