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摘要：在电子类产品的结构设计中，常常采用钣金构架类的配件，作为特定的防护支撑。通过对这种零件的优化设计，可以促进轻量化层级的升高，并增加这一结构原初的强度和刚度。因此，有必要借用有限元分析这样的模拟方法，合适的钣金结构件；在这样的基础上，周期内的构件优化，提供适当的参考。这就降低了研发费用，缩减了设计周期。
关键词：钣金结构件；变形；有限元
引言：钣金零件是采用金属薄板经过冲压、弯曲、拉伸等工艺加工成型的结构件，在电子产品的结构设计中有着非常广泛的应用。常常作为机柜、插箱、支架、控制台以及面板、托架等，是安装、承载、保护电子、电气模块的载体。通过对其结构的优化设计，可以在轻量化、低成本的基础上实现较高的强度和刚度。而有限元分析方法提供了对复杂结构力学响应分析的可靠手段，可以在产品的设计阶段对结构的承载能力进行分析和预测，为结构优化设计提供依据。有限元分析是利用数学逼近的方法对实际物理系统（几何和载荷工况）进行模拟的一种有效方法。
本文采用通用有限元分析软件ANSYS对某公司大型电子产品的罩盖支架的变形问题进行了具体分析，该支架是采用金属薄板折弯与冲压工艺成型，属于比较典型的钣金结构件。
1、钣金件应力集中分析
1.1 钣金件概述
钣金件是一种具有显著优势的金属元件，主要采用钣金冲压的生产方式生产而成，在社会各领域都有广泛的应用，包括航空航天领域、通信领域、电子电器领域、医疗器械领域、汽车工业领域等。钣金件最显著的优势由以下几个方面构成，分别是制作成本低、强度高、重量轻，由于钣金冲压的制作方法已经具有了悠久的发展历史，因此钣金件制作的工艺流程也相对比较成熟，不仅能够满足各项产品的性能需求，还能够满足产品的外观设计需求。钣金件的冲压加工方式是一种具有综合性特征的冷作加工方式，主要用到的加工方式有焊接、拼接、冲切复合、铆接等。
1.2 钣金件应力集中概述
应力集中属于弹性力学中的概念和内容，指的是某物体的局部存在着应力增高的现象，从而导致物体的刚度受到影响，导致物体局部变得脆弱，而发生变形和位移。这一现象主要是存在于高刚性的物质中，钣金件是一种刚度较强的元件，因此存在应力集中这一现象，主要表现为钣金件应力集中位置会发生静载断裂。当钣金件发生应力集中现象时，应力点的应力会逐渐增强，而应力点的间距会逐渐减小，这时钣金件的形状就会发生改变。为了增加钣金件的刚度和强度，在设计的过程中，需要对钣金件的应力集中现象进行具体分析，了解影响钣金件强度的各项因素，并且给予有针对性的改善。
2、钣金件优化设计的理论依据分析
有限元分析法伴随计算机技术的发展而产生，主要通过计算机技术对钣金件设计和制作过程中的各项数据进行采集和分析，以定量分析的方式制定出合理的优化方案。对钣金件的应力集中而言，有限元分析法能够通过数据分析，对可能存在的局部断裂、表面褶皱、局部减薄等不良进行预测，从而提高钣金件的设计水平和生产质量。就目前有限元分析法的应用现状来看，不仅能够提高产品的质量，还能使企业的生产成本得到控制，从而获得更大的经济效益。
3、概要的设计路径
钣金件，是特有规格的金属板，经由扭曲及冲压，建构成的合规的结构件。这样制出来的结构件，在电子产品现有的构架设计内，占到了较大的比重。它常被当成机柜、插箱、支架及控制台以及面板衔接着的托架等配件的支撑；也可被当成安设及荷载模块的载体。经由优化路径下的新设计，能促动轻量化层级的提升；在降低原有成本的基础上，建构出强度偏高的结构件。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆有限元这样的解析路径，供应了配件荷载这样的解析依托，这就为后续时段内的配件优化，提供了可用的支持。
有限元架构下的解析办法，利用特有的数学逼近，对现有的物理系统，妥善去模拟。在这之中，模拟表征出来的对象，可以分出配件现有的几何状态、现有的载荷状态。经由有限元架构下的解析软件，对规模偏大的电子产品特有的变形疑难，予以解析。这一解析的对象，是产品衔接着的罩盖支架。支架是经由薄板扭曲、冲压成型这样的方式制备出来的。因此，它被划归成钣金架构下的结构件。
4、有限元建模
某公司制备的大型电子产品中，产品的罩盖通过罩盖支架固定在其机箱顶部，罩盖支架对罩盖起着固定支撑作用，为了保证罩盖能够灵活转动，对其支架挠曲变形程度有着较为严格的要求。该部件是由薄板折弯成形，根据其结构形式、受力特点及边界条件，属于典型的薄板弯曲变形问题。采用通用的有限元分析软件ANSYS，对该部件的变形问题进行了数值模拟，分析了该部件在两种不同结构形式下的变形问题。
罩盖支架板是由厚度为1.5mm的钢板折弯成形，折弯成形后的整体尺寸为878mm×63mm×9.5mm，该部件两种不同结构形式的模型如图1、2所示。结构A为主体承载部分翻边成形，其截面形状为“L”型，如图1所示。结构B主体承载部分折弯点焊后成形，其截面呈方筒形，如图2所示。
材料可视为均质各向同性材料，模拟中采用的材料性能参数，弹性模量 E=200GPa；泊松比μ=0.3。边界条件为杆中间部分受到固定支撑，在两端施加大小为30N的压力载荷。模拟中采用的单元为SHELL93。
通过使用ANSYS提供的基本元素，点、线、面、体等，构建需要分析部分的几何形状，这个形状可以是完全三维的，也可以是简化的。对于薄板而言，在建模的时候，只需要用一个平面形状和一个表示厚度的参数就可以描述这个模型了。根据部件的几何形状、边界条件以及受力状况，可取其一半来进行分析，两种不同结构形式的罩盖支架杆模拟用的模型分别如图3、4所示；施加载荷下的模型分别如图5、6所示。
5、模拟得来的解析结论
在如上的载荷情形中，通过运算得来的结果，可以被表征成数值。描画出来的模型内，带有稳固支撑的部分，荷载着最小情形下的挠曲变形；在这些方位内，结构件现有的挠度，可被限缩至零。朝向外侧的那种挠曲变形，会渐渐增加；在端口这样的方位内，升至最大情形下的挠度。
若采用了A这样的构架形式，制备出来的罩盖支架，涵盖了4.16mm这样的最大挠度；若采用了B这样的构架形式，则制备出来的罩盖支架，涵盖了0.38mm这样的最大挠度。如上的数值表征出：根据解析得来的结果，比对实测获得的数值，还是带有较大的差值的。因此，在B结构安设的特有支架之下，杆体涵盖着的变形状态，要优于A结构的支架杆。与此同时，若采用了B这样的安设构架，也能与设定好的运用条件相契合。因此，有必要更改原初的构件，设计更优的新支架。
6、结语
通过对某产品罩盖支架杆变形问题的有限元数值模拟分析可见，采用有限元模拟分析方法，可以准确地得到实际应用条件下结构件的响应，得到所需要的应力、变形等信息，对于结构件的开发、设计而言，可以有效缩减研发周期、降低研发成本。
参考文献：
[1]使用ANSYS 6.0进行静力学分析[M]. 北京大学出版社 , 易日编著, 2002
[2]结构有限元分析[M]. 哈尔滨工业大学出版社 , 赵经文,王宏钰编, 1988
[3]黏土层中深基坑挡土墙最大变形量简易评估法[J]. 谢百钩,简绍琦,欧章煜. 岩石力学与工程学报. 2012(11)
[4]节能赛车铝合金车架结构分析与优化设计[J]. 马小康,刘强,宗志坚,高群. 机械设计与制造. 2012(04)
[5]影响柔性轴尺寸误差的几何因素分析[J]. 冯慧娟,王明川,王铁成,苗青. 机械工程与自动化. 2016(04)
论文作者:柳志刚
论文发表刊物:《防护工程》2018年第23期
论文发表时间:2018/12/12
标签：支架论文; 应力论文; 有限元论文; 钣金件论文; 结构论文; 结构件论文; 薄板论文; 《防护工程》2018年第23期论文;