天津航空机电有限公司 天津 300308
摘要：以某机载探测器为例，在有限元建模的基础上，应用MSC.Nastran对其断裂模型进行仿真分析，通过修正模型找到弯管的薄弱位置及断裂原因。通过优化设计仿真验证，在不需要物理样机的基础上找到了满足产品要求的改进方案。
关键词：有限元，振动，MSC.Nastran，优化设计
引言
某机载探测器产品进行例行试验时，在Y方向振动试验后，检查产品弯管与电极心柱焊接处，发现弯管断裂，断裂具体情况如图1所示。本文通过有限元分析对其结构进行仿真，找出断裂原因并优化产品结构。
图2 结构示意图管
首先对弯管的化学成分及力学性能进行分析，排除了材料化学成分或性能不达标的因素，从产品结构本身寻找断裂原因。
电极心柱与弯管接触处外径尺寸为，弯管内径尺寸为，为间隙配合，实际由于弯管进行加工弯形时容易发生轻微变形，为保证弯管与电极心柱的连接，弯管在电极心柱焊接连接处进行绞孔，因此仿真模型接触位置电极心柱外径为Φ9.98mm，弯管内径为Φ10.1mm，外径为Φ11.5mm。此仿真模型中，只有弯管的端面与电极心柱端面接触，表示焊接，圆柱面为间隙配合。
产品固定在振动台上，采用HB5830.5中正弦扫描振动试验，在104Hz～2000Hz振动量值为20g，仿真结果显示产品的一阶共振频率为113.15Hz，在该频率点引起共振，对产品产生不利影响。
电极心柱和弯管的受力分别为349MPa和344MPa。
分别取电极心柱窗口（红色）、弯管接触面（蓝色）受力较大位置处的点，列出在104Hz-500Hz扫频下，两点的受力值曲线如图3所示。在113.15Hz时，应力达到最大值。
图3 电极心柱和弯管受力曲线图
2 仿真模型修正
考虑实际加工过程中，弯管材料进行弯形加工时会发生轻微变形，弯管材料壁厚不均匀，再加上弯管焊接处进行铰孔加剧了壁厚不均匀的趋势，形成弯管焊接接口处偏心、单侧变薄，造成弯管机械强度下降，产品振动时弯管断裂。故仿真模型修正主要考虑绞孔和偏心两种方案。
2.1 弯管绞孔加工
由于加工制造缺陷及绞孔处理，实际产品接触面不能达到厚度为0.7mm的环形面接触，对其模型处理为距离接触面15mm处内径Φ10.4mm，弯管重量变化可以忽略，弯管接触面积变小，受力相应增大。电极心柱和弯管的受力分别为395MPa和425MPa。
2.2 弯管不均匀壁厚
实测弯管的厚度分别为0.58mm-0.72mm不等，其中靠电极窗口的同侧相对薄，窗口对面相对厚。因此均匀壁厚不能复现产品的实际情况，故采用偏心结构，偏心0.2mm，上壁厚0.5mm，下壁厚0.7mm。弯管重量变化可以忽略，弯管接触面积略变小，受力相应增大。电极心柱和弯管的受力分别为362MPa和378MPa，应力集中在偏心切口位置处。
3 改进方案
根据仿真结果显示，弯管绞孔加工或者材料壁厚不均，最大受力部位都在弯管薄壁焊接位置，且焊接处高温容易造成材料晶粒粗大，机械性能下降。故改进方案采取增加壁厚，或者采用弯管与电极心柱过盈配合，使应力集中位置远离焊接点。
3.1 增加壁厚
由于弯管薄壁位置发生断裂，考虑采取厚度变化的方式改进产品。增加弯管外径为12mm，电极心柱和弯管的受力分别为501MPa和354MPa，弯管外径增大，重量增加，电极心柱受力相应增加，但是弯管受力情况几乎不变，因此，单纯采用增加壁厚不能有效解决弯管断裂的问题。
3.2 过盈配合
由于弯管与电极心柱配合存在间隙，电极心柱插入弯管的部分支撑作用就大大减弱，产品振动时作用力大部分都作用在弯管与电极心柱的焊接处。增加电极心柱与弯管连接处直径，使电极心柱与弯管过盈配合，电极心柱和弯管的受力分别为378MPa和322MPa，
图4 紧配合产品受力云图
由图4所示，配合关系改为过盈配合，最大受力位置相对向弯管尾部移动。
由金属所材料试验结果显示，弯管根部与电极心柱焊接位置，由于受高温影响，晶粒粗大，材料机械性能下降，远离焊接位置处，材料性能相对稳定，可以有效改进产品振动性能。
4 试验验证
以壁厚均匀且无铰孔的弯管与产品电极心柱紧配合后焊接，此产品重新进行安装并做扫频振动试验，产品无破坏裂纹产生，证明仿真提出改进措施有效
参考文献
[1] 田利思，李相辉，等. MSC Nastran动力分析指南[M]. 北京：中国水利水电出版社，2012.3
[2] 唐心春，张才文. 模态分析在航天电子产品结构设计中的应用[J]. 现代商贸工业，2010（9）：307-309.
论文作者:张召娜,刘晨晨,段丁铭
论文发表刊物:《科技新时代》2019年5期
论文发表时间:2019/7/25
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