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摘要：简述了结构设计关键要点，简要介绍了NX软件与有限元分析方法，对地铁专用设备移动半自动式售票机机身进行了静力学仿真分析，同时运用迭代算法优化机身设计参数，优化后的模型重量减轻11%，达到了轻量化设计的目的。
关键词：有限元；NX；轻量化
0 引言
随着科技的进步，产品设计不仅仅是满足使用功能的设计，判断一个产品是否是优秀的设计取决于产品的结构设计、材料选择、加工工艺等关键因素。而在结构设计中，尺寸是否合理、是否存在结构薄弱点、重量是否可以再减小、结构强度是否可以再加强等问题始终是被密切关注的，如何进行优化设计成为了结构设计的关键。
1有限元与NX
有限元分析是基于结构力学分析迅速发展起来的一种现代计算方法。以有限元分析为基础的结构设计方法能在产品设计中对设计进步改进，包括尺寸优化、形状优化、参数优化等，使产品从不合理的设计方案中产生出优化、合理的设计方案。
NX是一款集CAD/CAE/CAM于一体的三维参数化软件，是面向制造行业的高端软件，是当今最先进，最流行的工业设计软件之一。其高级仿真模块（即有限元分析）在多年的发展过程中逐渐吸收和集成了世界优秀有限元软件（MSC.Nastran、I-deals、Adina和LS-DYNA等）的众多功能和优点，包含了静力学分析、动力学分析、屈曲响应分析、非线性静力学分析、热传导、声学分析等功能。
2研究内容
地铁移动半自动式售票机（以下简称移动售票机）是一种新型的地铁定制设备，是类似于平板电脑的移动终端，主要用于地铁售卡、充值及异常处理。在设计中，移动售票机机身的轻量化是一急需解决的问题。
3移动售票机机身的有限元优化设计
3.1建立几何模型
在NX中，仿真模型和主模型是关联的，所以构建合理、参数化的主模型可以极大提升仿真和优化的效率。
根据设计需求，移动售票机机身采用平板电脑设计，便于手持，同时具备电源开关孔、摄像头孔以及充电孔。在机身内部设计有带螺纹孔的安装座，用于安装各类电路板。机身上边缘设计为台阶式，用于安装一体式触摸屏。通过NX软件建立三维模型如下：
图1 移动售票机机身三维模型
为保证高强度、低重量，机身材质选用6系铝合金，牌号6061，该材料抗拉强度为290MPa，密度为2.70g/cm3。
在设计初期，机身底部厚度为1mm，四周边框设计厚度为2mm。在NX中为模型指派铝合金6061材料后分析得出机身重量为222g。
3.2模型简化与特征抑制
为提高计算效率，对仿真计算和分析结果影响不大的细节结构，可通过建模功能或“理想化几何体”对细节结构进行处理。将螺纹孔、安装座上边缘倒角和下边缘倒圆角删除后得到简化模型，简化后模型重量为219g，重量减少了3g。
3.3网格划分
进入NX高级仿真模块，新建“FEM和仿真”，选择NX NASTRAN求解器，分析类型为“结构”，系统自动生成映射理想模型“*_fem1_i.prt”、网格模型“*_fem1.fem”、仿真模型“*_sim1.sim”。赋予模型铝合金6061材料，选用3D四面体网格CTETRA10对模型进行网格划分，单元大小自适应。
3.4创建载荷和约束并求解
对于装配完成的移动售票机，一体式触摸显示屏与机身贴合为整体，整体结构强度将得到提升，因而在对机身单独进行有限元分析时，载荷应当设置为实际载荷的二分之一。
将移动售票机机身短边端设置为固定约束用于模拟手持状态；在机身垂直方向设置大小为3N的力用于模拟电子元件及触摸显示屏的重量；在另一处短边的两端分别设置大小为4N、方向上下相反的两个力，模拟使用过程中的最大扭曲变形力；最后设置重力场。求解得出总位移量为0.45mm，则单侧位移量为0.45/2≈0.23mm。
3.5优化设计
NX有限元分析中提供了几何优化方法，能够计算出模型位移和应力的响应值，以此来确定模型优化约束条件的基准值，从而求解出模型在此要求下的优化结果，模型自动更新，实现优化设计。
移动售票机机身重量主要由底部壳体厚度（δ1）和四周边框厚度（δ2）决定。设置移动售票机机身重量为优化目标值；机身总位移量为控制约束，定义上限为0.8mm；δ1、δ2为设计变量。系统进行迭代求解，结果在第6次迭代中收敛，δ1=1.98mm、δ2=0.81mm，总位移量为0.759mm，单侧位移量为0.759/2≈0.38mm。计算其重量为194.7g，加上3g的简化重量，优化后移动售票机机身重量约198g。位移云图如下：
图2 节点位移云图
4小结
通过NX有限元分析法将移动售票机机身重量由222g降低到了198g，重量减少了11%，通过计算机迭代算法计算出基于目标值的最优结构设计。研究表明运用有限元法能够使设计得到快速准确的验证，并且能够为设计提供具有积极意义的优化建议；与传统设计方法相比，大大提高了设计准确度，为优化设计提供了理论依据。
参考文献:
[1] 闻邦椿.机械设计手册.机械工业出版社,2010.
[2] 沈春根 王贵成 王树林 等.UG NX7.0有限元分析入门与实例精讲.机械工业出版社,2010.
[3] 王运炎 叶尚川.机械工程材料.机械工业出版社,2006.
论文作者:刘亚军
论文发表刊物:《防护工程》2019年第4期
论文发表时间:2019/5/29
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