西门子非线性仿真技术在零件结构大变形中的应用.pdf
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非线性仿真技术在零件结构大变形设计中的应用
作者：赵芳 13581960496
单位：北京西门子西伯乐斯电子有限公司， 北京
摘要：通过零件本身变形来实现零件之间的连接在产品设计中使用非常普遍广泛，变形
的关键在于材料特性，零件本身结构及使其变形的约束条件。本文利用NX
高级仿真中的[SOL601,106 Advanced Nonlinear
Statics]结构非线性静态分析模块，对零件受力发生塑性变形进行仿真分析，对零件结构
和设计参数进行了改进，并为确定合理的压接工艺提供依据。
关键词：非线性仿真，SOL601,106，塑性变形
引文：
通过零件自身的变形产生装配连接的方式，在实际的结构装配中广泛使用，由于无需添
加额外装配件，只需要在装配时使其发生塑性变形或弹性变形产生挂台，便可以实现连
接，例如常见的塑料件卡扣连接等，不仅节省了物料，同时也大大降低了物流和装配费
用，成本低廉。特别是在结构安装的空间和方向上受限的时候，由于结构简洁便于控制
，优势尤为明显。
连接器设计的关键问题在于材料的选择，变形结构的设计及工艺的确定。引入仿真之前
，这些验证需要投入多种的试验，实验设备，物料准备和试验时间大大限制了产品设计
时间。本文以实际工作中采用仿真方法来替代实验验证，并对设计做出优化，得到了满
意的效果。
正文：
案例所示的金属连接器，结构如图1a所示，压接变形为图1b，理论设计的最大位移为2m
m，在外力作用下，连接器的应力超过材料的屈服极限而未到强度极限，此时的零件发
生塑性变形，产生挂台，从而起到连接的作用。
图1a
图1b
在此过程中，材料发生了塑性变形，几何形状发生了大变形，新的接触面也产生，属于
非线性大位移大变形问题。对此问题的仿真，本文采用了NX 高级仿真中的[SOL601,106
Advanced Nonlinear
Statics]结构非线性静态分析模块，主要解决的问题是校验设计合理性，确定生产工艺。
整个验证过程一共进行了三组仿真，一是连接器变形导向的仿真，包括形状及公差；二
是压接工艺的设计仿真；三是校核整个零件变形后的几何形状。
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1. 材料的选择
此连接器为金属材料，利用其塑性变形，需超过材料的屈服极限并且在强度极限以内。
材料的特性曲线要通过拉伸试验获得，图2
展示了某些材料的特性曲线。在材料价格和加工难度相当的情况下，为生产过程的裕度
考虑，应选择如材料3的特性，在屈服极限和强度极限间有一定的范围。本案例中着重对
材料1和材料3做了研究，材料1的材料成本低，材料3对设计的要求低。
图2 材料应力应变曲线
2.1 连接器变形导向的设计
对连接器的变形部位要做导向设计以保证零件压接的成功率，验证设计除了理想尺寸，
同时需给出设计参数的敏感程度分析，以便于公差的设计。由于非线性分析的计算时间
和计算机存储量都非常大，在做变形导向的仿真时提取变形段做为分析对象。设定边界
条件为固定下表面，载荷为2mm竖直方向的强制位移，1S内完成，时间步长为0.02S，设
定接触条件、时间参数，并设定非线性分析的参数。可以通过应力应变分布检查连接器
的强度，提取上表面的反作用力作为压接工装的工艺设计依据。
图3 选择变形部分作为分析对象
分析敏感因素首先要识别敏感因子，此案例的变量识别为导角R1、
R2，导向角R3的对称度，尺寸长度L1 、L2和直径D1、
D2，如图3所示。这些因素组合出了多个仿真方案，参数值见表1。
表1. 仿真方案设定
Sim.Nr.
D1
D2
L1
L2
R1
R2
S1
Angle
Wall
thickness
Material
Sim.01
31.95
31.15
0.16
2.2
0.05
0.07
0
0.24
0.4
Material3
Sim.02
32.05
31.05
0.1
2.2
0.05
0.07
0
0.4
0.5
Material3
Sim.03
31.95
31.15
0.16
2.2
0.04
0.01
0
0.24
0.4
Material3
Sim.04
32.05
31.05
0.1
2.2
0.1
0.09
0
0.4
0.5
Material3
of 8
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