ANSYS的鏡頭托架探討
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論文導(dǎo)讀：現(xiàn)代復(fù)合材料自本世紀(jì)40年代出現(xiàn)以來(lái)，已經(jīng)得到了飛速的發(fā)展，應(yīng)用極為廣泛。本文筆者基于ANSYS程序?qū)?shù)碼相機(jī)內(nèi)部鏡頭托架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模擬分析，以此論證托架結(jié)構(gòu)的剛強(qiáng)度。
關(guān)鍵詞：復(fù)合材料，屈服準(zhǔn)則，流動(dòng)準(zhǔn)則，強(qiáng)化準(zhǔn)則，ANSYS
1 引言
非線性分析一直以來(lái)廣受關(guān)注，在這方面的研究也頗為不少，但是，如何最大限度提高求解的精度、提高求解時(shí)的效率，仍然需要進(jìn)一步的探索�，F(xiàn)代復(fù)合材料自本世紀(jì)40年代出現(xiàn)以來(lái)，已經(jīng)得到了飛速的發(fā)展，應(yīng)用極為廣泛。因此，對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的研究也日趨深入。本文筆者基于ANSYS程序?qū)?shù)碼相機(jī)內(nèi)部鏡頭托架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模擬分析，以此論證托架結(jié)構(gòu)的剛強(qiáng)度。
2 ANSYS 的靜力非線性分析
ANSYS的靜力分析包括線性和非線性分析，而非線性分析涉及塑性，應(yīng)力鋼化，大變形，大應(yīng)變，超彈性，接觸面和蠕變。論文檢測(cè)。引起結(jié)構(gòu)非線性的原因很多，一般可分為三種主要類型：狀態(tài)變化（包括接觸）；幾何非線性；材料非線性。非線性問(wèn)題需要一系列帶校正的線性近似來(lái)求解，ANSYS程序通過(guò)牛頓—拉普森 (NR ) 平衡迭代法，在某個(gè)容限范圍內(nèi)迫使在每一個(gè)載荷增量的末端解達(dá)到平衡收斂。
3 復(fù)合材料的塑性理論
屈服準(zhǔn)則：ANSYS采用Von-Miss屈服準(zhǔn)則來(lái)計(jì)算結(jié)構(gòu)的塑性變形，該準(zhǔn)則是一種除了土壤和脆性材料外典型使用的屈服準(zhǔn)則。表示如下：
⑴
其中： 
, 
流動(dòng)準(zhǔn)則：如果將Von-Mises屈服準(zhǔn)則的函數(shù)形式推廣到一般塑性加載情況，那么式⑴的函數(shù)就可以寫成：
⑵
其中的偏應(yīng)力
⑶
是流動(dòng)應(yīng)力，它在屈服點(diǎn)上等于屈服應(yīng)力
，而后隨應(yīng)變硬化材料中塑性應(yīng)變的增大而增加。
如果把理解為應(yīng)力狀態(tài)強(qiáng)度的表征，那么在超屈服之后由作用在一點(diǎn)的各個(gè)應(yīng)力分量所組成的就稱為等效應(yīng)力
，由塑性力學(xué)偏應(yīng)力不變量不難得出：
⑷
對(duì)應(yīng)于就有一個(gè)等效塑性應(yīng)變?cè)隽?img onload="if(this.width>600) this.width=600" src="/images-w/news_dt/2016-04/20160423-2449-133222.gif" />來(lái)構(gòu)成由各應(yīng)力分量所做的塑性功增量，即
⑸
根據(jù)Drucker公設(shè)
⑹
其中
是塑性勢(shì)函數(shù)的梯度，
是比例系數(shù)
由此可以推導(dǎo)得出
⑺
強(qiáng)化準(zhǔn)則: 等向強(qiáng)化和隨動(dòng)強(qiáng)化。對(duì)Von-Mises屈服準(zhǔn)則，等向強(qiáng)化表現(xiàn)為屈服面在所有方向均勻擴(kuò)張。而隨動(dòng)強(qiáng)化表現(xiàn)為對(duì)應(yīng)的兩個(gè)屈服應(yīng)力之間總存在一個(gè)
的差值。
4 數(shù)碼相機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的模擬分析
筆者結(jié)合數(shù)碼相機(jī)使用性能要求，對(duì)數(shù)碼相機(jī)內(nèi)部的零部件結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度進(jìn)行模擬計(jì)算。
數(shù)碼相機(jī)以其性能優(yōu)越，攜帶方便而深受消費(fèi)者的喜愛。因此，設(shè)計(jì)時(shí)在保證上述優(yōu)點(diǎn)的情況下，應(yīng)保證其內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊，避免干涉，各部件之間搭配協(xié)調(diào)。
4.1 鏡頭托架的模擬分析
鏡頭是數(shù)碼相機(jī)的“心臟”， 設(shè)計(jì)時(shí)必須根據(jù)鏡頭形狀尺寸來(lái)布置內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因此，鏡頭托架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)很重要。論文檢測(cè)。
圖1是某款數(shù)碼相機(jī)鏡頭托架與鏡頭的裝配關(guān)系圖, 精度要求很高。此處，該結(jié)構(gòu)的分析是基于配合精度相對(duì)較低的假設(shè)之上的。
從圖1不難看出, 鏡頭托架在
數(shù)碼相機(jī)內(nèi)部受力復(fù)雜，分析比較
困難。因此，我們摒棄常規(guī)的算法，
采用極限載荷法。即忽略那些對(duì)分
析結(jié)果影響不大的約束，即可以把
所有載荷看作是直接加載在托架的
某一特定需要分析的部位。這樣處
理后的模型無(wú)論是精度和求解效率
上都有所提高。
圖1
如圖2，分析時(shí)采用Solid185單元, 智能自由網(wǎng)格劃分, 網(wǎng)格精度定為五級(jí)。為了提高分析的精度和加快求解的效率,建模時(shí)我們經(jīng)過(guò)初步判斷，對(duì)遠(yuǎn)離分析區(qū)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，也即盡量減少遠(yuǎn)離承載區(qū)的棱角及不規(guī)則體的數(shù)目，從而優(yōu)化結(jié)構(gòu)單元。論文檢測(cè)。
圖2
材料常數(shù)
托架材料：
PC+玻纖（玻纖含量25％） 
，
拉伸強(qiáng)度為
，彎曲強(qiáng)度為
,
壓縮強(qiáng)度為
，彎曲彈性模量為
4.2 材料特性的相關(guān)設(shè)定
由于托架材料是纖維增強(qiáng)型的，對(duì)于此類材料，纖維的取向非常重要，一般分析時(shí)是根據(jù)纖維的方向，纖維的長(zhǎng)度來(lái)設(shè)定分析的依據(jù)。
一種材料，可以視為均質(zhì)的，也可以視為非均質(zhì)的，這主要取決于分析時(shí)觀察問(wèn)題的尺度。對(duì)于復(fù)合材料，由于存在可以從界面區(qū)分的相和疊層，一般認(rèn)為是非均質(zhì)的。但是，分析的尺度繼續(xù)擴(kuò)大以后，它又可以用等效的均質(zhì)體來(lái)代替。此時(shí)，顆粒復(fù)合材料和方向隨機(jī)分布的短纖維復(fù)合材料可認(rèn)為是各向同性的，而纖維規(guī)則排列的復(fù)合材料，通常是各向異性的。因此，我們假定托架材料是短纖維增強(qiáng)型的的，纖維增強(qiáng)方向是隨機(jī)分布的，也即托架材料特性是各向同性的。
4.3 數(shù)碼相機(jī)正常放置情況下的強(qiáng)度、剛度的分析
這里筆者分析了一下數(shù)碼相機(jī)正常放置狀態(tài)下托架結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。
圖3是托架結(jié)構(gòu)的受力云變圖, 它表示托架結(jié)構(gòu)在承載時(shí)所受的平均應(yīng)力，圖形下方是各顏色所代表的應(yīng)力區(qū)間。
SMX
, 表示托架結(jié)構(gòu)承載時(shí)的最大應(yīng)變量
，表示托
架結(jié)構(gòu)承載時(shí)的最大應(yīng)力
圖3
圖3清晰的反映了鏡頭托架在相機(jī)中的承載應(yīng)力圖，從圖中我們不難看出最大應(yīng)力發(fā)生在托架一側(cè)腰間的小孔附近。從圖中的應(yīng)力云變圖可以看出，托架承載情況基本達(dá)到預(yù)期的效果，也基本反映了托架在相機(jī)中的受力情況。對(duì)于數(shù)碼相機(jī)之類輕便型的電子產(chǎn)品，由于結(jié)構(gòu)本身承載負(fù)荷小，采用的復(fù)合材料性能優(yōu)越，因此，設(shè)計(jì)時(shí)一般僅關(guān)心結(jié)構(gòu)所受的最大應(yīng)力應(yīng)變。設(shè)計(jì)人員根據(jù)分析結(jié)果，結(jié)合模具設(shè)計(jì)的要求，再做相應(yīng)的調(diào)整，就可以設(shè)計(jì)出頗為滿意的結(jié)構(gòu)。從結(jié)果我們不難看出其最大應(yīng)力小于材料的應(yīng)力極限，考慮到注塑模具的成型性能的要求，對(duì)于此托架結(jié)構(gòu)我們不再作結(jié)構(gòu)上的調(diào)整，其設(shè)計(jì)形式完全符合設(shè)計(jì)要求。
5 結(jié)束語(yǔ)
本文著重對(duì)數(shù)碼相機(jī)鏡頭托架進(jìn)行了非線性分析，闡述了復(fù)合材料尤其是纖維增強(qiáng)型復(fù)合材料的分析方法。當(dāng)然，本文的材料特性是基于各向同性基礎(chǔ)上的，對(duì)于各向異性的纖維增強(qiáng)型材料的分析，還有待進(jìn)一步探索。
參考文獻(xiàn)
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