基于ANSYS镜头托架的分析

基于ANSYS镜头托架的分析【摘要】复合材料的塑性理论通常包括三方面准则:屈服准则、流动准则和强化准则。本文运用ANSYS软件对数码相机镜头托架进行有限元分析,阐述了非线性分析的方法。同时还对纤维增强型复合材料的结构分析提出了展望。【关键词】复合材料;屈服准则;流动准则;强化准则;ANSYS1.引言非线性分析一直以来广受关注,在这方面的研究也颇为不少,但是,如何最大限度提高求解的精度、提高求解时的效率,仍然需要进一步的探索。现代复合材料自本世纪40年代出现以来,已经得到了飞速的发展,应用极为广泛。因此,对复合材料力学性能的研究也日趋深入。本文笔者基于ANSYS程序对数码相机内部镜头托架结构进行了模拟分析,以此论证托架结构的刚强度。2.ANSYS的静力非线性分析ANSYS的静力分析包括线性和非线性分析,而非线性分析涉及塑性,应力钢化,大变形,大应变,超弹性,接触面和蠕变。引起结构非线性的原因很多,一般可分为三种主要类型:状态变化(包括接触);几何非线性;材料非线性。非线性问题需要一系列带校正的线性近似来求解,ANSYS程序通过牛顿—拉普森(NR)平衡迭代法,在某个容限范围内迫使在每一个载荷增量的末端解达到平衡收敛。3.复合材料的塑性理论屈服准则:ANSYS采用Von-Miss屈服准则来计算结构的塑性变形,该准则是一种除了土壤和脆性材料外典型使用的屈服准则。强化准则:等向强化和随动强化。对Von-Mises屈服准则,等向强化表现为屈服面在所有方向均匀扩张。而随动强化表现为对应的两个屈服应力之间总存在一个2!i的差值。4.数码相机内部结构的模拟分析笔者结合数码相机使用性能要求,对数码相机内部的零部件结构刚强度进行模拟计算。数码相机以其性能优越,携带方便而深受消费者的喜爱。因此,设计时在保证上述优点的情况下,应保证其内部结构紧凑,避免干涉,各部件之间搭配协调。4.1镜头托架的模拟分析镜头是数码相机的“心脏”,设计时必须根据镜头形状尺寸来布置内部结构,因此,镜头托架的结构设计很重要。图1是某款数码相机镜头托架与镜头的装配关系图,精度要求很高。此处,该结构的分析是基于配合精度相对较低的假设之上的。从图1不难看出,镜头托架在数码相机内部受力复杂,分析比较困难。因此,我们摒弃常规的图1算法,采用极限载荷法。即忽略那些对分析结果影响不大的约束,即可以把所有载荷看作是直接加载在托架的某一特定需要分析的部位。这样处理后的模型无论是精度和求解效率上都有所提高。图2如图2,分析时采用Solid185单元,智能自由网格划分,网格精度定为五级。为了提高分析的精度和加快求解的效率,建模时我们经过初步判断,对远离分析区的结构进行了优化,也即尽量减少远离承载区的棱角及不规则体的数目,从而优化结构单元。4.2材料特性的相关设定由于托架材料是纤维增强型的,对于此类材料,纤维的取向非常重要,一般分析时是根据纤维的方向,纤维的长度来设定分析的依据。一种材料,可以视为均质的,也可以视为非均质的,这主要取决于分析时观察问题的尺度。对于复合材料,由于存在可以从界面区分的相和叠层,一般认为是非均质的。但是,分析的尺度继续扩大以后,它又可以用等效的均质体来代替。此时,颗粒复合材料和方向随机分布的短纤维复合材料可认为是各向同性的,而纤维规则排列的复合材料,通常是各向异性的。因此,我们假定托架材料是短纤维增强型的的,纤维增强方向是随机分布的,也即托架材料特性是各向同性的。4.3数码相机受力情况数码相机正常放置情况下的强度、刚度的分析这里笔者分析了一下数码相机正常放置状态下托架结构的受力状态。图3是托架结构的受力云变图,它表示托架结构在承载时所受的平均应力,图形下方是各颜色所代表的应力区间。图三DMX=0.405×10-9mm,表示托架结构承载时的最大应变量SMX=0.079964MPa,表示托架结构承载时的最大应力图3清晰的反映了镜头托架在相机中的承载应力图,从图中我们不难看出最大应力发生在托架一侧腰间的小孔附近。从图中的应力云变图可以看出,托架承载情况基本达到预期的效果,也基本反映了托架在相机中的受力情况。对于数码相机之类轻便型的电子产品,由于结构本身承载负荷小,采用的复合材料性能优越,因此,设计时一般仅关心结构所受的最大应力应变。设计人员根据分析结果,结合模具设计的要求,再做相应的调整,就可以设计出颇为满意的结构。从结果我们不难看出其最大应力小于材料的应力极限,考虑到注塑模具的成型性能的要求,对于此托架结构我们不再作结构上的调整,其设计形式完全符合设计要求。5.结束语本文着重对数码相机镜头托架进行了非线性分析,阐述了复合材料尤其是纤维增强型复合材料的分析方法。当然,本文的材料特性是基于各向同性基础上的,对于各向异性的纤维增强型材料的分析,还有待进一步探索。【参考文献】[1]龚曙光.ANSYS基础应用及范例解析.机械工业出版社,2003.1.[2]王国强.实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践.西北工业大学出版社,1999.8.[3]王兴业,唐羽章.复合材料力学性能.国防科技大学出版社,1998.6.[4]李国琛,M.耶纳.塑性大应变微结构力学.科学出版社,1993.[5]Yoshiromori.Onthestrengthofshortfiberreinforcedthermoplastics.第二届国际复合材料与结构学术会议论文集.孙锦德,罗祖道.北京大学出版社,1992.7.[6]ANSYS,Inc.TheoryRelease4.1.