电动工具(如直流手枪钻)换档钮中的档位片是一种弹性元件,形状如弓型,弧顶突点与扭力罩内圈的分度齿啮合,起到定位和调节扭力大小的作用。档位片的结构决定其弹性性能,弹性性能对其使用寿命和使用功能有着直接的影响,过硬容易断裂,造成使用寿命不够;过软导致弹性太小,无法起到定位的作用。如何在新产品开发的过程中,设计出最优化的结构以达到使用的要求变得尤其重要。通常我们采用做不同的样品,进行物理测试的方法来获得,但这种方法的缺点是验证周期长,且测试条件的统一性很难保证,从而试验结果的可参考性不大。工程分析是近年来对结构优化的另一发展趋势,通过有限元法,在计算机中对设计对象进行模拟仿真,改变参数和结构形状获得不同的计算结果进行比较,最终得到最优化的结构。本文以非线性有限元软件ABAQUS为分析工具,对档位片出现的断裂问题进行仿真分析,通过计算机模拟,首先找出其在使用过程中发生断裂的根本原因,然后针对档位片当前的结构缺陷,提出各种优化方案,再利用有限元分析对各优化方案进行仿真,对比结果,从而发现最合理的结构,以达到优化设计的目的。我们初步认为:档位片发生断裂的原因是由于其整体刚度过强,在发生形变时,应力过于集中在顶端而引起的疲劳断裂。为了验证我们的推断,我们通过有限元软件对其模拟仿真,查看档位片在工作中的应力分布和变形状态。分析显示,档位片在压缩、回弹的过程中,其顶部的应力过于集中,明显高于两翼的应力分布,变形量也高于两翼。这一结果充分验证了我们在研究前期对档位片发生断裂原因的判断,并为我们对档位片进行设计优化分析提供理论依据。在验证了问题发生原因的基础上,我们对档位片的结构优化提出了一系列的改进方案,但到底那种方案是行之有效的,我们仍然不清楚。所以我们需要进一步的优化设计,同样采取有限元分析的方法,对比各种有可能提高档位片弹性的设计方案,反复分析优化,更改设计参数,最终我们得到了一组理论参考数据。在保证其他条件不发生变化的情况下,该方案的档位片结构具有最优化的弹性分布和最低的断裂风险指数。按照优化的结果,重新设计档位片,安排做样品。对新档位片装机后进行使用测试,我们发现,新档位片的使用寿命远远超过了老的结构,并达到设计的要求。如果采用传统的优化设计方法,先更改、再做样机验证,再更改、再验证,在时间上前后最少需要一个半月到两个月的时间;在成本上我们需要花费大量的试验人力成本以及试验样品成本。但是通过有限元分析和计算机优化设计的方法,以档位片为例,从档位片发生问题到最后我们解决了问题,包括后期的物理验证,我们一共用了两个星期,仅使用了一次物理试验就达到了要求。大大缩短了产品的开发周期,降低了研发成本。