黃鑫云

(中北大學(xué) 光電儀器廠,山西 太原 030051)

0 引言

驗(yàn)光儀升降結(jié)構(gòu)中支撐光學(xué)系統(tǒng)的是托梁，它的結(jié)構(gòu)與光學(xué)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)度、儀器整體的質(zhì)量和外形尺寸等密切相關(guān)。設(shè)計(jì)中要求托梁在保證一定強(qiáng)度的前提下，質(zhì)量越輕、外形尺寸越小越好。本文采用整體有限元分析方法，借助有限元分析軟件SolidWorks Simulation對(duì)托梁進(jìn)行有限元分析，從而得到準(zhǔn)確的、快速的設(shè)計(jì)，優(yōu)化了方案，以降低產(chǎn)品的設(shè)計(jì)成本，縮短開發(fā)周期，給企業(yè)帶來最大的經(jīng)濟(jì)效益。

1 理論基礎(chǔ)

SolidWorks Simulation軟件采用了有限元方法 (FEM)[1]。FEM是一種用于分析工程設(shè)計(jì)的數(shù)字方法。FEM將模型劃分為許多稱作單元的簡單小塊形狀，從而有效地用許多需要同時(shí)解決的小問題來替代一個(gè)復(fù)雜問題。SolidWorks Simulation是一個(gè)與 SolidWorks完全集成的設(shè)計(jì)分析系統(tǒng)，它一般可分為三個(gè)部分：前期處理、分析計(jì)算和后期處理。前期處理包括零件模型的建立、定義材料屬性、指定約束和載荷及劃分網(wǎng)格；后期處理包括結(jié)果輸出和優(yōu)化[2]。

2 三維模型的建立

根據(jù)驗(yàn)光儀的升降結(jié)構(gòu)，在SolidWorks中建立了托梁的三維幾何模型，如圖1所示。

圖1 驗(yàn)光儀托梁三維幾何模型

3 Simulation有限元分析[3]

3.1 定義材料屬性

選定托梁的材料為2014鋁合金，其彈性模量(EX)為7.3×1010N/m2，泊松比(NUXY)為0.33NA，屈服強(qiáng)度(SIGYLD)為9.651×107 N/m2[4]。

3.2 指定約束和載荷

對(duì)托梁的約束有A、C兩圓柱面加上B平面，其中A、C兩面約束了托梁在x，z方向的移動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)以及y方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，B面約束了托梁y方向的移動(dòng)，故“約束”可設(shè)置為A、B、C三面(圖2)[5]。新型驗(yàn)光儀的光學(xué)系統(tǒng)質(zhì)量約為5kg，故在D面上垂直施加“載荷”為50N的力(圖3)。

圖2 指定約束

圖3 指定載荷

3.3 分析結(jié)果

采用Simulation默認(rèn)的網(wǎng)格劃分對(duì)托梁進(jìn)行有限元分析，應(yīng)力分布如圖4所示。

圖4 托梁應(yīng)力分布圖

經(jīng)Simulation計(jì)算得到托梁的最大應(yīng)力為1.588×106N/m2，最大變形量為6.786×10-3mm，最小安全系數(shù)為60.7804，說明該托梁強(qiáng)度是絕對(duì)符合要求的。但該設(shè)計(jì)過于保守，還有很大的改進(jìn)設(shè)計(jì)余地，特別是可以根據(jù)應(yīng)力分布情況，適當(dāng)減少應(yīng)力較低部分的材料用量，以降低成本，使結(jié)構(gòu)輕量化。

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)

SolidWorks的一大優(yōu)點(diǎn)是支持對(duì)設(shè)計(jì)方案的動(dòng)態(tài)修改，經(jīng)過對(duì)上述有限元分析結(jié)果的研究，逐步給托梁加上加強(qiáng)筋、切出空心型腔，可得到不同的三維模型，再利用Simulation進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 托梁優(yōu)化結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布圖

將三種托梁結(jié)構(gòu)的仿真分析結(jié)果進(jìn)行比較(表1)，可見，加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)雖然安全系數(shù)稍高，應(yīng)力與變形量均較小，但是因應(yīng)力與變形量三種結(jié)構(gòu)均在同一數(shù)量級(jí)上，相差不大，僅以質(zhì)量與安全系數(shù)之比進(jìn)行比較，則空心型腔結(jié)構(gòu)最合適，故實(shí)際應(yīng)用時(shí)選空心型腔結(jié)構(gòu)。

表1 不同結(jié)構(gòu)托梁仿真分析結(jié)果

5 結(jié)論

利用SolidWorks Simulation軟件對(duì)托梁的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，使得設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)中能清晰地了解到托梁每一點(diǎn)的應(yīng)力一應(yīng)變趨勢(shì)，以便更有針對(duì)性的對(duì)托梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，然后用SolidWorks Simulation對(duì)優(yōu)化后結(jié)構(gòu)進(jìn)一步分析對(duì)比，完成托梁的整個(gè)優(yōu)化過程。這種方法使得零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加合理，有效縮短了開發(fā)周期，提高了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。經(jīng)優(yōu)化后的托梁結(jié)構(gòu)已在新型驗(yàn)光儀中得到應(yīng)用，相比原結(jié)構(gòu)具有了更好的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。

[1] 王寶成.有限元分析法[M].天津：天津科學(xué)技術(shù)出版社，2001.

[2] 二代龍震工作室.SolidWorks+Motion+Simulation建模/機(jī)構(gòu)/結(jié)構(gòu)綜合實(shí)訓(xùn)教程[M].北京:清華大學(xué)出版社，2009.

[3] 李秋生， 國亮杰， 王文彬，等.基于Solidworks Simulation的壓鑄機(jī)頭板疲勞分析機(jī)電工程[J].2010,27(10):47-50.

[4] 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(上)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1983: 54.

[5] 鄒慧君,等.機(jī)械原理[M].北京:高等教育出版社,2003.4: 12-15.