基于solidworks對結(jié)構(gòu)架的分析和優(yōu)化

摘#8195;要 旋轉(zhuǎn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)架由多種型材焊接而成，對其進(jìn)行受力分析較復(fù)雜，借助solidworks的有限元分析軟件對平臺(tái)結(jié)構(gòu)架進(jìn)行受力分析，提高了工作效率，同時(shí)在滿足使用性能的前提下對結(jié)構(gòu)架的尺寸進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低產(chǎn)品成本，提高了企業(yè)的效益。

關(guān)鍵詞 solidworks2010；有限元;建模；網(wǎng)格化

中圖分類號(hào) TP 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1673-9671-(2012)031-0117-01

旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)架是整個(gè)旋轉(zhuǎn)設(shè)備中主要承載的部件，它的強(qiáng)度和剛性情況直接決定了旋轉(zhuǎn)平臺(tái)設(shè)備的使用性能，平臺(tái)的結(jié)構(gòu)和受力情況如圖1所示。

圖1

如果對單根梁進(jìn)行受力分析顯然很容易，但這個(gè)結(jié)構(gòu)架為若干不同規(guī)格的結(jié)構(gòu)架焊接而成，分析則比較復(fù)雜。每個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)面鋼架由8個(gè)扇形鋼架組成，單件結(jié)構(gòu)架由三種不同規(guī)格的矩形管焊接而成，整個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)的承載能力要求為60 KN，結(jié)構(gòu)架為8個(gè)，受力按均布載荷處理，這樣每個(gè)結(jié)構(gòu)架的受力按8 KN計(jì)算。扇形鋼架是由80×60×5、60×60×5和40×20×2.5的矩形管焊接而成。

1 有限元模型的建立及分析

首先我們先用solidworks2010建模。

新建一個(gè)零件文件，點(diǎn)擊繪制草圖，選擇一個(gè)基準(zhǔn)面。用相關(guān)的草圖命令勾勒出線條，用尺寸進(jìn)行約束。草圖做好后，添加型鋼。利用solidworks的焊接功能建模，點(diǎn)結(jié)構(gòu)構(gòu)件工具圖標(biāo)，選取邊緣的線段做路徑，材料規(guī)格選擇方管管60×60×5。同理做出中間的大梁和其余的小梁，規(guī)格分別為80×60×5、40×20×2.5。然后利用剪裁命令處理掉多余的部分，建好的模型如圖2。通過屬性設(shè)置好材料，可知結(jié)構(gòu)架的重量為82 kg。

梁的邊緣都為圓角，這樣分析起來會(huì)增加分析的時(shí)間。如果我們把結(jié)構(gòu)架上圓角壓縮掉，這樣對計(jì)算結(jié)果沒有什么影響并提高計(jì)算速度，所以將圓角都?jí)嚎s掉。

1）由于目前的版本不支持多實(shí)體，所以先將多實(shí)體組合成單實(shí)體。運(yùn)行solidworks自帶的有限元分析插件simulation xpress。點(diǎn)選項(xiàng)，設(shè)置好分析結(jié)果的保存位置后，接著點(diǎn)下一步。然后點(diǎn)添加夾具，選擇固定不動(dòng)的面。本例中由于結(jié)構(gòu)架靠中心支撐和軌板來支撐，所以選取這兩個(gè)部分做固定約束部分，見圖2。選好后接著下一步。

圖2

2）添加載荷。選擇添加力，系統(tǒng)默認(rèn)力的單位是公制（N），選取結(jié)構(gòu)架約束的背面作為承重面，添加載荷大小為8 KN，方向垂直向下，選好后點(diǎn)確定，接著下一步。

3）選擇材料。型鋼的材料一般為Q235，我們選擇普通碳鋼，其力學(xué)性能為δs=235 Mpa，δb=370 Mpa彈性模量為2×105 Mpa，泊松比0.3，密度7.85×103 kg/m3。沒什么問題就可以模擬了。

4）運(yùn)行模擬。計(jì)算機(jī)首先對模型進(jìn)行網(wǎng)格化，網(wǎng)格化是比較費(fèi)時(shí)的，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜運(yùn)行的時(shí)間會(huì)越長。當(dāng)分析失敗時(shí)可以減小網(wǎng)格的大小，完成網(wǎng)格化。網(wǎng)格完畢后模型如圖3所示。

圖3

接著系統(tǒng)自動(dòng)分析，現(xiàn)在我們所做的就是等結(jié)果。分析結(jié)束時(shí)solidworks自動(dòng)列出零件所受的應(yīng)力、位移、變形、和安全系數(shù)等參數(shù)。

在results一欄中點(diǎn)擊顯示von mises應(yīng)力分析得知應(yīng)力情況：最大應(yīng)力為118 Mpa，也就是結(jié)構(gòu)架受力的薄弱環(huán)節(jié)。點(diǎn)擊顯示位移，位移情況：最大位移1.12 mm，從圖上可以很明顯的看出最大位移發(fā)生在梁的中部。系統(tǒng)也會(huì)自動(dòng)列出安全系數(shù)，并且很清楚的表達(dá)出安全系數(shù)小于1的位置。本次分析的安全系數(shù)：結(jié)構(gòu)架的安全系數(shù)為2.39。

2 優(yōu)化及改進(jìn)

根據(jù)平臺(tái)的工況，2.39的安全系數(shù)有點(diǎn)保守了，結(jié)構(gòu)架在滿足使用條件的前提下優(yōu)化設(shè)計(jì)，這里我們將原來60×40×5的方管改為60×40×4的矩形管，矩形管80×60×5變?yōu)?0×60×4，看在同樣的約束位置和相同載荷的情況下結(jié)構(gòu)架的受力情況。

分析得知：最大應(yīng)力205 Mpa；最大位移1.17 mm；安全系數(shù)1.38。

當(dāng)然軟件分析只是一種依據(jù)，能否可以還要經(jīng)過事實(shí)的檢驗(yàn)。通過實(shí)際加載試驗(yàn)表明，更改后的結(jié)構(gòu)完全算能滿足平臺(tái)的性能要求

3 小結(jié)

以前我們在計(jì)算的時(shí)候可能要通過繁瑣的公式來進(jìn)行計(jì)算，但計(jì)算的時(shí)候往往要講模型簡化，這樣雖然容易分析，但無疑會(huì)偏離正確的結(jié)果?，F(xiàn)在通過應(yīng)用solidworks有限元分析功能提高分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，也極大的提高了工作效率，同時(shí)節(jié)省了生產(chǎn)成本，為企業(yè)創(chuàng)造了效益。更改前每個(gè)結(jié)構(gòu)架的重量為82 kg，更改后重量為61 kg，節(jié)省鋼材21 kg，那么一個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)的重量節(jié)省168 kg。每年按70臺(tái)生產(chǎn)量算則可節(jié)約11.76噸左右，鋼材價(jià)格每噸5#8198;000元?jiǎng)t僅此一項(xiàng)就可節(jié)約鋼材成本5.88萬元。

參考文獻(xiàn)

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