Solidworks Simulation熱分析在加熱工作臺(tái)改進(jìn)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

郎 平，王軍帥，高 澤

(北京中電科電子裝備有限公司，北京 100176)

Solidworks是目前一款主流的三維設(shè)計(jì)軟件之一，由于其具有友好直觀的使用界面，簡(jiǎn)單、易學(xué)的操作性而得到了越來(lái)越多的客戶的認(rèn)可。Solidworks Simulation是一種基于有限元分析技術(shù)的設(shè)計(jì)分析軟件，其可以進(jìn)行靜態(tài)、頻率、熱、疲勞等多方面的分析，其與Solidworks軟件無(wú)縫集成，操作簡(jiǎn)單方便，非常適合產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員使用[1，2]。本文運(yùn)用Solidworks Simulation軟件對(duì)一種加熱工作臺(tái)進(jìn)行了熱結(jié)構(gòu)耦合分析，找到了陶瓷吸盤損壞的原因，根據(jù)分析結(jié)果改進(jìn)了陶瓷吸盤固定結(jié)構(gòu)，解決了陶瓷損壞的問(wèn)題。

1 加熱工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)和原理

加熱工作臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要功能是：陶瓷吸盤通過(guò)真空將工件吸附在其上表面，加熱板將陶瓷吸盤的工件加熱到200℃，通過(guò)直線導(dǎo)軌導(dǎo)向，陶瓷吸盤可帶動(dòng)工件做直線運(yùn)動(dòng)。

圖1 加熱工作臺(tái)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 問(wèn)題的分析與解決

2.1 存在的問(wèn)題

該加熱工作臺(tái)中，在初始的設(shè)計(jì)方案中，陶瓷吸盤是通過(guò)螺釘固定在加熱板上，在實(shí)際使用過(guò)程中陶瓷吸盤的螺釘孔附近發(fā)生了破損，如圖2所示。

圖2 陶瓷吸盤加熱破損

2.2 問(wèn)題的分析

為了找到陶瓷吸盤發(fā)生損壞的原因，我們運(yùn)用Solidworks Simulation軟件對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了熱結(jié)構(gòu)耦合分析。

2.2.1 加熱工作臺(tái)熱力分析

新建立一個(gè)熱力分析算例，如圖3所示。在加熱板上安裝加熱管的位置添加225℃的溫度熱載荷（根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的數(shù)據(jù)）；在零件所有裸露的外表面添加空氣對(duì)流熱載荷，對(duì)流系數(shù)為12 W/（m2·K）；在連接座上用壓縮空氣進(jìn)行冷卻的位置上添加空氣對(duì)流熱載荷，對(duì)流系數(shù)為220 W/（m2·K）；各熱載荷如圖4所示。

熱力分析結(jié)果如圖5所示，陶瓷吸盤上表面溫度大約為200℃，支撐座表面溫度大約為130℃，與實(shí)驗(yàn)實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù)比較吻合。

圖3 新建熱力分析算例

圖4 熱載荷添加

圖5 加熱臺(tái)熱力分析結(jié)果

2.2.2 未添加螺釘載荷熱結(jié)構(gòu)耦合分析

新建立一個(gè)靜態(tài)分析算例，添加外部載荷，選擇熱力效應(yīng)，選擇剛進(jìn)行的熱力分析算例名稱，將熱力分析結(jié)果導(dǎo)入到靜態(tài)算例中，進(jìn)行熱結(jié)構(gòu)耦合分析，如圖6所示。

在連接相觸面組中添加接觸關(guān)系如圖7所示，陶瓷吸盤和加熱板之間、加熱板和隔熱板之間、隔熱板和支撐座之間選擇無(wú)穿透的接觸關(guān)系。

圖6 熱力分析結(jié)果導(dǎo)入

圖7 添加接觸關(guān)系

分析結(jié)果如圖8所示，陶瓷吸盤和加熱板在A處和B處的熱變形量如表1所示，表中的負(fù)號(hào)表示變形方向相反，從表1中可以看出，陶瓷吸盤的熱變形量為0.57 mm，加熱板的變形量為1.55 mm。

圖8 熱結(jié)構(gòu)耦合分析結(jié)果

表1 陶瓷吸盤和加熱板熱變形量

2.2.3 理論計(jì)算陶瓷吸盤和加熱板的熱變形量

陶瓷吸盤的材料為氧化鋁陶瓷，外形尺寸300 mm×300 mm，環(huán)境溫度為20℃，加熱后溫度為200℃，其膨脹系數(shù)為：7.7×10-6m/℃，因此可以計(jì)算出其加熱到200℃時(shí)的膨脹量為：

加熱板的材料為鋁合金，外形尺寸300 mm×300 mm，環(huán)境溫度為20℃，加熱后溫度為225℃，其膨脹系數(shù)為：23.8×10-6m/℃，因此可以計(jì)算出其加熱到225℃時(shí)的膨脹量為：

計(jì)算結(jié)果與理論分析的結(jié)果比較接近。由于鋁合金的膨脹系數(shù)要遠(yuǎn)大于陶瓷，加熱板的變形量比陶瓷吸盤大了將近1 mm，而陶瓷吸盤是通過(guò)螺釘固定在加熱板上的，螺釘與陶瓷吸盤上的光孔的間隙只有0.25 mm，因此陶瓷吸盤上的光孔會(huì)阻礙與加熱板連接的螺釘與加熱板一起膨脹，當(dāng)應(yīng)力值超過(guò)陶瓷抗拉強(qiáng)度時(shí)陶瓷吸盤就會(huì)發(fā)生損壞。

2.2.4 添加螺釘載荷熱結(jié)構(gòu)耦合分析

為了能夠得到陶瓷吸盤受熱膨脹時(shí)所承受的應(yīng)力，在原有模型基礎(chǔ)上添加螺釘零件，重新進(jìn)行熱結(jié)構(gòu)耦合分析，在連接相觸面組中添加接觸關(guān)系如圖9所示，各安裝零件之間還是選擇無(wú)穿透的接觸關(guān)系陶瓷吸盤與安裝螺釘之間添加無(wú)穿透的接觸關(guān)系。

圖9 添加接觸關(guān)系

熱結(jié)構(gòu)耦合分析應(yīng)力結(jié)果如圖10所示，從分析結(jié)果可以看出，在陶瓷吸盤的螺釘孔附近產(chǎn)生了最大應(yīng)力，其值大約為800 MPa。通氧化鋁陶瓷的抗拉強(qiáng)度為265 MPa，該應(yīng)力值超過(guò)陶瓷抗拉強(qiáng)度，所以陶瓷吸盤發(fā)生了損壞。

2.3 問(wèn)題解決

從上面的仿真分析中，我們發(fā)現(xiàn)造成陶瓷吸盤破損的原因主要是兩種材料的膨脹系數(shù)差別比較大，從而造成了兩者之間的熱膨脹差別大，而固定螺釘阻礙了熱膨脹的進(jìn)一步發(fā)展，從而造成了陶瓷吸盤的破損。因此，我們修改了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，把陶瓷吸盤的固定方式從螺釘固定改為用壓板壓緊（如圖11所示），保證兩者可以自由膨脹，從而避免了陶瓷吸盤的損壞。

圖10 熱結(jié)構(gòu)耦合應(yīng)力分析結(jié)果

圖11 改進(jìn)后的陶瓷吸盤固定方式

3 結(jié)論

通過(guò)Solidworks Simulation軟件的分析，結(jié)合實(shí)際實(shí)驗(yàn)，快速找到了造成陶瓷吸盤發(fā)生破損的原因，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)陶瓷吸盤固定結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，解決了陶瓷吸盤的破損問(wèn)題，保證了設(shè)備的研發(fā)進(jìn)度。