基于So lidW o rkS的基座有限元分析

陳 威，王 偉 ，李 偉，柳 濱

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所,北京東燕郊 101601)

拋光臺是CMP（化學(xué)機(jī)械拋光）設(shè)備中重要部件，拋光臺精度對CMP設(shè)備至關(guān)重要。三個拋光臺都安裝在基座上（如圖1所示），因此有必要對基座進(jìn)行有限元分析，觀察它的應(yīng)力應(yīng)變分析圖，檢驗(yàn)其是否符合設(shè)計要求。另一方面基座體積大，考慮成本因素，是否可以在不影響性能指標(biāo)條件下增加減重孔，從而降低成本，因此有必要進(jìn)行基座結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。

基于COSMOSWorks是SRAC推出的一套強(qiáng)大的有限元分析軟件，它是完全整合在Solidworks中的設(shè)計分析系統(tǒng)，提供應(yīng)力、應(yīng)變、頻率、熱量和優(yōu)化分析。為設(shè)計工程師在Solidworks的環(huán)境下，提供比較完整的分析手段。依據(jù)先進(jìn)的快速有限元技術(shù)，工程師能非常迅速地實(shí)現(xiàn)對大規(guī)模的復(fù)雜設(shè)計的分析和驗(yàn)證，并且獲得修正和優(yōu)化設(shè)計所需的必要信息，縮短了設(shè)計所需的時間，提高了設(shè)計質(zhì)量和降低了設(shè)計成本，是目前廣為流行的CAE軟件。

本文運(yùn)用Solidworks中COSMOSWorks模塊進(jìn)行有限元分析，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供重要的依據(jù)。

圖1 基座安裝圖

1 有限元分析

采用Solidworks軟件仿真設(shè)計基座，其流程如圖2所示。

圖2 基座有限元分析流程圖

1.1 建模

與一般的CAD軟件相同，SolidWorks提供了強(qiáng)大的實(shí)體模型生成功能。利用它完全可以建立用戶想得到的模型。在進(jìn)行有限元分析時，Solid-Works軟件要求分析的零件應(yīng)盡量簡化，以便大大減少計算機(jī)的計算時間、節(jié)約計算機(jī)資源，所以我們將基座的結(jié)構(gòu)在滿足力學(xué)的條件下進(jìn)行簡化。基座的材料為HT250。

1.2 網(wǎng)格化有限元模型的建立

網(wǎng)格化就是對建立好的實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，從而建立其有限元模型，它是使用SolidWorks對零件分析時最重要一步。

COSMOSWorks分析從SolidWorks零件或裝配體模型的幾何體開始。幾何體必須能夠被正確、適度小的有限元所劃分。對于小的概念，并不是指它的單元尺寸，而是表示網(wǎng)格中單元的數(shù)量。對網(wǎng)格的這種要求，有著極其重要的含義。必須確保CAD幾何體的網(wǎng)格劃分，并且通過所產(chǎn)生的網(wǎng)格能得到正確數(shù)據(jù)，如位移、應(yīng)力、應(yīng)變、溫度分布等。

對基座進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分以后的模型如圖3、4所示。

圖3 無減重孔基座的網(wǎng)格劃分圖

圖4 有減重孔基座的網(wǎng)格劃分圖

1.3 加載與求解

(1)施加約束。由于基座通過螺栓與基板相連，因此可對底部螺栓孔施加固定約束。

（2）載荷的計算與施加。臺Ⅰ、臺Ⅱ、臺Ⅲ與基座通過螺栓連接，與各自臺子連接的基座側(cè)面上面螺栓孔受拉，側(cè)面下三個螺栓孔受壓。根據(jù)臺Ⅰ、臺Ⅱ、臺Ⅲ、主軸的質(zhì)量，臺Ⅰ、臺Ⅱ重心到基座的距離以及上下螺孔間距可以計算出相應(yīng)點(diǎn)的受力。

主軸在基座上產(chǎn)生的壓強(qiáng)為：

這一步主要是在求解模塊中(SOLU)進(jìn)行，包括定義分析類型、確定分析選項、施加載荷及載荷步。

1.4 結(jié)果分析

求解完成以后，應(yīng)用后處理器可以直觀地看出基座的應(yīng)力分析如圖5、6所示。無減重孔的基座應(yīng)力分析如圖5所示，敏感區(qū)域產(chǎn)生的最大應(yīng)力15.51 MPa，遠(yuǎn)小于它的拉伸強(qiáng)度極限σb=250 MPa，位移分析如圖7所示，敏感區(qū)域產(chǎn)生的最大位移1.804μm。

有減重孔時基座應(yīng)力分析如圖6所示，敏感區(qū)域產(chǎn)生的最大應(yīng)力15.31 MPa，遠(yuǎn)小于它的拉伸強(qiáng)度極限σb=250 MPa，位移分析如圖8所示，敏感區(qū)域產(chǎn)生的最大位移為2.791μm。

圖5 無減重孔基座的應(yīng)力圖

圖6 有減重孔基座的應(yīng)力圖

圖7 無減重孔基座的應(yīng)變圖

圖8 有減重孔基座的應(yīng)變圖

3 結(jié) 論

經(jīng)上述分析可知，基座在有無減重孔的情況下產(chǎn)生的最大應(yīng)力均遠(yuǎn)小于它的拉伸強(qiáng)度極限σb=250 MPa。基座在無減重孔時敏感區(qū)域產(chǎn)生的最大位移1.804μm，有減重孔敏感區(qū)域產(chǎn)生的最大位移為2.791μm，本系統(tǒng)無高速運(yùn)動，不存在振動的問題，有無減重孔影響不大。根據(jù)得到的基座周圍的應(yīng)力、應(yīng)變分布圖，可知基座在有無減重孔時都滿足設(shè)計要求，由于基座為鑄件且尺寸較大，從節(jié)約材料方面考慮，采用有減重孔的方案。利用Solidworks軟件，在合理建立模型，正確加載與約束下，可以快速地對各方案進(jìn)行分析并從中優(yōu)選。

[1]關(guān)鼎，肖平陽.Solidworks三維造型典型實(shí)例教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[2]江洪，陳燎，王智等.Solidworks有限元分析實(shí)例解析[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[3]胡明璽，高萬玉，杜振杰等.基于ANSYS的高阻尼橡膠緩沖系統(tǒng)設(shè)計[J].機(jī)械設(shè)計與制造，2005，39（12）：38-40.

[4]王勖成，邵敏.有限單元法基本原理和數(shù)值方法[M].北京：清華大學(xué)出版社，1997.

[5]龔曙光.ANSYS工程應(yīng)用實(shí)例子解析[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[6]Solidworks有限元分析實(shí)例解析.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.