基于Solid W orks軟件的有限元分析

劉海斌 柳 巖 陳淑春

（1.遼寧工程職業(yè)學(xué)院，遼寧 鐵嶺 112008；2.沈陽市第72中學(xué)，遼寧 沈陽 110173）

1 有限元分析的重要性

隨著市場競爭加劇，要求產(chǎn)品具有更短生產(chǎn)和設(shè)計(jì)周期，企業(yè)迫切需要用新技術(shù)來滿足市場對產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期的要求。有限元分析技術(shù)是提升產(chǎn)品質(zhì)量、縮短設(shè)計(jì)周期、提高產(chǎn)品競爭力的有效手段，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算方法的發(fā)展，有限元分析在工程設(shè)計(jì)和科研領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，已經(jīng)成為解決復(fù)雜工程分析計(jì)算問題的有效途徑，現(xiàn)在從汽車到航天飛機(jī)幾乎所有設(shè)計(jì)制造都離不開有限元分析計(jì)算，其在機(jī)械制造、材料加工、航空航天等領(lǐng)域廣泛使用已使設(shè)計(jì)水平發(fā)生了質(zhì)的飛躍。

依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4857.3中規(guī)定，200L物料桶在通過擠出吹塑成型加工完后，根據(jù)其使用環(huán)境和物料等級不同，對物料桶的后期檢驗(yàn)也不盡相同。200L物料桶后期檢驗(yàn)主要有堆碼試驗(yàn)，跌落試驗(yàn)和應(yīng)力開裂試驗(yàn)，外觀觀測等內(nèi)容。200L物料桶有限元分析中對物料桶檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中重要指標(biāo)，堆碼試驗(yàn)和跌落試驗(yàn)進(jìn)行了分析，并對堆碼試驗(yàn)后，物料桶的外形尺寸進(jìn)行了優(yōu)化分析，使其具有很好的抗堆碼損壞性能。

2 堆碼分析

依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4857.3中規(guī)定堆碼負(fù)載按下式計(jì)算：

式中，P—塑料容器上施加的堆碼負(fù)載，單位為牛頓（N）；M—單件包裝質(zhì)量（為密度與實(shí)際容量之積，再加桶重），單位/千克（kg）；H—堆碼高度，3m；h—單個(gè)容器的高度，單位為米（m）；H/h—取整數(shù)位（小數(shù)點(diǎn)后舍掉）

堆碼分析中所用200L物料桶桶高0.89m、桶重15kg、容積200L，假設(shè)所盛裝的溶劑密度1.0×103/m3，經(jīng)計(jì)算堆碼負(fù)載為4300N。堆碼分析中考慮到高密度聚乙烯在不同溫度環(huán)境下的屈服強(qiáng)度的差異性，決定施加堆碼負(fù)載大于計(jì)算值，分析中實(shí)際所加負(fù)載為8000N。

物料桶有堆碼分析中主要利Solid Works Simulation 有限元分析中的靜力分析功能。Solid Works中simulation分析界面，創(chuàng)建靜力分析算例，命名為堆碼分析。在材料庫中自定義高密度聚乙烯材料，由于分析中涉及到結(jié)構(gòu)分析，因此只需定義材料的力學(xué)性能，具體屬性如下：屈服強(qiáng)度30MPa、彈性模量1.07×109N/ m2、泊松比0.41。

對物料桶模型賦予我們自定義的材料屬性，加劇選項(xiàng)中設(shè)定為固定約束，物料桶頂部L環(huán)上施加計(jì)算值8000N的載荷，劃分網(wǎng)格，安裝系統(tǒng)默認(rèn)的網(wǎng)格精度，運(yùn)行分析，經(jīng)過計(jì)算。

堆碼分析結(jié)果分析：

從堆碼分析的結(jié)果可以得出：在忽略建模誤差和有限元在計(jì)算中產(chǎn)生的計(jì)算誤差，根據(jù)使用要求所設(shè)計(jì)的雙L環(huán)200L物料桶在堆碼負(fù)載8000N下最大應(yīng)力為4.04MPa，最大應(yīng)變?yōu)?.027mm，安全系數(shù)最小為7，是完全可以滿足實(shí)際使用過程中的堆碼強(qiáng)度要求。

3 優(yōu)化分析

優(yōu)化分析的目的就是尋找物體模型的最優(yōu)組合，優(yōu)化就是對物體模型的重量，成本，自然撓度等因素進(jìn)行計(jì)算，所有這些都通過，物體模型的尺寸，載荷，約束，或材料成本為條件，通過合理選擇物體模型的可優(yōu)化因素，使物體模型達(dá)到最為合理的狀態(tài)，從而使物體模型達(dá)到最優(yōu)解。優(yōu)化設(shè)計(jì)可以提高產(chǎn)品在自身操作中的性能，減少產(chǎn)品的材料數(shù)量，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品的價(jià)值。優(yōu)化設(shè)計(jì)在競爭激烈的市場環(huán)境中，對制造廠家提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本有重要作用。

Solid Works通過“設(shè)計(jì)算例功能”通過設(shè)置變量、約束、目標(biāo)，來尋求優(yōu)化分析的最優(yōu)解。設(shè)計(jì)算例中變量即在進(jìn)行優(yōu)化求解過程中的變化量，在變量設(shè)定中，包括設(shè)置最大值，最小值和變化步長；約束即在優(yōu)化計(jì)算中應(yīng)力、撓度、頻率等得合理變化范圍，并制定變化范圍的最小值和最大值，約束限制了優(yōu)化的空間，優(yōu)化分析中當(dāng)結(jié)果買足約束條件時(shí)，即得到我們設(shè)置的合理值，當(dāng)超過約束設(shè)置時(shí)，就會(huì)提示并給出最為接近設(shè)定條件的值；優(yōu)化目標(biāo)即在整個(gè)優(yōu)化分析中需要時(shí)時(shí)刻刻考慮的因素，根據(jù)求解目的的不同，優(yōu)化目標(biāo)常有，最大應(yīng)力、最小應(yīng)力、體積目標(biāo)、重量目標(biāo)、表面積等目標(biāo)設(shè)定方法。通過對物料桶進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)可以優(yōu)化物料桶的外形尺寸，使物料桶到過最佳的外形尺寸，從而具有更好的抵抗主要變形的能力，提高物料桶的使用壽命。

通過物料桶的堆碼分析，根據(jù)堆碼分析的應(yīng)力圖解得出堆碼應(yīng)力最大處集中在桶頂L環(huán)附近，應(yīng)力最大值4.04MPa，優(yōu)化設(shè)計(jì)中選取尺寸1和尺寸2兩個(gè)角度作為優(yōu)化變量，在變量設(shè)定中設(shè)定：尺寸1的迭代范圍為100deg~ 120deg，迭代步長為5deg；尺寸2設(shè)定迭代范圍為60deg~ 120deg，迭代步長10deg；由堆碼分析得到堆碼最大應(yīng)力4.04MPa，約束設(shè)置中設(shè)定最大應(yīng)力為3.75MPa，在目標(biāo)中設(shè)計(jì)定為最小值。

運(yùn)行優(yōu)化分析后得到結(jié)果為錯(cuò)誤！未找到引用源。結(jié)果中可以看到優(yōu)化結(jié)果最大應(yīng)力3.72MPa，比初始最大應(yīng)力減少了0.32MPa。尺寸1的優(yōu)化結(jié)果由原來的115優(yōu)化為110，尺寸2沒有變化，并且可以查看兩個(gè)尺寸的不同組合所得到其他最大應(yīng)力值。應(yīng)力最大處仍然在L環(huán)附近，但最大應(yīng)力已經(jīng)降為3.72MPa，應(yīng)變也降為0.022mm。

結(jié)語

有限元模擬分析也存在一些局限性，例如有限元分析中所定義材料的屈服強(qiáng)度是高密度聚乙烯的通用參數(shù)，并沒有具體指出在不同溫度環(huán)境下的屈服強(qiáng)度。另外吹塑成型容器內(nèi)壁尺寸難以控制等，這些未列入模擬分析參數(shù)中的因素實(shí)際上都會(huì)影響分析結(jié)果。總體來說，用solidworks的simulation有限元分析對改進(jìn)雙L環(huán)200升物料桶的尺寸結(jié)構(gòu)具有很好的理論指導(dǎo)意義和現(xiàn)實(shí)應(yīng)用價(jià)值。

[1]江洪，等.Solid Works 有限元分析實(shí)例解析[M].