基于SolidWorks simulation的驗光儀托梁的結構優化

黃鑫云

(中北大學 光電儀器廠,山西 太原 030051)

0 引言

驗光儀升降結構中支撐光學系統的是托梁，它的結構與光學系統的運動平穩度、儀器整體的質量和外形尺寸等密切相關。設計中要求托梁在保證一定強度的前提下，質量越輕、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對托梁進行有限元分析，從而得到準確的、快速的設計，優化了方案，以降低產品的設計成本，縮短開發周期，給企業帶來最大的經濟效益。

1 理論基礎

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計的數字方法。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解決的小問題來替代一個復雜問題。SolidWorks Simulation是一個與 SolidWorks完全集成的設計分析系統，它一般可分為三個部分：前期處理、分析計算和后期處理。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格；后期處理包括結果輸出和優化[2]。

2 三維模型的建立

根據驗光儀的升降結構，在SolidWorks中建立了托梁的三維幾何模型，如圖1所示。

圖1 驗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，屈服強度(SIGYLD)為9.651×107 N/m2[4]。

3.2 指定約束和載荷

對托梁的約束有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方向的移動與轉動以及y方向的轉動，B面約束了托梁y方向的移動，故“約束”可設置為A、B、C三面(圖2)[5]。新型驗光儀的光學系統質量約為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 分析結果

采用Simulation默認的網格劃分對托梁進行有限元分析，應力分布如圖4所示。

圖4 托梁應力分布圖

經Simulation計算得到托梁的最大應力為1.588×106N/m2，最大變形量為6.786×10-3mm，最小安全系數為60.7804，說明該托梁強度是絕對符合要求的。但該設計過于保守，還有很大的改進設計余地，特別是可以根據應力分布情況，適當減少應力較低部分的材料用量，以降低成本，使結構輕量化。

4 優化設計

SolidWorks的一大優點是支持對設計方案的動態修改，經過對上述有限元分析結果的研究，逐步給托梁加上加強筋、切出空心型腔，可得到不同的三維模型，再利用Simulation進行分析，分析結果如圖5所示。

圖5 托梁優化結構應力分布圖

將三種托梁結構的仿真分析結果進行比較(表1)，可見，加強筋結構雖然安全系數稍高，應力與變形量均較小，但是因應力與變形量三種結構均在同一數量級上，相差不大，僅以質量與安全系數之比進行比較，則空心型腔結構最合適，故實際應用時選空心型腔結構。

表1 不同結構托梁仿真分析結果

5 結論

利用SolidWorks Simulation軟件對托梁的結構進行有限元分析，使得設計人員在設計中能清晰地了解到托梁每一點的應力一應變趨勢，以便更有針對性的對托梁進行結構優化，然后用SolidWorks Simulation對優化后結構進一步分析對比，完成托梁的整個優化過程。這種方法使得零件的結構設計更加合理，有效縮短了開發周期，提高了產品的設計效率，具有實際應用價值。經優化后的托梁結構已在新型驗光儀中得到應用，相比原結構具有了更好的穩定性和經濟性。

[1] 王寶成.有限元分析法[M].天津：天津科學技術出版社，2001.

[2] 二代龍震工作室.SolidWorks+Motion+Simulation建模/機構/結構綜合實訓教程[M].北京:清華大學出版社，2009.

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

[4] 機械設計手冊(上)[M].北京:化學工業出版社,1983: 54.

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