基于Solid Works Simulation的3D打印機機體靜力學(xué)分析

呂 蒙，牛晨旭，楊辰飛

（鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 451460）

SolidWorks軟件是世界上第一款基于Windows系統(tǒng)的三維模型軟件[1]，經(jīng)過近30年的發(fā)展其已經(jīng)成為一款集CAD、CAE、CAM于一體的綜合軟件系統(tǒng)。SolidWorks Simulation是集成于Solid Works軟件的一款CAE軟件系統(tǒng)，設(shè)計者可以通過簡單的步驟完成諸如：靜應(yīng)力、熱力、頻率、屈曲、疲勞、跌落測試等算例分析。計算機輔助分析的應(yīng)用，可以大大節(jié)省設(shè)計階段的樣機測試和實驗成本，縮短產(chǎn)品設(shè)計周期，提高產(chǎn)品可靠性[2]。

目前，龍門框架結(jié)構(gòu)的3D打印機作為一種應(yīng)用最為廣泛的3D打印設(shè)備[3]，其機體設(shè)計能較大程度的影響其打印成型的質(zhì)量。通過SolidWorks對機體框架的建模和靜力學(xué)仿真，能夠為高速、高精度、高可靠性的3D打印機設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 3D打印機機體框架建模

龍門框架結(jié)構(gòu)的FDM型3D打印機機體結(jié)構(gòu)主要包括：底座框架、框架式立柱、橫梁等[4]。由于3D打印機在工作時不產(chǎn)生較大的切削力，因此其機體框架可采用輕量化設(shè)計，但輕量化的設(shè)計會削弱機體強度和剛度，在安裝相關(guān)必要設(shè)備后導(dǎo)致機體結(jié)構(gòu)承受較大外部載荷，進而發(fā)生相應(yīng)的微觀變形。而較大的機體變形會嚴重影響打印機的高精度打印質(zhì)量。對影響3D打印機打印精度較大的Y軸、X軸框架進行簡化建模，如圖1所示。

圖1 3D打印機X軸與Y軸機體框架

如圖1所示，Y軸為整體框架式設(shè)計，采用10 mm厚度的6061T4鋁合金板材，Y軸框架分為對稱的左右兩側(cè)框架，分別安裝有兩套直線導(dǎo)軌與滑塊；X軸橫梁通過兩端的安裝塊整體安裝于Y軸兩側(cè)的導(dǎo)軌滑塊上，使橫梁能夠在電機的驅(qū)動下沿Y軸方向整體平移，X軸橫梁上裝有一套直線導(dǎo)軌滑塊，滑塊的移動方向與Y軸滑塊垂直；其中FDM型3D打印機的打印噴頭部分安裝于X軸橫梁的滑塊上，并能夠沿X軸方向平移[5]。

2 3D打印機機體的靜力分析

根據(jù)3D打印機的輕量化設(shè)計結(jié)構(gòu)特點和穩(wěn)定性要求，需要重點分析其X軸框架和Y軸框架在安裝打印噴頭等外部設(shè)備后的應(yīng)力、變形情況。使用SolidWorks打開已保存的3D打印機模型，打開SolidWorks Simulation分析插件，新建靜力分析算例，軟件提供詳細的算例向?qū)В瑢λ治瞿Ｐ瓦M行以下參數(shù)設(shè)置[6]。

2.1 材料設(shè)置

選擇模型中各零件進行，材料設(shè)定，其中導(dǎo)軌材質(zhì)設(shè)置為合金鋼，滑塊材質(zhì)設(shè)定為碳鋼，其余機體框架結(jié)構(gòu)設(shè)定為6061T4鋁合金材質(zhì)。設(shè)定完畢后，系統(tǒng)自動加載相關(guān)材料的力學(xué)參數(shù)，如有不滿足計算的參數(shù)可進行自定義設(shè)置。

2.2 接觸類型設(shè)置

為簡化模型和降低計算復(fù)雜性，選擇零部件接觸—全局接觸。

2.3 夾具設(shè)置

通過夾具設(shè)置為模型選擇一個固定方式，可選方式有：固定連接、滾柱/滑桿連接、固定鉸鏈、螺栓連接、彈性支撐、軸承連接等。本算例選擇兩個Y軸框架底面為固定連接方式，如圖2所示。

圖2 分析模型的相關(guān)參數(shù)設(shè)置

2.4 外部載荷設(shè)置

本算例主要計算X軸橫梁與Y軸框架在承載打印噴頭負載時的受力及變形情況，在X軸滑塊施加垂直向下的外力F模擬打印噴頭重力，并取2~3倍的安全系數(shù)，設(shè)置外部載荷F=10 N，如圖2所示。

2.5 生成網(wǎng)格

模型網(wǎng)格的生成對計算的效率、結(jié)果具有較大影響，網(wǎng)格劃分越粗計算速度越快、計算結(jié)果誤差越大；網(wǎng)格劃分越精細計算速度越慢、計算結(jié)果越準確。SolidWorks Simulation采用簡潔化的網(wǎng)格劃分方法，由于本算例模型采用精細化網(wǎng)格劃分以取得較好的計算效果，如圖2所示為模型的劃分網(wǎng)格。

3 計算結(jié)果及分析

待計算模型網(wǎng)格劃分后，檢查網(wǎng)格質(zhì)量，無誤后，在結(jié)果選項中選擇所需結(jié)果，包括：應(yīng)力、應(yīng)變、位移、反作用等，本算例選擇應(yīng)力、位移作為觀測結(jié)果。

根據(jù)圖3所示的模型應(yīng)力計算結(jié)果，最大應(yīng)力集中在X軸橫梁導(dǎo)軌與滑塊接觸的部位，其最大值為1.402 MPa，遠小于導(dǎo)軌的許用應(yīng)力，因此3D打印機的X軸與Y軸設(shè)計滿足強度要求。

根據(jù)圖4所示的模型位移計算結(jié)果，其最大位移發(fā)生在X軸橫梁的滑塊安裝部位，最大位移量為0.003 5 mm，機體的整體變形量不大于0.01 mm，完全滿足3D打印機的設(shè)計要求。

圖3 應(yīng)力分析結(jié)果云圖

圖4 變形分析結(jié)果云圖

4 結(jié)束語

通過對3D打印機機體模型的靜力學(xué)分析，可以在樣機設(shè)計階段快速的獲取理論數(shù)據(jù)，用于指導(dǎo)樣機的設(shè)計和優(yōu)化。

（1）通過便捷的靜力學(xué)仿真分析，可以得到模型設(shè)計所需的相關(guān)理論數(shù)據(jù)，為模型的設(shè)計和選材提供理論依據(jù)；

（2）通過靜力學(xué)仿真分析，可以驗證和優(yōu)化3D打印機的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，為機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的穩(wěn)定性和合理性提供理論指導(dǎo)；

（3）通過靜力學(xué)仿真分析，可以驗證零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計、板材的選型厚度是否符合設(shè)計要求，為后續(xù)的設(shè)計和優(yōu)化提供理論依據(jù)。

綜上所述，SolidWorks Simulation為用戶提供了一個便捷、快速的基于三維模型的力學(xué)仿真分析平臺。通過三維模型設(shè)計和力學(xué)仿真為產(chǎn)品樣機的設(shè)計和優(yōu)化提供理論指導(dǎo)和依據(jù)，進而縮短樣機研發(fā)、設(shè)計周期和節(jié)約設(shè)計、制造及樣機實驗驗證的成本。

[1]魏加興，農(nóng)田友，陸尚平.基于SolidWorksSimulation的節(jié)能洗車裝置結(jié)構(gòu)應(yīng)力仿真分析研究[J].裝備制造技術(shù)，2017（10）：33-34，55.

[2]苗玉剛，趙 峰，何 斌.基于SolidWorksSimulation的工裝壓板有限元分析及優(yōu)化設(shè)計[J].煤礦機械，2015，36（11）：192-194.

[3]陳 鵬，劉 焱，梅永亮.FDM桌面3D打印機的創(chuàng)新設(shè)計[J].機械設(shè)計，2017（02）：126-128.

[4]劉欣靈.3D打印機及其工作原理[J].網(wǎng)絡(luò)與信息，2012（02）：30.

[5]武棟梁，解 丹，武 岳.3D打印機結(jié)構(gòu)總體方案的設(shè)計[J].機械裝備，2017（8）：49.

[6]李 健.SolidWorksSimulation軟件在產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用[J].機械與電氣工程，2012，11（3）：84-87.