CAE技術在柱塞模型應力分析中的應用

張 豪

（江海職業技術學院，揚州 225101）

1 CAE技術概述與應用現狀

CAE（Computer Aided Engineering），即計算機輔助技術，經常被應用在產品結構設計及修改設計領域中。另外，CAE技術還能夠對整個產品及其重要受力零部件進行靜態、動態的力學分析計算，起到優化分析計算的作用?？梢哉f，CAE技術對產品設計有著非常強力的技術支持作用。SolidWorks Simulation是一款基于快速有限元算法（FFE）的設計分析軟件，是SRAC（Structural Research and Analsis Corporation，DS SolidWorks子公司）開發的工程分析CAE軟件之一，在應用SolidWorks Simulation軟件解決相關設計問題時，通常遵循以下四個步驟：建立數學模型、建立有限元模型、求解有限元模型和結果分析。

柱塞作為工程設備常用的機械零部件，在安全性方面要求很高。一旦出現事故，輕者影響生產，重者危及工作人員的生命安全。因此，柱塞應力校核和安全設計一直是學者關注的問題。利用CAE技術對柱塞模型進行應力分析，可以全面提升產品研發能力，縮短新產品的設計周期，分析產品結構，優化產品設計，降低制造成本，以最快的速度和最好的質量滿足客戶的產品需求。

2 柱塞模型的三維建模

在SolidWorks軟件中對柱塞模型建模，模型的三維建模圖形如圖1、圖2所示。

圖1 柱塞模型

圖2 柱塞模型剖面圖

3 柱塞模型的有限元分析

3.1 建立靜應力分析算例

首先打開SolidWorks插件卡片中的SolidWorks Simulation插件。在“算例”屬性管理器中建立新算例，定義名稱為“應力集中分析”，分析類型為“靜應力分析”。其次，在SolidWorks Simulation特征樹中的新建“靜應力分析1”上，右擊選中“屬性”，彈出的“靜應力分析”對話框中，設置解算器為“FFEPlus”，并選中“使用軟彈簧是模型穩定”復選按鈕。最后，在SolidWorks Simulation特征樹中右鍵單擊“柱塞”圖標，選中“應用材料”按鈕，打開“材料”對話框，選擇“材料來源”為“鋁合金”（2014鋁合金），彈性模量為7.3MPa、中泊松比0.33、中抗剪模量2.8MPa、質量密度2800kg/m3。

3.2 建立約束及施加載荷方法

首先，在“外部載荷顧問”下拉選項中選擇“力”按鈕，打開“力/扭矩”屬性管理器，單擊“法向力的面可殼體邊線”，在繪圖區域選中柱塞圓頂面。選擇受力方向為“法向”，在“力值”欄中設置法向力為0.8N，如圖3所示。

圖3 設置壓力參數

其次，設置約束。單擊“夾具顧問”圖標，彈出“Simulation顧問”欄，單擊“添加夾具”選項。選中“固定幾何體”后，分別選擇兩圓柱孔面作為約束元素，單擊確認完成約束的施加。如圖4所示。

3.3 網格劃分

在完成上述的準備工作后，再對模型進行網格劃，接下來才可進行求解。網格劃分應當單擊“運算此案例”——“生成網格”按鈕，打開“網格”屬性管理器，如圖5所示。調整好網格密度后，單擊確認，系統開始劃分網格，如圖6所示。

圖4 設置約束條件

圖5 “網格”屬性管理器

圖6 劃分網格后的柱塞模型

3.4 求解有限元模型

單擊“運算此案例”按鈕，SolidWorks Simulation則調用解算器進行有限元分析。

4 結果分析

求解完成后，雙擊SolidWorks Simulation特征樹中“應力1”圖標，在繪圖區域中觀察柱塞的應力分布情況，如圖7所示。

圖7 柱塞應力分布云圖

圖8 比較結果

從上圖中可以看出柱塞內部邊緣處應力最大，大約為1.79MPa。單擊“比較結果”，選擇應力1、位移1、應變1和位移1選項，勾選確定后得到如圖8所示結果。

右擊“結果”文件夾下的“應力1”圖標，在彈出的快捷菜單中選擇命令“探測”。打開“探測”對話框，在繪圖區域中沿板的左側邊線依次選擇12個點，這些點對應的應力都會顯示在“探測結果”對話框中。然后單擊報告選項中“圖解”按鈕，顯示應力——節點圖，改圖說明了應力隨圖形變化的情況，如圖9所示。

圖9 應力——節點圖

5 結語

運用CAE技術對柱塞模型建立虛擬的數學模型，并經過SolidWorks Simulation平臺對模型進行網格劃分及求解運算，得到了應力分布云圖，并通過探測生成了應力——節點圖，最終找到了柱塞發生變形翹曲所在，為優化柱塞在實際生產中的加工工藝提供了參考依據，也為企業在產品研發環節提供了理論支撐。