基于Solidworks Simulation的測(cè)量?jī)x器部件熱變形模擬

摘要：為提高某測(cè)量?jī)x器的測(cè)量精度，本文應(yīng)用Solidworks建立了儀器機(jī)架與導(dǎo)軌部件的三維模型，在Simulation模塊下對(duì)此部件進(jìn)行了熱變形模擬，得到了部件在溫度變化下的變形云圖，給出了部件發(fā)生彎曲變形的原理及改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，并對(duì)改進(jìn)后的部件進(jìn)行了熱變形模擬，結(jié)果顯示改進(jìn)后的部件在溫度變化的情況下變形較小。

關(guān)鍵詞：機(jī)架;導(dǎo)軌;Simulation;溫度;變形

引言

鋼鐵企業(yè)連續(xù)鑄鋼（簡(jiǎn)稱(chēng)連鑄）生產(chǎn)過(guò)程中，需要定時(shí)檢測(cè)結(jié)晶器上口及下口寬度值，以往操作工人經(jīng)常采用鋼板尺等傳統(tǒng)工具測(cè)量，測(cè)量精度無(wú)法保證，針對(duì)此實(shí)際需求設(shè)計(jì)了一種專(zhuān)用檢測(cè)儀器，測(cè)量精度大幅提高，操作簡(jiǎn)便靈活，但是在儀器實(shí)際使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)環(huán)境溫度的變化對(duì)設(shè)備測(cè)量精度有很大影響，經(jīng)過(guò)分析是因?yàn)閮x器機(jī)架與安裝在其上的導(dǎo)軌發(fā)生了熱彎曲變形導(dǎo)致。為模擬機(jī)架與導(dǎo)軌部件的熱彎曲變形，掌握其實(shí)際變形情況，首先，根據(jù)儀器實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸，應(yīng)用Solidworks建立了機(jī)架與導(dǎo)軌部件三維模型。其次，在simulation模塊下依據(jù)實(shí)際溫度變化情況進(jìn)行了熱變形模擬，并得到模擬結(jié)果。最后，根據(jù)分析模擬結(jié)果數(shù)后給出了結(jié)構(gòu)改進(jìn)意見(jiàn)，并對(duì)改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)再進(jìn)行熱變形模擬，結(jié)果顯示改進(jìn)方法有效，本文結(jié)論對(duì)此類(lèi)設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。

一、測(cè)量?jī)x器機(jī)架與導(dǎo)軌部件結(jié)構(gòu)

測(cè)量?jī)x器機(jī)架與導(dǎo)軌組成的部件截面圖如圖1所示，機(jī)架與導(dǎo)軌長(zhǎng)度都為1230mm，二者通過(guò)多根螺栓連接。機(jī)架用于支撐儀器導(dǎo)軌等其他零部件，導(dǎo)軌上安裝有滑塊，滑塊可以在導(dǎo)軌上往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，儀器測(cè)頭固定在滑塊上，用于檢測(cè)結(jié)晶器上下口尺寸。因此，如機(jī)架與導(dǎo)軌部件發(fā)生彎曲變形將直接影響儀器測(cè)量精度。

二、機(jī)架與導(dǎo)軌部件隨環(huán)境溫度變化彎曲原理

此測(cè)量?jī)x器機(jī)架與導(dǎo)軌在長(zhǎng)度方向通過(guò)多根螺栓緊固在一起，其中機(jī)架材質(zhì)為鋁合金，導(dǎo)軌材質(zhì)為合金鋼。

由物體熱膨脹計(jì)算公式：（其中為物體長(zhǎng)度變化量，為材料熱膨脹系數(shù)，為物體原長(zhǎng)，為溫度變化量），又機(jī)架與導(dǎo)軌原長(zhǎng)相等，所處環(huán)境溫度變化量相等，可知二者長(zhǎng)度變化量大小取決于熱膨脹系數(shù)，又鋁合金熱膨脹系數(shù)（2.4×10-5/k）要大于合金鋼熱膨脹系數(shù)（1.3×10-5/k），所以機(jī)架熱膨脹量要大于導(dǎo)軌，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)部件會(huì)向?qū)к壱粋?cè)發(fā)生彎曲變形。

三、機(jī)架與導(dǎo)軌部件熱膨脹變形模擬邊界條件

a.依據(jù)機(jī)架與導(dǎo)軌的實(shí)際尺寸，應(yīng)用Solidworks建立部件三維模型，并作為熱變形模擬的計(jì)算模型。

b.機(jī)架材質(zhì)設(shè)置為鋁合金（熱膨脹系數(shù)為2.4×10-5/k、彈性模量為6.9×1010N/m2、泊松比為0.33），導(dǎo)軌材質(zhì)設(shè)置為合金鋼（熱膨脹系數(shù)為2.4×10-5/k、彈性模量為2.4×1011N/m2、泊松比為0.28）。

c.機(jī)架一端面設(shè)置為“固定約束”，機(jī)架與導(dǎo)軌之間的接觸設(shè)置為“接合”[3]。

d.部件零應(yīng)變溫度設(shè)置為25℃，環(huán)境溫度設(shè)置為35℃，即模擬環(huán)境溫度從25℃變化到35℃的情況[1]。

四、熱變形模擬結(jié)果

選取機(jī)架與導(dǎo)軌部件側(cè)向視圖做為觀察視向，即部件發(fā)生弓形彎曲的平面，如圖2所示，為便于觀察部件變形趨勢(shì)，云圖變形量已放大50倍[2]。

從圖2部件變形云圖可以看出，在環(huán)境溫度從25℃增加到35℃的情況下，部件整體變形最大值達(dá)到2mm，且向?qū)к壱粋?cè)彎曲，究其原因是因?yàn)樵跓崤蛎涀冃芜^(guò)程中，材質(zhì)為鋁合金的機(jī)架伸長(zhǎng)量大于材質(zhì)為合金鋼的導(dǎo)軌，當(dāng)部件發(fā)生彎曲變形后，安裝有測(cè)頭的滑塊運(yùn)動(dòng)軌跡也會(huì)隨之改變，進(jìn)而影響儀器測(cè)量精度。因此，機(jī)架與導(dǎo)軌部件采用一側(cè)為機(jī)架，另一側(cè)為導(dǎo)軌的不對(duì)稱(chēng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，且材質(zhì)不同，在實(shí)際測(cè)量?jī)x器設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)予以避免。

針對(duì)圖1結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，對(duì)部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行改良設(shè)計(jì)如圖3所示，其是在圖1結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上在機(jī)架另一側(cè)安裝了相同的導(dǎo)軌，使得整個(gè)部件成為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，預(yù)計(jì)在熱變形過(guò)程中可以有效減少?gòu)澢冃巍?/p>

采取與圖2相同的視圖，相同的邊界條件，變形量放大50倍觀看，改良后結(jié)構(gòu)的熱變形云圖如圖4所示。

從圖中可以看出在相同的條件下，改良后的部件最大變形量只有0.2mm，變形量極小近十倍，幾乎無(wú)彎曲變形。因此，機(jī)架與導(dǎo)軌部件采用對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以很大程度上避免發(fā)生因溫度變化引起的彎曲變形，其中一導(dǎo)軌用于支撐滑塊往復(fù)運(yùn)動(dòng)，另一導(dǎo)軌用于限制整個(gè)部件發(fā)生彎曲變形。

綜上可知，合理的設(shè)計(jì)機(jī)架與導(dǎo)軌部件的結(jié)構(gòu)，可以有效的避免其因溫度變化發(fā)生彎曲變形。

五、結(jié)論

（一）在溫度變化的情況下，測(cè)量?jī)x器機(jī)架與導(dǎo)軌部件發(fā)生彎曲變形的情況需在設(shè)計(jì)過(guò)程中予以考慮，否則會(huì)影響儀器測(cè)量精度。

（二）測(cè)量?jī)x器機(jī)架與導(dǎo)軌材質(zhì)不同，且采用非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在溫度變化的情況下，發(fā)生彎曲變形情況較為明顯，嚴(yán)重影響儀器測(cè)量精度。

（三）測(cè)量?jī)x器機(jī)架與導(dǎo)軌材質(zhì)不同，但采用對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在溫度變化的情況下，幾乎不發(fā)生彎曲變形，有利于提高儀器測(cè)量精度。

參考文獻(xiàn)：

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[3]張永峰，基于SolidWorks Simulation的壓頭熱應(yīng)變分析[J].山西電子技術(shù)，2012，（4）：49-50.

支持項(xiàng)目：2020年內(nèi)蒙古自治區(qū)高校科研項(xiàng)目

作者簡(jiǎn)介：

孟強(qiáng)（1983-），男，內(nèi)蒙古通遼市人，碩士研究生，講師。