基于Solidworks Simulation的測量儀器部件熱變形模擬

摘要：為提高某測量儀器的測量精度，本文應用Solidworks建立了儀器機架與導軌部件的三維模型，在Simulation模塊下對此部件進行了熱變形模擬，得到了部件在溫度變化下的變形云圖，給出了部件發生彎曲變形的原理及改進設計方案，并對改進后的部件進行了熱變形模擬，結果顯示改進后的部件在溫度變化的情況下變形較小。

關鍵詞：機架;導軌;Simulation;溫度;變形

引言

鋼鐵企業連續鑄鋼（簡稱連鑄）生產過程中，需要定時檢測結晶器上口及下口寬度值，以往操作工人經常采用鋼板尺等傳統工具測量，測量精度無法保證，針對此實際需求設計了一種專用檢測儀器，測量精度大幅提高，操作簡便靈活，但是在儀器實際使用過程中發現環境溫度的變化對設備測量精度有很大影響，經過分析是因為儀器機架與安裝在其上的導軌發生了熱彎曲變形導致。為模擬機架與導軌部件的熱彎曲變形，掌握其實際變形情況，首先，根據儀器實際結構尺寸，應用Solidworks建立了機架與導軌部件三維模型。其次，在simulation模塊下依據實際溫度變化情況進行了熱變形模擬，并得到模擬結果。最后，根據分析模擬結果數后給出了結構改進意見，并對改進后的結構再進行熱變形模擬，結果顯示改進方法有效，本文結論對此類設備結構設計具有重要的指導意義。

一、測量儀器機架與導軌部件結構

測量儀器機架與導軌組成的部件截面圖如圖1所示，機架與導軌長度都為1230mm，二者通過多根螺栓連接。機架用于支撐儀器導軌等其他零部件，導軌上安裝有滑塊，滑塊可以在導軌上往復直線運動，儀器測頭固定在滑塊上，用于檢測結晶器上下口尺寸。因此，如機架與導軌部件發生彎曲變形將直接影響儀器測量精度。

二、機架與導軌部件隨環境溫度變化彎曲原理

此測量儀器機架與導軌在長度方向通過多根螺栓緊固在一起，其中機架材質為鋁合金，導軌材質為合金鋼。

由物體熱膨脹計算公式：（其中為物體長度變化量，為材料熱膨脹系數，為物體原長，為溫度變化量），又機架與導軌原長相等，所處環境溫度變化量相等，可知二者長度變化量大小取決于熱膨脹系數，又鋁合金熱膨脹系數（2.4×10-5/k）要大于合金鋼熱膨脹系數（1.3×10-5/k），所以機架熱膨脹量要大于導軌，進而導致整個部件會向導軌一側發生彎曲變形。

三、機架與導軌部件熱膨脹變形模擬邊界條件

a.依據機架與導軌的實際尺寸，應用Solidworks建立部件三維模型，并作為熱變形模擬的計算模型。

b.機架材質設置為鋁合金（熱膨脹系數為2.4×10-5/k、彈性模量為6.9×1010N/m2、泊松比為0.33），導軌材質設置為合金鋼（熱膨脹系數為2.4×10-5/k、彈性模量為2.4×1011N/m2、泊松比為0.28）。

c.機架一端面設置為“固定約束”，機架與導軌之間的接觸設置為“接合”[3]。

d.部件零應變溫度設置為25℃，環境溫度設置為35℃，即模擬環境溫度從25℃變化到35℃的情況[1]。

四、熱變形模擬結果

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

從圖2部件變形云圖可以看出，在環境溫度從25℃增加到35℃的情況下，部件整體變形最大值達到2mm，且向導軌一側彎曲，究其原因是因為在熱膨脹變形過程中，材質為鋁合金的機架伸長量大于材質為合金鋼的導軌，當部件發生彎曲變形后，安裝有測頭的滑塊運動軌跡也會隨之改變，進而影響儀器測量精度。因此，機架與導軌部件采用一側為機架，另一側為導軌的不對稱機構設計，且材質不同，在實際測量儀器設計過程中應予以避免。

針對圖1結構的缺點，對部件結構進行改良設計如圖3所示，其是在圖1結構的基礎上在機架另一側安裝了相同的導軌，使得整個部件成為對稱結構，預計在熱變形過程中可以有效減少彎曲變形。

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，改良后結構的熱變形云圖如圖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，幾乎無彎曲變形。因此，機架與導軌部件采用對稱結構設計可以很大程度上避免發生因溫度變化引起的彎曲變形，其中一導軌用于支撐滑塊往復運動，另一導軌用于限制整個部件發生彎曲變形。

綜上可知，合理的設計機架與導軌部件的結構，可以有效的避免其因溫度變化發生彎曲變形。

五、結論

（一）在溫度變化的情況下，測量儀器機架與導軌部件發生彎曲變形的情況需在設計過程中予以考慮，否則會影響儀器測量精度。

（二）測量儀器機架與導軌材質不同，且采用非對稱結構設計，在溫度變化的情況下，發生彎曲變形情況較為明顯，嚴重影響儀器測量精度。

（三）測量儀器機架與導軌材質不同，但采用對稱結構設計，在溫度變化的情況下，幾乎不發生彎曲變形，有利于提高儀器測量精度。

參考文獻：

[1]孟慶霞，基于Solidworks simulation的熱裝法溫度場分析[J].設備管理與維修，2018，（19）：10-12.

[2]陳超祥，Solidworks Simulation基礎教程[M]機械工業出版社，2017.

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

支持項目：2020年內蒙古自治區高校科研項目

作者簡介：

孟強（1983-），男，內蒙古通遼市人，碩士研究生，講師。