基于solidworks simulation的結構受壓的變化及優化方式

陳軍

摘 要：在工業結構中，經常遇到橫截面加筋的問題，也就是如何合理的設計出一種類型的筋板使得整體結構受力更加均勻，最大應力更小，變形更小，我們將此類的優化統稱為機械優化設計。機械優化設計是一門非常重要的學科，在機械工程中具有非常重要的應用價值.現代技術的飛速發展，尤其是計算機技術的進步，推動了機械工程中的設計方法和技術創新的發展[1]。本文講述了通過solidworks simulation的優化并分析，得出較為合理的截面形狀。

關鍵詞：結構優化、體積與質量角度、solidworks simulation

有限元法是將連續體離散化，通過對有限個單元作分片插值求解各種力學、物理問題的一種數值方法。有限元法把連續體離散成有限個單元，單個單元的場函數是只包含有限個待定節點參量的簡單場函數，這些單元場函數的集合就能近似代表整個連續體的場函數。根據能量方程或加權參數方程可建立有限個待定參量的代數方程組，求解此離散方程組就得到有限元法的數值解。有限元法已被用于求解線性和非線性問題，并建立了各種有限元模型[2]。

solidworks simulation是達索公司旗下子公司的SolidWorks產品中的一個優化設計模塊，運用了有限元分析原理，通過軟件設計編程，實現了計算機自動計算。在有限元分析中涉及到了大量的復雜的計算，需要深厚的數學功底，花費巨量的時間才能計算出結果，并且計算的過程中非常容易出錯，而通過solidworks simulation模塊，可以快速模擬受力情況，并根據現有的情況進行計算機自動分析，這樣就可以使一般的工程技術人員，通過短期的培訓就能夠進行產品分析，并且快速的得到相應的計算結果，然后再通過計算結果進行相應的分析，不斷地優化迭代，形成最終產品結構，極大的縮短的研發周期，降低的設計成本，提高的產品設備的質量，從而可以給公司帶來更大的利益。

1、從占用體積的角度分析結構強度

在很多結構設計中會遇到加強筋的設計，在外形一定的空腔中加入一定的筋結構，使得結構的抗壓能力更高。這種情況下，結構的外形并沒有發生改變，整體的強度得到了增強，但是不同形式的加強筋可以得到不同強度的結構。一般情況下，設計人員是希望強度能夠約高約好，而外形體積不變，這個時候，我們可以通過在內部增添各種形式的筋板，再通過solidworks simulation進行有限元分析分別得出不同形式下的結構強度結果，最后進行對比選擇，選出較優解。

在圖1中可見一口子型截面，底面為固定面，上表面受均布正壓力，此時在其內部增加加強筋，使得整體結構受力更加均勻，最大應力更小，變形更小。可以從機床設計手冊和機械設計手冊中得出內部加筋有叉字型（圖2）、十字型（圖3）、米字型（圖4）、太陽型（圖5）這四類常用類型，結論中說明太陽型優于米字型、米字型優于其他兩型。其實也很好理解，從截面圖上看，不考慮模型的厚度時，太陽型的交點最多，米字型其次，其余兩型較少，所以交點較多的截面將所受到的力逐步分攤出去，故結構受力更加均勻，最大應力更小，變形更小。

僅僅從占用體積的角度分析，如果這四類形式的加強筋厚度相同，那么這四種類型的占用體積是一致的，即在設備中占用的空間一樣，但它們的質量是太陽型重于米字型、米字型重于其他兩型。當所設計的設備不考慮質量影響時，那么結構的剛度K和應力σ依然是太陽型優于米字型、米字型優于其他兩型。

2、從占用體積與質量的雙角度分析結構強度

在第1條中，我們考慮了通過加強筋去強化外形一定的空腔結構，從上述結果中，可以清晰的分析出此時結構的強度確確實實得到了極大的提高，但是設計人員會發現每一種添加加強筋后的結構的質量也是各不相同。在很多時候，我們非常在乎設備質量的情況下，如在有額定載荷要求的樓層或設備底層結構不允許超過一定載荷，那么第1條中所涉及的優化方式并不一定適合，此時，我們需要從體積與質量這兩個角度去進行分析，我們依然是通過solidworks simulation進行有限元分析，在不超過任務書中要求的質量的情況下，得到不同形式下的結果，再通過結果中顯示出的低強度位置，合理分配加強筋到各個薄弱部位，將筋板質量盡量增加到薄弱位置，減少或去除非薄弱位置的筋板質量，此消彼長地去優化設計空腔內的結構，最終可以得到收斂解，即為較優解。

當我們從體積與質量這兩個角度去分析時，如果這四類形式的加強筋厚度相同，占用體積也相同，但剛度與質量的比值K/m（即K表示剛度，m表示質量），就很難判斷出哪種類型的K/m值更高。在一般情況下，質量越大，剛性也會越大，所以如果在一個設備中，設備是比較重視質量，那么這個K/m值就不容忽視。

我們通過控制變量法，改變這四種類型的加強筋厚度，使得這四種類型的截面模型質量相等，我們分別來分析一下他們的剛度K和應力σ。

第一種是叉字型，進過solidwork simulation有限元軟件分析，如圖2得，最大變形量在上表面中間位置，為0.32mm，而最大應力在左上角和右上角處，為621Mpa。

第二種是十字型，進過有限元軟件分析，如圖3得，最大變形量在上表面的三分之一位置，為0.05mm，而最大應力在截面中間處，為199Mpa。

第三種是米字型，進過有限元軟件分析，如圖4得，最大變形量在上表面中間略偏兩側位置，為0.07mm，而最大應力在截面中間處，為345Mpa。

第四種是太陽型，進過有限元軟件分析，如圖5得，最大變形量在上表面中間略偏兩側位置，為0.14mm，而最大應力在截面中間處，為709Mpa。

從上面的四種情況來看，相同質量的筋板的情況下，太陽型是剛性最差的，而十字型是剛性最好的。可以看出如果我們按照原有理論照搬，會出現嚴重的錯誤，因為需要控制質量不變，那么筋的截面積需要相等，越復雜的截面，筋便會越多，會導致筋的厚度減小，從而導致強度降低。

3、從占用體積與質量的雙角度優化結構強度

此時，可以通過第2條中的講述的減少或去除非薄弱位置的筋板質量，增添薄弱位置的筋板質量來提高腔體強度，并保持質量不變。

那么，我們可以從另一個角度去優化剛性且減小變形。可以將不加筋板的零件進行solidwork simulation分析，如圖6，我們分析得出其在相同均布力下的最大變形量在上表面中間位置，為0.37mm。這個變形量比上述四種的變形量都要大，很顯然，加強筋是有作用的，但是加強筋的位置不一樣導致加強作用也不一樣。

由于上表面中間變形最大，首先考慮在中間加一條立筋，這就解釋了圖3十字型的結構要優于其他結構的原因。如圖7，在截面中間加一條立筋，為了保證加筋板后的零件質量和上述四種形式相同，則要保證截面面積一樣，那么這條筋的厚度較上述四種類型要厚得多，分析出最大變形量在上表面的約四分之一位置，為0.035mm。但是這并不一定是最優的方案，因為此時的我們并不知道，若分出一部分面積，在圖7中的最大變形量位置加上筋支撐，如圖8所示，此時的最大變形量依然在上表面的約四分之一位置，為0.032mm，但是很明顯，變形量較圖7已經減少。

此時還可以繼續增加圖8中兩側斜筋的厚度，減小立筋的厚度，使得最大變形量最小，但是根據分析后會發現，此時的變化并不大;

4、結論

從中可以見得，優化結構截面的方式是通過分析原始狀態下，不斷的加強薄弱位置，削弱剛性大的位置，保持質量不變，我們會得出一種比較滿意的截面，這樣此時的結構截面就是較為優化的截面。通過這樣的截面拉伸出來的三維模型即是我們所需要的結構。

以小見大，在現代計算機發達的年代，通過計算機solidwork simulation的輔助分析，我們可以不斷的嘗試新的結構，在最原始結構上使用軟件分析出目標變形量，將此位置與變形較小位置用筋板相連，再次分析得出結果后進行 ，不斷的迭代后，我們將會發現收斂的值，此時的結構就是我們所需要的目標結構。

參考文獻：

[1]季霞. 機械結構優化設計的綜述與展望之我見[J]. 建筑工程技術與設計， 2016， 000（012）：3028.

[2]陳永當， 鮑志強， 任慧娟，等. 基于SolidWorks Simulation的產品設計有限元分析[J]. 計算機技術與發展， 2012， 22（9）：4.