基于SolidWorks simulation的验光仪托梁的结构优化

黄鑫云

(中北大学 光电仪器厂,山西 太原 030051)

0 引言

验光仪升降结构中支撑光学系统的是托梁，它的结构与光学系统的运动平稳度、仪器整体的质量和外形尺寸等密切相关。设计中要求托梁在保证一定强度的前提下，质量越轻、外形尺寸越小越好。本文采用整体有限元分析方法，借助有限元分析软件SolidWorks Simulation对托梁进行有限元分析，从而得到准确的、快速的设计，优化了方案，以降低产品的设计成本，缩短开发周期，给企业带来最大的经济效益。

1 理论基础

SolidWorks Simulation软件采用了有限元方法 (FEM)[1]。FEM是一种用于分析工程设计的数字方法。FEM将模型划分为许多称作单元的简单小块形状，从而有效地用许多需要同时解决的小问题来替代一个复杂问题。SolidWorks Simulation是一个与 SolidWorks完全集成的设计分析系统，它一般可分为三个部分：前期处理、分析计算和后期处理。前期处理包括零件模型的建立、定义材料属性、指定约束和载荷及划分网格；后期处理包括结果输出和优化[2]。

2 三维模型的建立

根据验光仪的升降结构，在SolidWorks中建立了托梁的三维几何模型，如图1所示。

图1 验光仪托梁三维几何模型

3 Simulation有限元分析[3]

3.1 定义材料属性

选定托梁的材料为2014铝合金，其弹性模量(EX)为7.3×1010N/m2，泊松比(NUXY)为0.33NA，屈服强度(SIGYLD)为9.651×107 N/m2[4]。

3.2 指定约束和载荷

对托梁的约束有A、C两圆柱面加上B平面，其中A、C两面约束了托梁在x，z方向的移动与转动以及y方向的转动，B面约束了托梁y方向的移动，故“约束”可设置为A、B、C三面(图2)[5]。新型验光仪的光学系统质量约为5kg，故在D面上垂直施加“载荷”为50N的力(图3)。

图2 指定约束

图3 指定载荷

3.3 分析结果

采用Simulation默认的网格划分对托梁进行有限元分析，应力分布如图4所示。

图4 托梁应力分布图

经Simulation计算得到托梁的最大应力为1.588×106N/m2，最大变形量为6.786×10-3mm，最小安全系数为60.7804，说明该托梁强度是绝对符合要求的。但该设计过于保守，还有很大的改进设计余地，特别是可以根据应力分布情况，适当减少应力较低部分的材料用量，以降低成本，使结构轻量化。

4 优化设计

SolidWorks的一大优点是支持对设计方案的动态修改，经过对上述有限元分析结果的研究，逐步给托梁加上加强筋、切出空心型腔，可得到不同的三维模型，再利用Simulation进行分析，分析结果如图5所示。

图5 托梁优化结构应力分布图

将三种托梁结构的仿真分析结果进行比较(表1)，可见，加强筋结构虽然安全系数稍高，应力与变形量均较小，但是因应力与变形量三种结构均在同一数量级上，相差不大，仅以质量与安全系数之比进行比较，则空心型腔结构最合适，故实际应用时选空心型腔结构。

表1 不同结构托梁仿真分析结果

5 结论

利用SolidWorks Simulation软件对托梁的结构进行有限元分析，使得设计人员在设计中能清晰地了解到托梁每一点的应力一应变趋势，以便更有针对性的对托梁进行结构优化，然后用SolidWorks Simulation对优化后结构进一步分析对比，完成托梁的整个优化过程。这种方法使得零件的结构设计更加合理，有效缩短了开发周期，提高了产品的设计效率，具有实际应用价值。经优化后的托梁结构已在新型验光仪中得到应用，相比原结构具有了更好的稳定性和经济性。

[1] 王宝成.有限元分析法[M].天津：天津科学技术出版社，2001.

[2] 二代龙震工作室.SolidWorks+Motion+Simulation建模/机构/结构综合实训教程[M].北京:清华大学出版社，2009.

[3] 李秋生， 国亮杰， 王文彬，等.基于Solidworks Simulation的压铸机头板疲劳分析机电工程[J].2010,27(10):47-50.

[4] 机械设计手册(上)[M].北京:化学工业出版社,1983: 54.

[5] 邹慧君,等.机械原理[M].北京:高等教育出版社,2003.4: 12-15.