基于SolidWorks的切割机移动工作台有限元分析

周琦， 张嘉伟

（江阴职业技术学院 机电工程系，江苏 江阴214400）

0 引 言

超薄铝型材自动切割机是一种针对厚度为0.5～0.8 mm的难切割铝型材设计的新型切割设备，其结构主要由机架、工作进给单元和切割单元等组成。其中，移动工作台是工作进给单元的进给对象，切割单元的工作台是联系切割机两个核心单元的关键零部件，在切割机中具有重要的作用，其可靠性和稳定性对切割机的安全、快速且稳定运行非常重要。随着计算机技术及其设备的快速发展，传统的物理样机试验验证手段过于单一，且耗费时间长、成本较高。因此，在机电设备结构设计阶段采用虚拟样机技术，通过模拟仿真的手段来验证结构设计的合理性、振动和噪声及产品性能，及时发现问题并改进优化，是一种切实可行的现代机械设计方法。

本文通过SolidWorks软件建立超薄铝型材自动切割机的移动工作台模型，利用其Simulation模块对移动工作台进行静态和疲劳分析，通过采用虚拟样机技术分析移动工作台的结构强度和疲劳寿命，以保证设备能够满足设计使用和运行需求。

1 建立移动工作台三维模型

按照机械设计的结构布局与尺寸，在SolidWorks软件中建立超薄铝型材自动切割机移动工作台的三维实体模型。为便于计算分析，建模时对移动工作台进行了合理的简化，省略了对其结构性能分析结果影响较小的部分结构特征（如螺钉孔等），简化后的铝型材自动切割机移动工作台三维模型如图1所示。

图1 移动工作台三维模型

2 移动工作台静态分析

有限元分析中的静力学分析主要研究机械零部件正常工作情况下的强度，保证所设计的零部件能够满足设计要求。传统的机械静力学分析主要是在理论计算的基础上，对物理样机进行各项静强度试验，分析周期长且成本较高。采用SolidWorks软件的Simulation模块对超薄铝型材切割机的移动工作台进行静态强度分析，验证移动工作台的静强度和可靠性，可为超薄铝型材切割机的设计提供一种高效、实用、廉价的方法。

在SolidWorks软件中进行移动工作台的静力学分析：首先，进入软件的办公室产品界面选择“Simulation”菜单，在算例顾问的下拉菜单中选择“新建”，类型选择为静态，建立移动工作台的静态分析算例；接着对移动工作台的有限元计算参数进行设置。具体过程如下：

1）定义材料属性。选择移动工作台的材料为45钢，设置材料属性：密度ρ=7850 kg/m3，弹性模量E=210 GPa，泊松比μ=0.28，屈服强度为σs=503 MPa，抗剪强度为σb=750 MPa。

2）设置约束条件。根据切割机的工作过程为移动工作台的添加约束，切割机在工作时移动工作台沿导轨架作往复直线运动，静止时底部支架通过滚轮与导轨连接，因此设定底部支架的滚轮位置为约束处。

3）施加载荷。根据切割机的设计计算数据，给移动工作台施加载荷。切割单元的主电动机转矩为148.56 N·m，切割单元对移动工作台的作用力大小为1450 N，以及移动工作台上液压油箱所产生的自身重力（g取9.8 m/s2）。

4）网格划分。移动工作台的网格划分采用自由网格，允许网格自由过渡，划分后模型的单元数为108 545个，节数为55 861个。移动工作台的网格划分模型如图2所示。

图2 移动工作台网格划分

图3 转移动工作台应力图

图4 转移动工作台位移图

图5 转移动工作台应变图

完成以上4个步骤的工作以后，实现了对移动工作台的有限元参数设置，接下来是对其进行静力学的有限元分析计算，得到移动工作台的应力、位移和应变图，具体计算结果如图3～图5所示。

由图3显示的结果分析可知，移动工作台在静态载荷作用下，其最大应力为220.6 MPa，远小于移动工作台的屈服极限580 MPa，设计的移动工作台强度完全能够满足工作要求。由图4可知，移动工作台的最大位移量为4.969 mm，主要发生在移动工作台的边缘夹具安装位置，该处的结构需要进行强化，可在其底部焊接加强筋以增加其强度。由图5可知，移动工作台的最大应变发生在连接支架，通过滚轮的弹簧缓冲不会对设备的性能造成影响。

3 移动工作台疲劳分析

疲劳破坏是指机械零部件在交变应力或应变反复作用下，材料性能发生改变甚至出现断裂的现象。机械零部件的疲劳破坏过程一般可分为以下三个阶段：

1）微观裂纹形成阶段。零部件在交变应力或应变作用下，应力最大位置逐渐发展成为应力集中点，从而在该点处首先形成细微的裂纹。

2）宏观裂纹形成阶段。微观裂纹形成后，在交变载荷作用下裂纹沿最大剪应力方向扩展，从而形成明显的宏观裂纹。

3）损坏断裂阶段。当裂纹扩展到一定程度时，零部件力学性能就会发生很大变化，导致在某一次加载时零部件发生突然断裂。

采用SolidWorks软件的Simulation模块进行疲劳分析的过程为：在对零部件静态分析结果的基础上，以应力和应力集中系数为参数，设置材料的S-N曲线，根据Miner线性损伤累积规则进行计算，得出零部件的疲劳寿命。

对超薄铝合金切割机移动工作台的疲劳分析的过程为：首先在Simulation模块中“新建”算例，类型中选择“疲劳”，建立移动工作台的疲劳分析算例；右键选择“添加事件”，在循环周期对话框中输入1000，为疲劳分析算例关联到前面完成的静态分析算例，比例为1，负载类型为完全反转（LR=-1），恒定振幅事件交互作用设置为随意交互作用，计算交变应力的手段为对等应力（von Mises），平均应力纠正选择Soderberg。同时，根据45钢的抗拉强度计算得到移动工作台的理论S-N曲线，根据材料实际情况修正后的S-N曲线如图6所示。在完成以上操作以后，点击“运行”进行疲劳分析计算，结果得到图7、图8所示的疲劳数据。

图6 移动工作台材料S-N曲线图

图7 疲劳分析损坏百分比图

从图7中可以看出，移动工作台在经过1000 次的交变载荷作用后，除了底部的连接支架外，其余部分的损坏百分比均小于1，如图中右边中部的深色区域为零件的薄弱区域，即位于移动工作台底部的连接支架，说明此处受到的静力较集中，容易发生疲劳裂纹和破坏，需要加大支架的厚度尺寸，以保证足够的疲劳寿命。

由图8可知，移动工作台绝大多数部位的疲劳次数大于1.167×108，高于无限疲劳次数，故符合移动工作台的设计寿命要求，寿命较低的区域集中在移动工作台底部的连接支架处，且区域相对较小，因此，根据仿真分析结果，为减小疲劳裂纹发生的概率，有必要重新对此处进行结构优化设计，以提高设备使用寿命，降低生产成本。

4 结 语

本文利用SolidWorks软件的Simulation模块，对超薄铝型材切割机关键零件移动工作台进行了结构静力学分析，得出其应力位移和应变情况，通过疲劳强度分析，得到其损坏百分比和生命总数图，并最终得出结论：该超薄铝合金切割机的移动工作台底部的连接支架强度和寿命较差，需要重新对此处进行结构优化设计。

本次研究采用的移动工作台有限元分析方法，同样适用于设备中其他零部件的设计，也为后续整机虚拟样机模型设计和有限元分析提供了一定的理论基础。