基于solidworks_simulation的升降架有限元分析

郑帅

（安徽理工大学机械工程学院，安徽淮南）

摘要：随着SolidWorks功能的增大和设计需要的加大，设计条件要近乎接近真实条件，所以要对设计的产品进行仿真。本文就升降架装配体进行静力学分析，以验证产品设计的合理性，为后期的进一步优化设计做准备。

关键词：SolidWorks；仿真；升降架装配体

The finite element analysis of lifting frame assembly based on

SolidWorks

Abstract: With the function of SolidWorks and the needs of design increases, real conditions come to be closed by design conditions, the simulation must be done in product designing. In this paper, the static analysis applied in lifting frame assembly, to verify the product design is reasonable, in preparation for the further optimization of the late.

Keywords: SolidWorks; Simulation; lifting frame assembly

1 引言

SolidWorks Simulation是一款基于有限元（即FEA数值）技术的设计分析软件，是SRAC开发的工程分析软件产品之一。在数学术语中，FEA也称之为有限单元法，是一种求解关于场问题的一系列偏微分方程的数值方法。这种类型的问题涉及许多工程学科，如机械设计、声学、电磁学、岩土力学、流体动力学等。在工程机械中，有限元分析被广泛的应用在结构、振动和传热问题上。

作为一个强有力的工程分析工具，FEA 可以解决从简单到复杂的各种问题。一方面，设计工程师使用FEA在产品研发过程中分析设计改进，由于时间和可用的产品数据的，需要对所分析的模型作许多简化。另一方面，专家们使用FEA来解决一些非常深奥的问题，如车辆碰撞动力学、金属成形和生物结构分析。

应用FEA软件分析问题时，有以下三个基本步骤：1）预处理：定义分析类型（静态、热传导、频率等），添加材料属性，施加载荷和约束，网格划分。2）求解：计算所需结果。3）后处理：分析结果。在应用SolidWorks Simulation时，也遵循以上三个步骤。通过对FEA方法的了解，列出下列步骤：1）建立数学模型。2）建立有限元模型。3）求解有限元模型。4）结果分析。

2 建立升降架模型

升降架由杆、滑块、基座组成。利用SolidWorks建立三维模型如图 2.1,2.2,2.3所示。

图2.1杆模型

图2.2 滑块模型

图2.3基座模型

将上述的几个零件装配起来就得到升降机的装配模型，如图2.4所示。

图2.4 剪刀升降架模型

3 剪刀升降机有限元分析

一载重1800N的剪刀升降机承受一外部水压柱筒作用，改水压柱筒与基座上的滑块相连。假设载荷均匀地分布于两个滚筒之上，而同时又均匀地传递到见到架的各臂上。在这种情况下，每臂所受载荷均为450N。需要做的是找出剪刀臂在collapsed 位置时，架子各部分的位移和应力，而不是注重销钉处的接触应力。分析步骤如下：

1) 打开装配体模型，并熟悉改装配体collapsed配置与extended。目的是分析Collapsed的配置下的装配体。

2) 激活配置collapsed。载重、水压柱筒、连接销以及其他很多细节都没有建立相应的模型。因而Solidworks的剪刀架装配体只是在一定程度上对剪刀架的理想化描述。模型如图3.1所示。

图3.1 剪刀升降架模型

3) 设定SolidWorks Simulation选项。设定全局【系统单位】为【公制（I)(MKS)】，【长度】单位为【毫米】，【应力】单位为

【2

/m

N】。

4) 创建算例。创建一个名为“collapsed- without base”的【静态】算例。

5）指定材料属性。指定材料【Plain Carbon Steel】到所有零部件。

6 ）装配体干涉检查。观察到装配体中仅有两个面是接触的，如图3.2所示。

图3.2 干涉检查

7）压缩零件底座。如图3.3所示。

图3.3 压缩底座

8）更新所有零件部件。由于底座部件是在算例“collapsed-without base”定义之后压缩的，所以必须更新算例的零部件。右击算例“collapsed-without base”并选择【更新所有零部件】。

9）定义虚拟壁。如图3.4所示，选择滑块地面作为【组1】，选择基准面base plane 作为【组2】。

图3.4 定义虚拟壁

10）定义铰链约束。右击【夹具】文件夹并选择【固定铰链】。选择最初链接base 的两个圆柱面，然后单击【确定】。结果如图3.5所示。

图3.5 定义铰链

11）定义销钉接头。在四个臂之间定义两个刚性【销钉】接头，在臂和滑块之间定义两个刚性【销钉】接头。在所有销钉中，允许连接零部件之间的相对旋转，但相对平移是被约束的，如图3.6所示。

图3.6 定义销钉接头

12 ）对滑块的圆柱面定义约束。为了模拟由水压柱筒提供的支撑，选择连接滑块的圆柱面要约束全局坐标X方向平移（朝活塞杆方向），如图所示3.7所示。

图3.7 定义约束

13)对连接件施加450N的力。在4个连接件零部件在有段的圆柱上各施加450的力。因此均布在4个连接位置上的总重为1800N,如图3.8所示。

图3.9 加载荷

4 网格划分及有限元分析

以【高】品质的单元划分模型网4格并取消【自动过度】选项。使用默认的【调整大小】10.8544mm及【公差】0.542719mm，结果如图3.10,3.11所示。

图3.10网格划分

图3.11 划分网格后

运行分析，注意到求解器发出有关大位移的警告信息。单击【否】，分析会继续直到完成。发现模型还没有屈服，且合位移相当小如图3.12，3.13所示

图3.12 应力分布图

图3.13 位移分布图

滑块约束圆柱面X方向（水压圆筒的方向）的反作用力大致为6350，如图3.14所示

图3.14 反作用力

列举滑块底面的接触和摩擦力，如图3.15所示。【法向力】为900N,刚好为总载荷的一半。【摩擦力】为37N。可以很容易验证该结果的正确性，即由公式450*0.1=45N。

图3.15 接触及摩擦力

以高倍放大比例图解显示滑块的变形形状。可以隐蔽Solidworks中所有其余的零部件，以更清晰地观察变形形状。可以看到滑块的中间部分和底座发生了分离，在两端只有面积非常小的接触，如图3.16所示。

图3.16放大变形

5 小结

本文运用SolidWorks对剪刀升降进行建模，并运用SolidWorks Simulation对其应力、应变以及位移进行了分析。在1800N的外力作用下，应用弹簧接头技术对弹簧进行等效，分析弹簧的刚度，从仿真结果可以看出弹簧的刚度满足要求。

参考文献：

[1] 叶修梓，陈超祥.SolidWorks Simulation基础教

程[K].北京：机械工业出版社，2009.