基于NX_Nastran的...部件结构静力分析及优化设计_周林浩.pdf

年月机电工程技术第卷第期 收 稿 日 期：周 林 浩基 于 的 显 微 镜 部 件 结 构 静 力 分 析 及 优 化 设 计 机 电 工 程 技 术，（）：基于 的显微镜部件结构静力分析及优化设计周 林 浩（江 西 凤 凰 光 学 科 技 有 限 公 司，江 西 上 饶）摘 要：以 显 微 镜 支 架 为 研 究 对 象，利 用 软 件模 块 对 显 微 镜 支 架 部 件 进 行 前 置 处 理、理 想 化 几 何 体、三 维 四 面 体 网格 划 分 等，生 成 对 应 的 模 型。采 用 有 限 元 分 析 法 研 究 在 静 力 情 况 下 支 架 部 件 的 受 力 情 况，找 到 结 构 设 计 优 化 点。通 过 仿真 对 显 微 镜 支 架 结 构 建 模 进 行 验 证，对 显 微 镜 支 架 部 件 结 构 强 度 和 刚 度 进 行 校 核，判 断 结 构 设 计 的 可 靠 性。依 据 仿 真 结 果 对 显 微 镜支 架 的 优 化 表 明，优 化 后 最 大 综 合 应 力 减 小，最 大 应 变 位 移 减 小。在 满 足 结 构 稳 定 性 的 前 提 下，优 化 后 支 架 质 量 减 少，满 足 轻 量 化 设 计 需 求。关 键 词：显 微 镜；静 力 学 分 析；优 化 设 计中 图 分 类 号：文 献 标 志 码：文 章 编 号：（）（，）：，：；引 言由 于 显 微 镜 机 构 的 复 杂 性，用 传 统 方 法 和 手 段 设 计和 分 析 容 易 导 致 设 计 不 够 准 确。因 此 显 微 镜 支 架 部 件 的结 构 设 计 尤 为 重 要。目 前 显 微 镜 支 架 部 件 可 通 过 简 化 公式、试 验 以 及 有 限 元 分 析 进 行 评 估 和 优 化 设 计。显 微 镜产 品 设 计 除 了 利 用 三 维 软 件 建 立 模 型 外，有 限 元 分 析 属于 最 关 键 的 环 节。新 产 品 设 计 中，应 力、应 变、力 矩、变 形 等 的 计 算 需 要 应 用 有 限 元 方 法 来 计 算，加 上 安 全 裕度 后 可 以 在 理 论 上 验 证 设 计 的 可 靠 性。本 文 首 先 应 用 软 件 中 的模 块对 显微 镜 支 架 部 件 进 行 有 限 元 分 析，得 出 支 架 的 应 力 及 位 移云 图，观 察 整 个 支 架 在 受 力 情 况 下 的 变 形 量，分 析 材 料的 选 取 和 结 构 设 计 的 可 行 性，验 证 结 构 稳 定 性。采 用模 块 对 支 架 部 件 进 行 有 限 元 分 析 后 再 进 行 优 化 设计，免 除 了 零 件 或 样 机 的 制 作，提 前 修 正 产 品 设 计。对支 架 压 铸 件 壁 厚 和 结 构 进 行 分 析，通 过 增 加 支 架 提 手、修 改 支 架 壁 厚 等 方 式 建 立 优 化 后 的 模 型，并 进 行 对 比，以 优 化 后 的 结 构 满 足 稳 定 性、强 度 和 刚 度、以 及 减 轻 质量 的 需 求。显 微 镜 支 架 三 维 参 数 模 型 的 建 立显 微 镜 支 架 用 于 支 撑 显 微 镜 的 各 个 部 件，其 加 工 精度 和 使 用 过 程 的 变 形 量 有 很 高 要 求。产 品 设 计 时 需 要 建立 三 维 模 型，对 核 心 部 件 支 架 进 行 有 限 元 分 析。本 文 首 先 对 显 微 镜 支 架 部 件 设 计、材 料 的 选 取、有限 元 分 析 及 优 化 设 计 做 详 细 的 说 明。显 微 镜 支 架 由 三 维参 数 化 模 型 通 过 的 三 维 模 型 设 计，软件 中 的模 块 通 常 在 理 想 化 状 态 下 进 行，其 优 点 是简 化 理 想 化 模 型 后 的 分 析 结 果 与 原 模 型 差 别 极 小，因 此建 模 时 已 对 细 微 特 征 进 行 简 化 处 理，比 如 小 孔、圆 角 等，同 时 保 留 原 模 型 的 关 键 特 征，缩 短 划 分 网 格 时 间 和 求 解时 间，符 合 工 程 实 践。显 微 镜 支 架 材 料 的 选 取显 微 镜 支 架 部 件 属 于 形 状 复 杂 的 零 件，通 常 采 用 铝硅 合 金 压 铸 完 成。需 要 掌 握 其 力 学 性 能，作 为 设 计 零 件、选 用 材 料 时 的 重 要 依 据，是 产 品 工 艺、标 准 方 面 开 展 质量 控 制 的 主 要 参 数，也 是 验 收 技 术 标 准 的 依 据。压 铸件 模 具 费 用 整 体 比 较 昂 贵，因 此 在 开 模 具 之 前 要 进 行 理论 分 析。铸 造 铝 合 金 的 种 类 很 多，仪 器 产 品 设 计 中 支 架 部 件通 常 采 用 铝硅 合 金（）的 含 硅 量 为 。通 过 分 析 硅 晶 体 是 硬 脆 相，在 压 铸 件 浇 注 前，通常 会 在 液 体 合 金 中 增 加 含 有 氯 化 钠、氟 化 钠 等 组 成 的 变质 剂，使 得 浇 注 液 体 变 质，提 高 铝 合 金 的 力 学 性 能。铝硅 合 金（）物 理 性 能 参 数 如 表所 示。表铝硅 合 金（）成 分、性 能名 称选 项数 值化 学 成 分 力 学 性 能 （）（）物 理 性 能密 度（）熔 化 温 度 有 限 元 模 型 建 立利 用 应 用 软 件 中 的模 块 建 立 支 架 结构 三 维 图 型，如 图所 示。支 架 材 料 为 铝 合 金（），密 度 为 ，支 架 重 量 为 。图显 微 镜 支 架 部 件 结 构 示 意 图 支 架 结 构 网 格 划 分有 限 元 网 格 划 分 的 数 学 原 理 是 通 过 区 域 插 值 逼 近 真实 解，在 满 足 一 定 条 件 下，网 格 越 小，节 点 越 多，精 度越 高。通 常 在 进 行 有 限 元 分 析 时，网 格 划 分 大 小 会 采用 系 统 默 认 值 的或 者，但 是 网 格 划 分 得 越 小，有限 元 分 析 的 耗 时 越 长。平 面 问 题 直 接 离 散 化，把 原 结 构分 割 成 许 多 有 限 细 小 的 单 元，分 析 单 元 的 应 力 和 变 形，形 成 相 应 的 代 数 方 程，再 进 行 下 一 步 的 计 算。在 建 立 仿 真 模 型 过 程 中 需 要 为 模 型 划 分 网 格，即 将一 个 复 杂 的 实 体 三 维 模 型 分 成 若 干 个 相 对 比 较 简 单 的 模型，模 型 之 间 相 互 关 联、相 互 约 束，并 且 可 以 构 成 整 个实 体 结 构。采 用四 面 体 网 格 对 支 架 部 件 做 网 格 划 分，因 其属 于 不 规 则 部 件，本 文 不 做 分 割 面 处 理。网 格 划 分 的 单元 属 性 采 用 系 统 末 值（）类 型，网 格 参 数 采用 软 件 中 的模 块，零 件 单 元 大 小 由 系 统图支 架 网 格 划 分 结 构 三 维 模 型识 别，为 ；网 格 质 量 选 项 雅 可比 选 项 为 默 认 值，其 他 网 格 设 置 和 模型 清 理 选 项 均 为 默认 值。网 格 中 的 单元 数 为，网 格中 的 节 点 数 为，支 架 网 格 划 分结 构 三 维 图 如 图所 示。支 架 结 构 静 力 分 析静 力 分 析 计 算 在 固 定 不 变 的 载 荷 作 用 下 结 构 的 效 应，不 考 虑 惯 性 和 阻 尼 的 影 响，如 结 构 受 随 时 间 变 化 载 荷 的情 况。显 微 镜 在 工 作 时，与 工 作 面 保 持 稳 定，支 架 上端 承 受 竖 直 向 下 的 载 荷 共 计，低 端 进 行 固 定 平 移 约束，求 解 出 支 架 位 移 和 应 力 图，如 图所 示。图支 架 结 构 整 体 位 移 及 应 力 云 图周 林 浩：基 于 的 显 微 镜 部 件 结 构 静 力 分 析 及 优 化 设 计 强 度 校 核 和 刚 度 校 核 强 度 校 核强 度 是 指 金 属 材 料 在 静 力 作 用 下，抵 抗 永 久 变 形 和断 裂 的 性 能。屈 服 强 度是 材 料 开 始 发 生 明 显 塑 性 变 形 时 的 最 低应 力 值，可 通 过 方 程：（）式 中：为 屈 服 力，即 试 样 发 生 屈 服 时 受 到 的 力；为试 样 在 原 始 横 截 面 积。通 过 该 方 程 可 以 计 算 出 理 论 数 据。但 是 本 文 中 主 要 说 的 是 根 据模 块 给 出 软 件 计 算 的数 值。从 图可 以 看 出，支 架 整 体 最 大 综 合 应 力。远 小 于 其 材 质 铝 合 金（）的 许 用 应力 。因 此 支 架 结 构 的 强 度 满 足 要 求。考 虑 到 材 料缺 点、工 作 偏 差、外 力 突 增 等 因 素，零 件 的 受 力 部 分 实际 上 能 够 担 负 的 力 必 须 大 于 其 容 许 担 负 的 力。通 常 来说，产 品 的 安 全 裕 度 为 或 者，不 同 的 结 构 也 有 不同 的 安 全 裕 度，可 以 按 照 相 关 结 构 件 设 计 手 册 中 要 求选 取。刚 度 校 核图中，支 架 整 体 最 大 应 变 位 移 ，远小 于 实 际 工 作 中 支 架 结 构 的 许 用 应 变 位 移 ，因 此 支架 结 构 的 刚 度 满 足 要 求。支 架 结 构 优 化 设 计产 品 设 计 不 仅 仅 考 虑 结 构 的 可 靠 性，还 需 要 考 虑 产品 的 美 观 性，因 此 在 满 足 功 能 的 前 提 下，需 要 优 化 外 观，导 致 产 品 的 复 杂 性 增 加。由 于 有 限 元 法 可 适 用 于 任 意 复杂 的 几 何 结 构，也 可 以 处 理 不 同 的 边 界 条 件。本 文 根 据有 限 元 分 析 支 架 的 理 论 设 计，使 产 品 既 能 满 足 临 界 载 荷的 要 求，又 能 减 少 材 料，达 到 降 低 成 本 的 目 的，实 现 产品 轻 量 化 设 计。支 架 结 构 优 化在 显 微 镜 支 架 部 件 的 有 限 元 分 析 中，可 以 看 出，支 架 在 上 端 部 分 还 是 存 在 隐 患，根 据 显 微 镜 设 计 基 本原 则 上，对 支 架 开 展 修 改 与 分 析，消 除 隐 患，提 高 产品 性 能，获 得 满 足 使 用 要 求 的 显 微 镜 支 架 部 件 并 降 低生 产 成 本。减 小 支 架 壁 厚经 过 有 限 元 分 析，将 支 架 厚 度 由 原 来 厚 度，减至。经 验 证，减 小 支 架 壁 厚，不 影 响 显 微 镜 支 架 部件 的 技 术 参 数。该 修 改 能 够 在 满 足 产 品 基 本 功 能 的 条 件下，尽 量 简 化 产 品 结 构，合 理 使 用 材 料，并 使 产 品 中 零件 材 料 能 最 大 限 度 地 再 利 用。圆 角 处 理原 支 架 内 部 的 加 强 筋 带 有 尖 角，会 引 发 应 力 集 中。优 化 时 将 筋 位 去 除，改 为 ，的 圆 角。改 圆 角后，支 架 应 力 集 中 的 情 况 会 减 弱。按 照 理 论 可 知，圆 角区 域 等 效 应 力 均 匀 分 布，应 力 值 较 大。增 加 支 架 提 手支 架 顶 端 增 加 提 手，提 手 的 宽 度 为，厚 度 为 ，增 加 提 手 既 能 方 便 使 用，也 能 提 高 显 微 镜 端 部的 强 度。支 架 压 铸 件 优 化产 品 的 形 状 属 于 不 规 则 形 状，采 用 压 铸 成 型。压 铸件 的 形 状 结 构 要 求 为：（）消 除 里 面 侧 凹；（）避 免 或缩 小 抽 芯 部 位；（）避 免 型 芯 交 织。合 理 的 压 铸 件 结 构不 仅 能 简 化 压 铸 型 的 结 构，降 低 制 作 成 本，同 时 也 能 改进 铸 件 质 量。设 计 铸 件 时，壁 厚 是 衡 量 压 铸 工 艺 的 一 个 重 要 指标。压 铸 件 的 壁 厚 与 整 个 产 品 压 铸 件 铸 造 工 艺 十 分密 切。因 此 在 优 化 时 需 要 考 虑 压 铸 件 的 壁 厚，零 件 壁厚 偏 厚 会 使 压 铸 件 的 力 学 性 能 明 显 下 降。根 据 压 铸件 的 表 面 积，铝 合 金（）压 铸 件 的 合 理 壁 厚 如 表所 示。表铝 合 金 压 铸 件 的 合 理 壁 厚 参 数压 铸 件表 面 积 壁 厚 压 铸 件表 面 积 壁 厚 经 过 以 上 结 构 优 化，在 满 足 显 微 镜 支 架 部 件 稳 定 性的 前 提 下，显 微 镜 支 架 总 体 质 量 有 所 下 降，质 量 下 降 了。对 优 化 后 的 结 构 进 行 有 限 元 分 析，按 照 优 化 之前 支 架 上 端 承 受 竖 直 向 下 的 同 样 载 荷 共 计，低 端进 行 固 定 平 移 约 束，求 解 出 支 架 位 移 和 应 力 图，如 图所 示。根 据 图的 计 算 结 果，优 化 后 显 微 镜 支 架 部 件 的最 大 综 合 应 力 ，最 大 应 变 位 移 ，由 此 得 出 优 化 后 比 优 化 前 最 大 综 合 应 力 减 小，最 大 应 变 位 移 减 小。通 过个 优 化 设 计 点，增 加 支 架 提 手 和 减 小 支 架 壁 厚 能 够 满 足 结 构 稳 定 性 的 前提 下，总 体 质 量 都 有 所 下 降，优 化 后 的 显 微 镜 支 架 结 构减 重，满 足 轻 量 化 设 计 需 求。年月 机 电 工 程 技 术 第卷第期图优 化 后 支 架 结 构 整 体 的 位 移 及 应 力 云 图结 束 语本 文 结 合 显 微 镜 生 产 实 际，采 用 参 数 化 实 体 建 模 的方 法 建 立 显 微 镜 支 架 模 型，再 通 过 软 件 中 的模 块 建 立 支 架 部 件 的 有 限 元 模 型，同 时 利 用 该 模型 对 显 微 镜 支 架 部 件 的 结 构 进 行 有 限 元 分 析，得 出 支 架的 应 力 及 位 移 云 图，找 到 显 微 镜 支 架 部 件 的 最 大 应 力 处，并 与 使 用 的 材 料 屈 服 应 力 进 行 对 比，检 查 支 架 部 件 设 计的 合 理 性。通 过 改 变 支 架 壁 厚，对 结 构 进 行 轻 量 化 设 计，提 高 压 铸 件 的 力 学 性 能、强 度 及 耐 压 性，进 而 合 理 使 用材 料，使 产 品 中 零 件 材 料 能 最 大 限 度 地 再 利 用，实 现 减重，达 到 优 化 设 计 的 目 的。该 研 究 对 提 高 产 品 设计 效 率 和 优 化 设 计 具 有 重 要 意 义，可 进 一 步 推 广 和 应 用。参 考 文 献：初 永 志，陆 振 玉，刘 昌 儒，等航 天 产 品 振 动 工 装 设 计机电 工 程 技 术，（）：刘 新 勇大 型 面 粉 机 组 振 动 筛 筛 箱 有 限 元 分 析 及 结 构 改 进石 家 庄：河 北 科 技 大 学，王 运 炎机 械 工 程 材 料北 京：机 械 工 业 出 版 社，何 海 岗，杨 银 初，王 志 艺，等变 频 控 制 电 磁 感 应 加 热 技 术 在 铝 挤压 模 具 炉 上 的 应 用机 电 工 程 技 术，（）：杨 晶 琦电 力 电 子 器 件 原 理 与 设 计北 京：国 防 工 业 出 版社，崔 巍摩 擦 副 表 面 织 构 特 征 对 润 滑 特 性 影 响 规 律 的 研 究西 安：西 安 理 工 大 学，曲 海 富海 洋 工 程 防 爆 墙 结 构 有 限 元 分 析天 津：天 津 大学，王 利滑 轨 式 和 升 降 式 康 复 辅 助 洗 浴 器 具 的 浴 槽 结 构 设 计 与研 究天 津：天 津 科 技 大 学，李 蕾绿 色 营 销 概 论甘 肃：兰 州 大 学 出 版 社，陈 玉，胡 兰 芳，宋 建 华卡 扣 装 配 受 力 有 限 元 分 析 及 结 构 改进日 用 电 器，（）：宋 满 仓压 铸 模 具 设 计北 京：电 子 工 业 出 版 社，项 文 杰，佟 志 国铝 合 金 压 铸 件 设 计 要 点科 技 资 讯，（）：张 晓 陆多 抽 芯 压 铸 模 设 计 及 制 造模 具 制 造，（）：作 者 简 介：周 林 浩（），男，甘 肃 静 宁 人，大 学 本 科，工程 师，研 究 领 域 为 产 品 设 计。（编 辑：黄 瑜）（上 接 第页）许 乾 波高 层 建 筑 物 电 梯 电 气 系 统 防 雷 技 术 分 析机 电 技术，（）：许 乾 波，陈 洁一 起 高 层 电 梯 雷 电 感 应 过 电 压 雷 击 事 故 分 析机 电 信 息，（）：张 鹃，林 卓 宏，严 金 芳超 高 层 电 梯 机 房 防 雷 区 磁 场 强 度 分析 及 防 御 技 术气 象 科 技，（）：张 鹃，林 卓 宏，严 金 芳超 高 层 电 梯 机 房 防 雷 区 磁 场 强 度 分析 及 防 御 技 术 第届 中 国 气 象 学 会 年 会第 十 二届 防 雷 减 灾 论 坛 雷 电 物 理 防 雷 新 技 术，北京：中 国 气 象 学 会，：黄 明 铸浪 涌 保 护 器 件在 电 梯 防 雷 中 的 应 用黑 龙江 科 技 信 息，（）：李 赛，李 超气 象 防 雷 检 测 工 作 常 见 问 题 及 措 施 初 探农家 参 谋，（）：作 者 简 介：许 乾 波（），男，大 学 本 科，高 级 工 程 师，研究 领 域 为 雷 电 防 护 技 术，已 发 表 论 文篇。（编 辑：黄 瑜）周 林 浩：基 于 的 显 微 镜 部 件 结 构 静 力 分 析 及 优 化 设 计