基于SolidWorks对结构架的分析和优化

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1 有限元模型的建立及分析

    首先我们先用SolidWorks2010建模。

    新建一个零件文件，点击绘制草图，选择一个基准面。用相关的草图命令勾勒出线条，用尺寸进行约束。草图做好后，添加型钢。利用SolidWorks的焊接功能建模，点结构构件工具图标，选取边缘的线段做路径，材料规格选择方管管60×60×5。同理做出中间的大梁和其余的小梁，规格分别为80×60×5、40×20×2.5。然后利用剪裁命令处理掉多余的部分，建好的三维设计模型如图2。通过属性设置好材料，可知结构架的重量为82kg。

    梁的边缘都为圆角，这样分析起来会增加分析的时间。如果我们把结构架上圆角压缩掉，这样对计算结果没有什么影响并提高计算速度，所以将圆角都压缩掉。

    1)由于目前的版本不支持多实体，所以先将多实体组合成单实体。运行SolidWorks自带的有限元分析插件simulation xpress。点选项，设置好分析结果的保存位置后，接着点下一步。然后点添加夹具，选择固定不动的面。本3d教程中由于结构架靠中心支撑和轨板来支撑，所以选取这两个部分做固定约束部分，见图2。选好后接着下一步。

    图2 固定不动的面

    2)添加载荷。选择添加力，系统默认力的单位是公制(N)，选取结构架约束的背面作为承重面，添加载荷大小为8KN，方向垂直向下，选好后点确定，接着下一步。

    3)选择材料。型钢的材料一般为0235，我们选择普通碳钢，其力学性能为δn=235Mpa，δb=370Mpa弹性模量为2×105Mpa，泊松比0.3，密度7.85×103kg/m3。没什么问题就可以模拟了。

   4)运行模拟。计算机首先对模型进行网格化，网格化是比较费时的，结构越复杂运行的时间会越长。当分析失败时可以减小网格的大小，完成网格化。网格完毕后模型如图3所示。三维论坛

    图3 网格完毕后模型

    接着系统自动分析，现在我们所做的就是等结果。分析结束时SolidWorks自动列出零件所受的应力、位移、变形、和安全系数等参数。

    在results一栏中点击显示von mises应力分析得知应力情况：最大应力为118Mpa，也就是结构架受力的薄弱环节。点击显示位移，位移情况：最大位移1.12mm，从图上可以很明显的看出最大位移发生在梁的中部。系统也会自动列出安全系数，并且很清楚的表达出安全系数小于1的位置。本次分析的安全系数：结构架的安全系数为2.39。

2 优化及改进

    根据平台的工况，2.39的安全系数有点保守了，结构架在满足使用条件的前提下优化设计，这里我们将原来60×40×5的方管改为60×40×4的矩形管，矩形管80×60×5变为80×60×4，看在同样的约束位置和相同载荷的情况下结构架的受力情况。

    分析得知：最大应力205Mpa；最大位移1.17mm；安全系数1.38。

    当然软件分析只是一种依据，能否可以还要经过事实的检验。通过实际加载试验表明，更改后的结构完全算能满足平台的性能要求。

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