基于Solidworks Simulation的測量儀器部件熱變形模擬

摘要：為提高某測量儀器的測量精度，本文應(yīng)用Solidworks建立了儀器機架與導(dǎo)軌部件的三維模型，在Simulation模塊下對此部件進行了熱變形模擬，得到了部件在溫度變化下的變形云圖，給出了部件發(fā)生彎曲變形的原理及改進設(shè)計方案，并對改進后的部件進行了熱變形模擬，結(jié)果顯示改進后的部件在溫度變化的情況下變形較小。

關(guān)鍵詞：機架;導(dǎo)軌;Simulation;溫度;變形

引言

鋼鐵企業(yè)連續(xù)鑄鋼（簡稱連鑄）生產(chǎn)過程中，需要定時檢測結(jié)晶器上口及下口寬度值，以往操作工人經(jīng)常采用鋼板尺等傳統(tǒng)工具測量，測量精度無法保證，針對此實際需求設(shè)計了一種專用檢測儀器，測量精度大幅提高，操作簡便靈活，但是在儀器實際使用過程中發(fā)現(xiàn)環(huán)境溫度的變化對設(shè)備測量精度有很大影響，經(jīng)過分析是因為儀器機架與安裝在其上的導(dǎo)軌發(fā)生了熱彎曲變形導(dǎo)致。為模擬機架與導(dǎo)軌部件的熱彎曲變形，掌握其實際變形情況，首先，根據(jù)儀器實際結(jié)構(gòu)尺寸，應(yīng)用Solidworks建立了機架與導(dǎo)軌部件三維模型。其次，在simulation模塊下依據(jù)實際溫度變化情況進行了熱變形模擬，并得到模擬結(jié)果。最后，根據(jù)分析模擬結(jié)果數(shù)后給出了結(jié)構(gòu)改進意見，并對改進后的結(jié)構(gòu)再進行熱變形模擬，結(jié)果顯示改進方法有效，本文結(jié)論對此類設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計具有重要的指導(dǎo)意義。

一、測量儀器機架與導(dǎo)軌部件結(jié)構(gòu)

測量儀器機架與導(dǎo)軌組成的部件截面圖如圖1所示，機架與導(dǎo)軌長度都為1230mm，二者通過多根螺栓連接。機架用于支撐儀器導(dǎo)軌等其他零部件，導(dǎo)軌上安裝有滑塊，滑塊可以在導(dǎo)軌上往復(fù)直線運動，儀器測頭固定在滑塊上，用于檢測結(jié)晶器上下口尺寸。因此，如機架與導(dǎo)軌部件發(fā)生彎曲變形將直接影響儀器測量精度。

二、機架與導(dǎo)軌部件隨環(huán)境溫度變化彎曲原理

此測量儀器機架與導(dǎo)軌在長度方向通過多根螺栓緊固在一起，其中機架材質(zhì)為鋁合金，導(dǎo)軌材質(zhì)為合金鋼。

由物體熱膨脹計算公式：（其中為物體長度變化量，為材料熱膨脹系數(shù)，為物體原長，為溫度變化量），又機架與導(dǎo)軌原長相等，所處環(huán)境溫度變化量相等，可知二者長度變化量大小取決于熱膨脹系數(shù)，又鋁合金熱膨脹系數(shù)（2.4×10-5/k）要大于合金鋼熱膨脹系數(shù)（1.3×10-5/k），所以機架熱膨脹量要大于導(dǎo)軌，進而導(dǎo)致整個部件會向?qū)к壱粋?cè)發(fā)生彎曲變形。

三、機架與導(dǎo)軌部件熱膨脹變形模擬邊界條件

a.依據(jù)機架與導(dǎo)軌的實際尺寸，應(yīng)用Solidworks建立部件三維模型，并作為熱變形模擬的計算模型。

b.機架材質(zhì)設(shè)置為鋁合金（熱膨脹系數(shù)為2.4×10-5/k、彈性模量為6.9×1010N/m2、泊松比為0.33），導(dǎo)軌材質(zhì)設(shè)置為合金鋼（熱膨脹系數(shù)為2.4×10-5/k、彈性模量為2.4×1011N/m2、泊松比為0.28）。

c.機架一端面設(shè)置為“固定約束”，機架與導(dǎo)軌之間的接觸設(shè)置為“接合”[3]。

d.部件零應(yīng)變溫度設(shè)置為25℃，環(huán)境溫度設(shè)置為35℃，即模擬環(huán)境溫度從25℃變化到35℃的情況[1]。

四、熱變形模擬結(jié)果

選取機架與導(dǎo)軌部件側(cè)向視圖做為觀察視向，即部件發(fā)生弓形彎曲的平面，如圖2所示，為便于觀察部件變形趨勢，云圖變形量已放大50倍[2]。

從圖2部件變形云圖可以看出，在環(huán)境溫度從25℃增加到35℃的情況下，部件整體變形最大值達到2mm，且向?qū)к壱粋?cè)彎曲，究其原因是因為在熱膨脹變形過程中，材質(zhì)為鋁合金的機架伸長量大于材質(zhì)為合金鋼的導(dǎo)軌，當(dāng)部件發(fā)生彎曲變形后，安裝有測頭的滑塊運動軌跡也會隨之改變，進而影響儀器測量精度。因此，機架與導(dǎo)軌部件采用一側(cè)為機架，另一側(cè)為導(dǎo)軌的不對稱機構(gòu)設(shè)計，且材質(zhì)不同，在實際測量儀器設(shè)計過程中應(yīng)予以避免。

針對圖1結(jié)構(gòu)的缺點，對部件結(jié)構(gòu)進行改良設(shè)計如圖3所示，其是在圖1結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上在機架另一側(cè)安裝了相同的導(dǎo)軌，使得整個部件成為對稱結(jié)構(gòu)，預(yù)計在熱變形過程中可以有效減少彎曲變形。

采取與圖2相同的視圖，相同的邊界條件，變形量放大50倍觀看，改良后結(jié)構(gòu)的熱變形云圖如圖4所示。

從圖中可以看出在相同的條件下，改良后的部件最大變形量只有0.2mm，變形量極小近十倍，幾乎無彎曲變形。因此，機架與導(dǎo)軌部件采用對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計可以很大程度上避免發(fā)生因溫度變化引起的彎曲變形，其中一導(dǎo)軌用于支撐滑塊往復(fù)運動，另一導(dǎo)軌用于限制整個部件發(fā)生彎曲變形。

綜上可知，合理的設(shè)計機架與導(dǎo)軌部件的結(jié)構(gòu)，可以有效的避免其因溫度變化發(fā)生彎曲變形。

五、結(jié)論

（一）在溫度變化的情況下，測量儀器機架與導(dǎo)軌部件發(fā)生彎曲變形的情況需在設(shè)計過程中予以考慮，否則會影響儀器測量精度。

（二）測量儀器機架與導(dǎo)軌材質(zhì)不同，且采用非對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計，在溫度變化的情況下，發(fā)生彎曲變形情況較為明顯，嚴重影響儀器測量精度。

（三）測量儀器機架與導(dǎo)軌材質(zhì)不同，但采用對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計，在溫度變化的情況下，幾乎不發(fā)生彎曲變形，有利于提高儀器測量精度。

參考文獻：

[1]孟慶霞，基于Solidworks simulation的熱裝法溫度場分析[J].設(shè)備管理與維修，2018，（19）：10-12.

[2]陳超祥，Solidworks Simulation基礎(chǔ)教程[M]機械工業(yè)出版社，2017.

[3]張永峰，基于SolidWorks Simulation的壓頭熱應(yīng)變分析[J].山西電子技術(shù)，2012，（4）：49-50.

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作者簡介：

孟強（1983-），男，內(nèi)蒙古通遼市人，碩士研究生，講師。