基于SolidWorks的柜體模型建模及有限元應(yīng)力分析

李 青

（飛馬智科信息技術(shù)股份有限公司，馬鞍山 243000）

隨著制造行業(yè)及相關(guān)研究中建模水平的提高和科學(xué)技術(shù)的顯著進步，現(xiàn)代智能制造中所需的柜體建模逐漸由傳統(tǒng)的二維建模向三維建模過渡。SolidWorks是由美國達(dá)索系統(tǒng)（Dassault Systemes）下的子公司研發(fā)的一款主流的三維設(shè)計平臺。在其強大的設(shè)計功能輔助下，設(shè)計師能夠更加快速、高效地完成三維建模。

本項目先通過AutoCAD繪出配電柜、機柜等柜型的基本布置圖，再通過其他建模軟件如SolidWorks建立三維模型，最后將模型利用SolidWorks Simulation的功能進行應(yīng)力、應(yīng)變分析，從而避開CAD三維模型處理功能較弱的缺點。本項目基于AutoCAD、SolidWorks和SolidWorks Simulation對某柜體模型進行三維建模，并在加上設(shè)備負(fù)載后進行了相關(guān)應(yīng)力分析。

1 工程背景

某處產(chǎn)業(yè)園項目數(shù)據(jù)中心共4層，標(biāo)準(zhǔn)層每層互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心（Internet Data Center，IDC）機房共4個，每個IDC機房共有機房通道7條，每個通道內(nèi)含2 000 mm×600 mm×1 200 mm的服務(wù)器機柜2排，每排含機柜各16個，每排含2 000 mm×600 mm×1 200 mm的智能列頭電源分配柜各1個。

現(xiàn)需研究、制造某處產(chǎn)業(yè)園項目普通互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心機房內(nèi)的智能列頭柜柜體，并對其整體及各部件可能承擔(dān)的負(fù)載進行受力分析。該柜體尺寸為2 000 mm×600 mm×1 200 mm，框架采用九折型材焊接而成。

本次研究將基于AutoCAD、SolidWorks和SolidWorks Simulation建立相應(yīng)柜體及柜體內(nèi)部安裝件的三維模型。建立初始裝配體整體模型后，通過添加應(yīng)用材料和模型約束對零件進行網(wǎng)格劃分，再添加外部載荷進行應(yīng)力分析，重點研究安裝件重點部位在滿載荷情形下的位移變化情況，得到相應(yīng)部件的應(yīng)力分析結(jié)果。

2 柜體模型建立

2.1 通過AutoCAD建立柜體布置圖

首先通過機房樓IT配套單路交流電源列頭柜系統(tǒng)圖，確定機房樓普通IDC機房智能列頭柜柜體內(nèi)電氣布置的基本方案，確定相應(yīng)電氣設(shè)備的數(shù)量、排布方式以及各個安裝件的基本外形和安裝位置。

2.2 將AutoCAD中的二維零件圖導(dǎo)入SolidWorks建立零部件立體模型

將AutoCAD中完成的各類型安裝件的二維圖紙導(dǎo)入SolidWorks，再通過SolidWorks二維草圖編輯界面的智能尺寸等功能完善定義二維草圖。草圖完善后，通過SolidWorks中的拉伸凸臺/基體功能進行安裝件三維模型的建立[1]。建立的安裝件三維模型如圖1所示。

2.3 通過SolidWorks建立柜體裝配體模型

將完成的各類型安裝件的立體三維模型導(dǎo)入SolidWorks的裝配圖中進行裝配，通過重合、平行、同軸心等種種配合方式完成框架及相應(yīng)安裝件的裝配[2]。完成的裝配體模型，如圖2所示。本智能精密列頭柜主體包括九折型材框架和內(nèi)部安裝件，內(nèi)部安裝件有側(cè)橫梁、左立柱、右立柱、主路檢測安裝板以及支路檢測安裝板。安裝板安裝于左立柱和右立柱后側(cè)，3塊內(nèi)柜門安裝于立柱前側(cè)，主路安裝板上安裝有塑殼斷路器和檢測模塊，支路安裝板上安裝有41個微型斷路器和支路檢測模塊。最后對裝配體各部分進行材料定義，模擬真實狀態(tài)，以揭示柜體各部分應(yīng)力和位移的變化規(guī)律。

3 SolidWorks Simulation分析

本次應(yīng)力計算、分析選取的零部件為普通IDC機房2 000 mm×600 mm×1 200 mm智能電力分配列柜的支路安裝板。計算過程中，先將支路安裝板進行模型簡化，采用以5 mm為單元的網(wǎng)格進行離散化處理。由于篇幅原因，本文將僅展示支路安裝板這一較為典型的零部件的von Mises應(yīng)力分布云圖、URES位移分布云圖、ESTRN靜態(tài)應(yīng)變分布云圖、安全系數(shù)分布云圖，分析揭示設(shè)備負(fù)荷加載后支路安裝板這一工件的應(yīng)力、位移和應(yīng)變變化情況，并通過該工件安全系數(shù)分布云圖對工件的結(jié)構(gòu)安全性進行確認(rèn)。

3.1 Simulation前處理階段

3.1.1 分析類型選擇

在Simulation生成零件應(yīng)力分析過程中，先進行分析類型的選擇，這里采用靜應(yīng)力分析法。此方法只適用于線性靜態(tài)分析，在求解過程中需要格外關(guān)注結(jié)構(gòu)的位移、約束反力、應(yīng)力以及應(yīng)變等參數(shù)。分析中應(yīng)當(dāng)遵循二力平衡公理、加減平衡力系公理和作用與反作用公理。

3.1.2 材料加載

本柜體中采用的安裝件材料均為優(yōu)質(zhì)鋼材，各項屬性與冷軋板較為接近，所以這里選用AISI 1020鋼。冷軋這種材料，該材料的屬性數(shù)值表如表1所示。

表1 材料屬性表

3.1.3 約束及載荷設(shè)置

安裝件所有安裝面的3個自由度全部需要進行約束。此處以支路安裝板為例，支路安裝板通過4個固定角上的安裝孔與立柱相固定，使用M6螺絲。因此，支路安裝板上4個固定面的3個自由度需要全部約束[3]。

普通IDC機房單路列頭柜支路安裝板上安裝有36個32A微型斷路器、3個63A微型斷路器和2個32A/3P微型斷路器，總重量約為500 N。所以，該支路安裝板總負(fù)載約為500 N[4]。

3.1.4 離散化網(wǎng)格設(shè)置

以支路安裝板為例，該零件外形尺寸為515 mm×500 mm，因此依此外形尺寸在離散化網(wǎng)格設(shè)置中設(shè)置單元大小為5 mm，公差為2 mm。設(shè)置完畢后，可得到離散化分布較為均勻的網(wǎng)格，完成了運行前Simulation的前處理。

3.2 Simulation運行結(jié)果分析

3.2.1 應(yīng)力結(jié)果分析

支路安裝板的von Mises應(yīng)力分布云圖，如圖2所示。應(yīng)力圖中出現(xiàn)的最大應(yīng)力值為7.372×106N·m-2，分布在安裝面4個拐角處。支路安裝板中間設(shè)備平面所承受的應(yīng)力極小，近乎為0 N·m-2。設(shè)備平面4個角處所承受的應(yīng)力略大，達(dá)到3.686×106N·m-2。固定面與設(shè)備平面連接的4個伸出部拐角上所承受應(yīng)力較大，即為最大的7.372×106N·m-2，周圍平面上平均應(yīng)力為3.686×106N·m-2。由于支路安裝板所定義材料的屈服強度為3.500×108N·m-2，7.372×106N·m-2遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于3.5×108N·m-2，因此該零件的強度特性滿足要求[5]。

3.2.2 位移結(jié)果分析

圖3為支路安裝板的URES位移分布云圖，圖示為放大10 000倍后得出的抽象效果圖?？梢缘贸觯畲笪灰屏繛?.332×10-3mm，出現(xiàn)在支路安裝板設(shè)備平面的上部中央及下部中央部分。由于該數(shù)值的位移形變極其微小，因此該零件結(jié)構(gòu)滿足要求。

3.2.3 應(yīng)變及安全系數(shù)結(jié)果分析

從支路安裝板的ESTRN靜態(tài)應(yīng)變分布云圖可知，最大的應(yīng)變數(shù)值為3.038×10-5，出現(xiàn)在支路安裝板安裝面與設(shè)備平面的過渡連接處，3個拐角點出現(xiàn)的應(yīng)變數(shù)值最大。最大的應(yīng)變數(shù)值僅為3.038×10-5，非常微小。

設(shè)計者一般在進行機械等工程設(shè)計時，為了防止因材料的缺點、工程的偏差、外力的突增等因素所引起的后果，工件的受力部分實際上能夠擔(dān)負(fù)的力必須大于其容許擔(dān)負(fù)的力。極限應(yīng)力與許用應(yīng)力之比即安全系數(shù)，也指相應(yīng)工件的安全、可靠程度。

從支路安裝板的安全系數(shù)云圖可得，最小的安全系數(shù)為43，分布在整個設(shè)備平面和連接處。一般來說，標(biāo)準(zhǔn)工程規(guī)定通常要求鋼材料的安全系數(shù)為1.5或更大。任何位置的安全系數(shù)，小于1.0意指這個位置的材料已降伏，等于1.0意指這個位置的材料開始屈服，大于1.0意指這個位置的材料尚未屈服。因此，該工件整體安全系數(shù)較大，說明該工件結(jié)構(gòu)比較安全。

4 結(jié)語

使用Auto CAD、Solid Works和Solid Works Simulation流程可以完成復(fù)雜柜體模型的建模，且建成的模型更符合實際，可以更加精確地分析模型的應(yīng)力、位移和應(yīng)變。通過模型云圖可以看出，工件在主要形變方向上的位移極其微小，且形變區(qū)域主要集中在設(shè)備平面的偏上部和偏下部，整個工件的最小安全系數(shù)數(shù)值達(dá)到43，材料遠(yuǎn)未達(dá)到屈服階段，整體工件在設(shè)備滿載情況下安全系數(shù)較高。在對工件進行離散化處理的過程中，通過對離散化網(wǎng)格的逐步細(xì)化，理論上可以獲得更加貼合實際的效果，包括對應(yīng)力集中現(xiàn)象的體現(xiàn)。其余零部件裝配體的分析過程與上述大體相同，此處不展開詳述。