基于So lidW o rkS的基座有限元分析

陳 威，王 偉 ，李 偉，柳 濱

(中國電子科技集團公司第四十五研究所,北京東燕郊 101601)

拋光臺是CMP（化學機械拋光）設備中重要部件，拋光臺精度對CMP設備至關重要。三個拋光臺都安裝在基座上（如圖1所示），因此有必要對基座進行有限元分析，觀察它的應力應變分析圖，檢驗其是否符合設計要求。另一方面基座體積大，考慮成本因素，是否可以在不影響性能指標條件下增加減重孔，從而降低成本，因此有必要進行基座結構的優化設計。

基于COSMOSWorks是SRAC推出的一套強大的有限元分析軟件，它是完全整合在Solidworks中的設計分析系統，提供應力、應變、頻率、熱量和優化分析。為設計工程師在Solidworks的環境下，提供比較完整的分析手段。依據先進的快速有限元技術，工程師能非常迅速地實現對大規模的復雜設計的分析和驗證，并且獲得修正和優化設計所需的必要信息，縮短了設計所需的時間，提高了設計質量和降低了設計成本，是目前廣為流行的CAE軟件。

本文運用Solidworks中COSMOSWorks模塊進行有限元分析，為結構優化提供重要的依據。

圖1 基座安裝圖

1 有限元分析

采用Solidworks軟件仿真設計基座，其流程如圖2所示。

圖2 基座有限元分析流程圖

1.1 建模

與一般的CAD軟件相同，SolidWorks提供了強大的實體模型生成功能。利用它完全可以建立用戶想得到的模型。在進行有限元分析時，Solid-Works軟件要求分析的零件應盡量簡化，以便大大減少計算機的計算時間、節約計算機資源，所以我們將基座的結構在滿足力學的條件下進行簡化。基座的材料為HT250。

1.2 網格化有限元模型的建立

網格化就是對建立好的實體模型進行網格劃分，從而建立其有限元模型，它是使用SolidWorks對零件分析時最重要一步。

COSMOSWorks分析從SolidWorks零件或裝配體模型的幾何體開始。幾何體必須能夠被正確、適度小的有限元所劃分。對于小的概念，并不是指它的單元尺寸，而是表示網格中單元的數量。對網格的這種要求，有著極其重要的含義。必須確保CAD幾何體的網格劃分，并且通過所產生的網格能得到正確數據，如位移、應力、應變、溫度分布等。

對基座進行網格劃分，網格劃分以后的模型如圖3、4所示。

圖3 無減重孔基座的網格劃分圖

圖4 有減重孔基座的網格劃分圖

1.3 加載與求解

(1)施加約束。由于基座通過螺栓與基板相連，因此可對底部螺栓孔施加固定約束。

（2）載荷的計算與施加。臺Ⅰ、臺Ⅱ、臺Ⅲ與基座通過螺栓連接，與各自臺子連接的基座側面上面螺栓孔受拉，側面下三個螺栓孔受壓。根據臺Ⅰ、臺Ⅱ、臺Ⅲ、主軸的質量，臺Ⅰ、臺Ⅱ重心到基座的距離以及上下螺孔間距可以計算出相應點的受力。

主軸在基座上產生的壓強為：

這一步主要是在求解模塊中(SOLU)進行，包括定義分析類型、確定分析選項、施加載荷及載荷步。

1.4 結果分析

求解完成以后，應用后處理器可以直觀地看出基座的應力分析如圖5、6所示。無減重孔的基座應力分析如圖5所示，敏感區域產生的最大應力15.51 MPa，遠小于它的拉伸強度極限σb=250 MPa，位移分析如圖7所示，敏感區域產生的最大位移1.804μm。

有減重孔時基座應力分析如圖6所示，敏感區域產生的最大應力15.31 MPa，遠小于它的拉伸強度極限σb=250 MPa，位移分析如圖8所示，敏感區域產生的最大位移為2.791μm。

圖5 無減重孔基座的應力圖

圖6 有減重孔基座的應力圖

圖7 無減重孔基座的應變圖

圖8 有減重孔基座的應變圖

3 結 論

經上述分析可知，基座在有無減重孔的情況下產生的最大應力均遠小于它的拉伸強度極限σb=250 MPa。基座在無減重孔時敏感區域產生的最大位移1.804μm，有減重孔敏感區域產生的最大位移為2.791μm，本系統無高速運動，不存在振動的問題，有無減重孔影響不大。根據得到的基座周圍的應力、應變分布圖，可知基座在有無減重孔時都滿足設計要求，由于基座為鑄件且尺寸較大，從節約材料方面考慮，采用有減重孔的方案。利用Solidworks軟件，在合理建立模型，正確加載與約束下，可以快速地對各方案進行分析并從中優選。

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