基于Solid W orks軟件的有限元分析

劉海斌 柳 巖 陳淑春

（1.遼寧工程職業學院，遼寧 鐵嶺 112008；2.沈陽市第72中學，遼寧 沈陽 110173）

1 有限元分析的重要性

隨著市場競爭加劇，要求產品具有更短生產和設計周期，企業迫切需要用新技術來滿足市場對產品設計周期的要求。有限元分析技術是提升產品質量、縮短設計周期、提高產品競爭力的有效手段，隨著計算機技術和計算方法的發展，有限元分析在工程設計和科研領域得到廣泛應用，已經成為解決復雜工程分析計算問題的有效途徑，現在從汽車到航天飛機幾乎所有設計制造都離不開有限元分析計算，其在機械制造、材料加工、航空航天等領域廣泛使用已使設計水平發生了質的飛躍。

依據國家標準GB/T 4857.3中規定，200L物料桶在通過擠出吹塑成型加工完后，根據其使用環境和物料等級不同，對物料桶的后期檢驗也不盡相同。200L物料桶后期檢驗主要有堆碼試驗，跌落試驗和應力開裂試驗，外觀觀測等內容。200L物料桶有限元分析中對物料桶檢驗標準中重要指標，堆碼試驗和跌落試驗進行了分析，并對堆碼試驗后，物料桶的外形尺寸進行了優化分析，使其具有很好的抗堆碼損壞性能。

2 堆碼分析

依據國家標準GB/T 4857.3中規定堆碼負載按下式計算：

式中，P—塑料容器上施加的堆碼負載，單位為牛頓（N）；M—單件包裝質量（為密度與實際容量之積，再加桶重），單位/千克（kg）；H—堆碼高度，3m；h—單個容器的高度，單位為米（m）；H/h—取整數位（小數點后舍掉）

堆碼分析中所用200L物料桶桶高0.89m、桶重15kg、容積200L，假設所盛裝的溶劑密度1.0×103/m3，經計算堆碼負載為4300N。堆碼分析中考慮到高密度聚乙烯在不同溫度環境下的屈服強度的差異性，決定施加堆碼負載大于計算值，分析中實際所加負載為8000N。

物料桶有堆碼分析中主要利Solid Works Simulation 有限元分析中的靜力分析功能。Solid Works中simulation分析界面，創建靜力分析算例，命名為堆碼分析。在材料庫中自定義高密度聚乙烯材料，由于分析中涉及到結構分析，因此只需定義材料的力學性能，具體屬性如下：屈服強度30MPa、彈性模量1.07×109N/ m2、泊松比0.41。

對物料桶模型賦予我們自定義的材料屬性，加劇選項中設定為固定約束，物料桶頂部L環上施加計算值8000N的載荷，劃分網格，安裝系統默認的網格精度，運行分析，經過計算。

堆碼分析結果分析：

從堆碼分析的結果可以得出：在忽略建模誤差和有限元在計算中產生的計算誤差，根據使用要求所設計的雙L環200L物料桶在堆碼負載8000N下最大應力為4.04MPa，最大應變為0.027mm，安全系數最小為7，是完全可以滿足實際使用過程中的堆碼強度要求。

3 優化分析

優化分析的目的就是尋找物體模型的最優組合，優化就是對物體模型的重量，成本，自然撓度等因素進行計算，所有這些都通過，物體模型的尺寸，載荷，約束，或材料成本為條件，通過合理選擇物體模型的可優化因素，使物體模型達到最為合理的狀態，從而使物體模型達到最優解。優化設計可以提高產品在自身操作中的性能，減少產品的材料數量，降低生產成本，提高產品的價值。優化設計在競爭激烈的市場環境中，對制造廠家提高產品質量，降低成本有重要作用。

Solid Works通過“設計算例功能”通過設置變量、約束、目標，來尋求優化分析的最優解。設計算例中變量即在進行優化求解過程中的變化量，在變量設定中，包括設置最大值，最小值和變化步長；約束即在優化計算中應力、撓度、頻率等得合理變化范圍，并制定變化范圍的最小值和最大值，約束限制了優化的空間，優化分析中當結果買足約束條件時，即得到我們設置的合理值，當超過約束設置時，就會提示并給出最為接近設定條件的值；優化目標即在整個優化分析中需要時時刻刻考慮的因素，根據求解目的的不同，優化目標常有，最大應力、最小應力、體積目標、重量目標、表面積等目標設定方法。通過對物料桶進行優化設計可以優化物料桶的外形尺寸，使物料桶到過最佳的外形尺寸，從而具有更好的抵抗主要變形的能力，提高物料桶的使用壽命。

通過物料桶的堆碼分析，根據堆碼分析的應力圖解得出堆碼應力最大處集中在桶頂L環附近，應力最大值4.04MPa，優化設計中選取尺寸1和尺寸2兩個角度作為優化變量，在變量設定中設定：尺寸1的迭代范圍為100deg~ 120deg，迭代步長為5deg；尺寸2設定迭代范圍為60deg~ 120deg，迭代步長10deg；由堆碼分析得到堆碼最大應力4.04MPa，約束設置中設定最大應力為3.75MPa，在目標中設計定為最小值。

運行優化分析后得到結果為錯誤！未找到引用源。結果中可以看到優化結果最大應力3.72MPa，比初始最大應力減少了0.32MPa。尺寸1的優化結果由原來的115優化為110，尺寸2沒有變化，并且可以查看兩個尺寸的不同組合所得到其他最大應力值。應力最大處仍然在L環附近，但最大應力已經降為3.72MPa，應變也降為0.022mm。

結語

有限元模擬分析也存在一些局限性，例如有限元分析中所定義材料的屈服強度是高密度聚乙烯的通用參數，并沒有具體指出在不同溫度環境下的屈服強度。另外吹塑成型容器內壁尺寸難以控制等，這些未列入模擬分析參數中的因素實際上都會影響分析結果。總體來說，用solidworks的simulation有限元分析對改進雙L環200升物料桶的尺寸結構具有很好的理論指導意義和現實應用價值。

[1]江洪，等.Solid Works 有限元分析實例解析[M].