Solidworks Simulation熱分析在加熱工作臺改進設計中的應用

郎 平，王軍帥，高 澤

(北京中電科電子裝備有限公司，北京 100176)

Solidworks是目前一款主流的三維設計軟件之一，由于其具有友好直觀的使用界面，簡單、易學的操作性而得到了越來越多的客戶的認可。Solidworks Simulation是一種基于有限元分析技術的設計分析軟件，其可以進行靜態、頻率、熱、疲勞等多方面的分析，其與Solidworks軟件無縫集成，操作簡單方便，非常適合產品設計人員使用[1，2]。本文運用Solidworks Simulation軟件對一種加熱工作臺進行了熱結構耦合分析，找到了陶瓷吸盤損壞的原因，根據分析結果改進了陶瓷吸盤固定結構，解決了陶瓷損壞的問題。

1 加熱工作臺的結構和原理

加熱工作臺結構如圖1所示，其主要功能是：陶瓷吸盤通過真空將工件吸附在其上表面，加熱板將陶瓷吸盤的工件加熱到200℃，通過直線導軌導向，陶瓷吸盤可帶動工件做直線運動。

圖1 加熱工作臺構結構簡圖

2 問題的分析與解決

2.1 存在的問題

該加熱工作臺中，在初始的設計方案中，陶瓷吸盤是通過螺釘固定在加熱板上，在實際使用過程中陶瓷吸盤的螺釘孔附近發生了破損，如圖2所示。

圖2 陶瓷吸盤加熱破損

2.2 問題的分析

為了找到陶瓷吸盤發生損壞的原因，我們運用Solidworks Simulation軟件對該結構進行了熱結構耦合分析。

2.2.1 加熱工作臺熱力分析

新建立一個熱力分析算例，如圖3所示。在加熱板上安裝加熱管的位置添加225℃的溫度熱載荷（根據實驗測量的數據）；在零件所有裸露的外表面添加空氣對流熱載荷，對流系數為12 W/（m2·K）；在連接座上用壓縮空氣進行冷卻的位置上添加空氣對流熱載荷，對流系數為220 W/（m2·K）；各熱載荷如圖4所示。

熱力分析結果如圖5所示，陶瓷吸盤上表面溫度大約為200℃，支撐座表面溫度大約為130℃，與實驗實際測量的數據比較吻合。

圖3 新建熱力分析算例

圖4 熱載荷添加

圖5 加熱臺熱力分析結果

2.2.2 未添加螺釘載荷熱結構耦合分析

新建立一個靜態分析算例，添加外部載荷，選擇熱力效應，選擇剛進行的熱力分析算例名稱，將熱力分析結果導入到靜態算例中，進行熱結構耦合分析，如圖6所示。

在連接相觸面組中添加接觸關系如圖7所示，陶瓷吸盤和加熱板之間、加熱板和隔熱板之間、隔熱板和支撐座之間選擇無穿透的接觸關系。

圖6 熱力分析結果導入

圖7 添加接觸關系

分析結果如圖8所示，陶瓷吸盤和加熱板在A處和B處的熱變形量如表1所示，表中的負號表示變形方向相反，從表1中可以看出，陶瓷吸盤的熱變形量為0.57 mm，加熱板的變形量為1.55 mm。

圖8 熱結構耦合分析結果

表1 陶瓷吸盤和加熱板熱變形量

2.2.3 理論計算陶瓷吸盤和加熱板的熱變形量

陶瓷吸盤的材料為氧化鋁陶瓷，外形尺寸300 mm×300 mm，環境溫度為20℃，加熱后溫度為200℃，其膨脹系數為：7.7×10-6m/℃，因此可以計算出其加熱到200℃時的膨脹量為：

加熱板的材料為鋁合金，外形尺寸300 mm×300 mm，環境溫度為20℃，加熱后溫度為225℃，其膨脹系數為：23.8×10-6m/℃，因此可以計算出其加熱到225℃時的膨脹量為：

計算結果與理論分析的結果比較接近。由于鋁合金的膨脹系數要遠大于陶瓷，加熱板的變形量比陶瓷吸盤大了將近1 mm，而陶瓷吸盤是通過螺釘固定在加熱板上的，螺釘與陶瓷吸盤上的光孔的間隙只有0.25 mm，因此陶瓷吸盤上的光孔會阻礙與加熱板連接的螺釘與加熱板一起膨脹，當應力值超過陶瓷抗拉強度時陶瓷吸盤就會發生損壞。

2.2.4 添加螺釘載荷熱結構耦合分析

為了能夠得到陶瓷吸盤受熱膨脹時所承受的應力，在原有模型基礎上添加螺釘零件，重新進行熱結構耦合分析，在連接相觸面組中添加接觸關系如圖9所示，各安裝零件之間還是選擇無穿透的接觸關系陶瓷吸盤與安裝螺釘之間添加無穿透的接觸關系。

圖9 添加接觸關系

熱結構耦合分析應力結果如圖10所示，從分析結果可以看出，在陶瓷吸盤的螺釘孔附近產生了最大應力，其值大約為800 MPa。通氧化鋁陶瓷的抗拉強度為265 MPa，該應力值超過陶瓷抗拉強度，所以陶瓷吸盤發生了損壞。

2.3 問題解決

從上面的仿真分析中，我們發現造成陶瓷吸盤破損的原因主要是兩種材料的膨脹系數差別比較大，從而造成了兩者之間的熱膨脹差別大，而固定螺釘阻礙了熱膨脹的進一步發展，從而造成了陶瓷吸盤的破損。因此，我們修改了結構設計，把陶瓷吸盤的固定方式從螺釘固定改為用壓板壓緊（如圖11所示），保證兩者可以自由膨脹，從而避免了陶瓷吸盤的損壞。

圖10 熱結構耦合應力分析結果

圖11 改進后的陶瓷吸盤固定方式

3 結論

通過Solidworks Simulation軟件的分析，結合實際實驗，快速找到了造成陶瓷吸盤發生破損的原因，根據分析結果對陶瓷吸盤固定結構進行了改進，解決了陶瓷吸盤的破損問題，保證了設備的研發進度。