CAE技術(shù)在柱塞模型應(yīng)力分析中的應(yīng)用

張 豪

（江海職業(yè)技術(shù)學(xué)院，揚州 225101）

1 CAE技術(shù)概述與應(yīng)用現(xiàn)狀

CAE（Computer Aided Engineering），即計算機輔助技術(shù)，經(jīng)常被應(yīng)用在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計及修改設(shè)計領(lǐng)域中。另外，CAE技術(shù)還能夠?qū)φ麄€產(chǎn)品及其重要受力零部件進(jìn)行靜態(tài)、動態(tài)的力學(xué)分析計算，起到優(yōu)化分析計算的作用。可以說，CAE技術(shù)對產(chǎn)品設(shè)計有著非常強力的技術(shù)支持作用。SolidWorks Simulation是一款基于快速有限元算法（FFE）的設(shè)計分析軟件，是SRAC（Structural Research and Analsis Corporation，DS SolidWorks子公司）開發(fā)的工程分析CAE軟件之一，在應(yīng)用SolidWorks Simulation軟件解決相關(guān)設(shè)計問題時，通常遵循以下四個步驟：建立數(shù)學(xué)模型、建立有限元模型、求解有限元模型和結(jié)果分析。

柱塞作為工程設(shè)備常用的機械零部件，在安全性方面要求很高。一旦出現(xiàn)事故，輕者影響生產(chǎn)，重者危及工作人員的生命安全。因此，柱塞應(yīng)力校核和安全設(shè)計一直是學(xué)者關(guān)注的問題。利用CAE技術(shù)對柱塞模型進(jìn)行應(yīng)力分析，可以全面提升產(chǎn)品研發(fā)能力，縮短新產(chǎn)品的設(shè)計周期，分析產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計，降低制造成本，以最快的速度和最好的質(zhì)量滿足客戶的產(chǎn)品需求。

2 柱塞模型的三維建模

在SolidWorks軟件中對柱塞模型建模，模型的三維建模圖形如圖1、圖2所示。

圖1 柱塞模型

圖2 柱塞模型剖面圖

3 柱塞模型的有限元分析

3.1 建立靜應(yīng)力分析算例

首先打開SolidWorks插件卡片中的SolidWorks Simulation插件。在“算例”屬性管理器中建立新算例，定義名稱為“應(yīng)力集中分析”，分析類型為“靜應(yīng)力分析”。其次，在SolidWorks Simulation特征樹中的新建“靜應(yīng)力分析1”上，右擊選中“屬性”，彈出的“靜應(yīng)力分析”對話框中，設(shè)置解算器為“FFEPlus”，并選中“使用軟彈簧是模型穩(wěn)定”復(fù)選按鈕。最后，在SolidWorks Simulation特征樹中右鍵單擊“柱塞”圖標(biāo)，選中“應(yīng)用材料”按鈕，打開“材料”對話框，選擇“材料來源”為“鋁合金”（2014鋁合金），彈性模量為7.3MPa、中泊松比0.33、中抗剪模量2.8MPa、質(zhì)量密度2800kg/m3。

3.2 建立約束及施加載荷方法

首先，在“外部載荷顧問”下拉選項中選擇“力”按鈕，打開“力/扭矩”屬性管理器，單擊“法向力的面可殼體邊線”，在繪圖區(qū)域選中柱塞圓頂面。選擇受力方向為“法向”，在“力值”欄中設(shè)置法向力為0.8N，如圖3所示。

圖3 設(shè)置壓力參數(shù)

其次，設(shè)置約束。單擊“夾具顧問”圖標(biāo)，彈出“Simulation顧問”欄，單擊“添加夾具”選項。選中“固定幾何體”后，分別選擇兩圓柱孔面作為約束元素，單擊確認(rèn)完成約束的施加。如圖4所示。

3.3 網(wǎng)格劃分

在完成上述的準(zhǔn)備工作后，再對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃，接下來才可進(jìn)行求解。網(wǎng)格劃分應(yīng)當(dāng)單擊“運算此案例”——“生成網(wǎng)格”按鈕，打開“網(wǎng)格”屬性管理器，如圖5所示。調(diào)整好網(wǎng)格密度后，單擊確認(rèn)，系統(tǒng)開始劃分網(wǎng)格，如圖6所示。

圖4 設(shè)置約束條件

圖5 “網(wǎng)格”屬性管理器

圖6 劃分網(wǎng)格后的柱塞模型

3.4 求解有限元模型

單擊“運算此案例”按鈕，SolidWorks Simulation則調(diào)用解算器進(jìn)行有限元分析。

4 結(jié)果分析

求解完成后，雙擊SolidWorks Simulation特征樹中“應(yīng)力1”圖標(biāo)，在繪圖區(qū)域中觀察柱塞的應(yīng)力分布情況，如圖7所示。

圖7 柱塞應(yīng)力分布云圖

圖8 比較結(jié)果

從上圖中可以看出柱塞內(nèi)部邊緣處應(yīng)力最大，大約為1.79MPa。單擊“比較結(jié)果”，選擇應(yīng)力1、位移1、應(yīng)變1和位移1選項，勾選確定后得到如圖8所示結(jié)果。

右擊“結(jié)果”文件夾下的“應(yīng)力1”圖標(biāo)，在彈出的快捷菜單中選擇命令“探測”。打開“探測”對話框，在繪圖區(qū)域中沿板的左側(cè)邊線依次選擇12個點，這些點對應(yīng)的應(yīng)力都會顯示在“探測結(jié)果”對話框中。然后單擊報告選項中“圖解”按鈕，顯示應(yīng)力——節(jié)點圖，改圖說明了應(yīng)力隨圖形變化的情況，如圖9所示。

圖9 應(yīng)力——節(jié)點圖

5 結(jié)語

運用CAE技術(shù)對柱塞模型建立虛擬的數(shù)學(xué)模型，并經(jīng)過SolidWorks Simulation平臺對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分及求解運算，得到了應(yīng)力分布云圖，并通過探測生成了應(yīng)力——節(jié)點圖，最終找到了柱塞發(fā)生變形翹曲所在，為優(yōu)化柱塞在實際生產(chǎn)中的加工工藝提供了參考依據(jù)，也為企業(yè)在產(chǎn)品研發(fā)環(huán)節(jié)提供了理論支撐。