UG NX 在太阳能支架设计中的应用

申文明，闫 芳，孔维忠，冯红旭

（山东力诺瑞特新能源有限公司，山东 济南 250103）

1 概述

太阳能热水器支架（以下简称支架）是太阳能热水器中的重要组成部件，传统的支架设计是根据经验进行的，因此在验证支架装配、可靠性、经济性和设计与生产的快速转换等方面存在问题。本文以某太阳能热水器管支数的参数为基本参数，对支架进行参数化驱动，并对其进行结构分析及优化。

2 总体思路

支架结构简图如图1所示。

图1 支架结构简图

根据支架型材截面建立支架杆件，并以管支数n作为支架杆件尺寸参数驱动，约束装配关系，最后对支架进行结构分析、优化。具体流程如图2所示。

3 实施步骤

UG NX 的建模应用模块相对于其他三维软件的建模功能更加易操作，具有较强的实用性。首先利用UG NX 中的建模模块进行建模，建模模块包括特征建模模块和自由形状建模模块两大部分，它将基于约束的特征建模和显示几何建模集成在一起，提供了强大的复合建模能力，可以轻松地完成各种复杂的实体建模和面建模。在NX中以草图绘制为基础，并通过一系列的拉伸、旋转等操作，并以管支数n作为基本尺寸驱动参数构建支架的零部件实体模型。直插式太阳能支架的构成主要由前横撑、上后横撑、下后横撑、前连接杆、后连接杆、侧连接杆、尾座、前架和后架等组成。

图2 支架结构参数化设计流程图

3.1 支架前横撑、上后横撑尺寸的确定

太阳能热水器中的U 型孔与支架桶托中的U 型孔存在对应的装配关系，由此得出支架横撑尺寸值，并以太阳能热水器的管支数n 为变量列写关系式，具体表达式如图3所示。图3中，d 为太阳能热水器管间距，m 为U 型孔到边的距离，s为真空管首孔到边的距离，l为横撑长度。

3.2 支架下后横撑尺寸的确定

下后横撑的尺寸值与前横撑、上后横撑相等，使用相同的表达式。但后连接杆的安装孔位置是根据管支数n变化的自变量，需定义其尺寸值。具体表达式如图4所示。图4中，p27为安装孔的位置尺寸。

图3 支架前横撑、上后横撑尺寸表达式

图4 支架下后横撑尺寸表达式

3.3 支架后连接杆尺寸的确定

支架后连接杆尺寸值相当于直角三角形的斜边，该尺寸值的表达式如图5所示。图5中，p13、p14为安装孔的相对位置尺寸，p15为支架后连接杆尺寸值。

图5 支架后连接杆尺寸表达式

3.4 支架前连接杆、侧连接杆尺寸的确定

支架前连接杆、侧连接杆的尺寸值为安装孔的间距为一定值。

3.5 支架尾座尺寸的确定

根据真空管的安装位置确定支架尾座的尺寸，具体表达式如图6所示。图6中，p1为尾座首孔到边的位置。

3.6 支架前架、后架尺寸的确定

根据真空管的长度及产品角度计算出支架前、后架的尺寸，该值为一定值。由此，整个支架各尺寸值均已确定。修改太阳能热水器管支数n 的值，整个支架就会自由变换长度。

图6 支架尾座尺寸表达式

装配是UG NX 的一个集成应用模块，用于部件装配的构造、装配关联中各部件的建模以及装配图样零件明细表的生成。使用装配的一个好处是对于某个部件进行的设计更改可在使用该部件的所有装配图中反映出来。图7为管支数n＝30的支架装配图。

图7 支架装配图（n＝30时）

3.7 支架的结构分析

UG NX／Nastran具有较强的前、后处理功能，计算结果可信，其有限元模型可以从UG NX 建模模块中直接生成，并可进行方案的比较，进而可精确地表现真实的产品设计，为产品的分析节省了设计时间。且在分析的后处理结果显示中，能够直观地得到其结构各部位的应力、应变等参数的分布情况，还可以得到产品的模态分析效果图。无论从计算的速度还是计算的准确度上都是传统设计无法比拟的。

在UG NX 高级仿真模块中建立仿真模型。本文采用自定义1D 梁截面的方法进行结构分析。机架后处理的位移和应力云图分别如图8和图9所示。

图8 支架后处理位移云图

对支架进行有限元分析后，设计者就可以根据刚度分析、模态分析以及灵敏度分析的结果对支架进行优化设计，对模型进行进一步的修改，消除分析中存在的大疲劳应力区，减小支架的集中应力区域。在进行多种方案的比较下，选择出最佳的设计方案。

图9 支架后处理应力云图

3.8 工程图纸的输出及生产制造

UG NX 除了具有以上的功能外，在实际应用中它的工程制图功能也是非常强大的。利用工程制图模块，可以对零部件的三维数据模型进行工程图纸的输出，为设计者节约了大量的时间。支架在生产制造过程中，通过二维的工程图就能准确地表达出生产要求，这不仅方便了生产中工人的操作，而且在生产过程中间接地降低了制造成本。

4 总结

UG NX 的应用为产品的生产制造带来了诸多的便利，使大部分厂家摆脱了传统的人工设计和绘图的工作方式。它能极大限度地体现出设计者的设计意图，能够有效地降低设计误差，特别是针对那些结构复杂的设计。本文叙述了UG NX 在太阳能热水器支架设计中的建模、分析、优化以及生产中的应用，以便制造出具有更佳可靠性和安全性的支架。

［1］ 袁家谱.太阳能热水系统手册［M］.北京：化学工业出版社，2008.

［2］ 吴振一，窦建清.全玻璃真空太阳能集热管热水器及热水系统［M］.北京：清华大学出版社，2008.

［3］ 余强，魏青周，周京平.UG 零件设计技术与实践（UG4.0版）［M］.北京：电子工业出版社，2007.

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［5］ 朱崇高，谢福俊.UG NX CAE 基础与实例应用［M］.北京：清华大学出版社，2010.