基于Solid W orks软件的有限元分析

刘海斌 柳 岩 陈淑春

（1.辽宁工程职业学院，辽宁 铁岭 112008；2.沈阳市第72中学，辽宁 沈阳 110173）

1 有限元分析的重要性

随着市场竞争加剧，要求产品具有更短生产和设计周期，企业迫切需要用新技术来满足市场对产品设计周期的要求。有限元分析技术是提升产品质量、缩短设计周期、提高产品竞争力的有效手段，随着计算机技术和计算方法的发展，有限元分析在工程设计和科研领域得到广泛应用，已经成为解决复杂工程分析计算问题的有效途径，现在从汽车到航天飞机几乎所有设计制造都离不开有限元分析计算，其在机械制造、材料加工、航空航天等领域广泛使用已使设计水平发生了质的飞跃。

依据国家标准GB/T 4857.3中规定，200L物料桶在通过挤出吹塑成型加工完后，根据其使用环境和物料等级不同，对物料桶的后期检验也不尽相同。200L物料桶后期检验主要有堆码试验，跌落试验和应力开裂试验，外观观测等内容。200L物料桶有限元分析中对物料桶检验标准中重要指标，堆码试验和跌落试验进行了分析，并对堆码试验后，物料桶的外形尺寸进行了优化分析，使其具有很好的抗堆码损坏性能。

2 堆码分析

依据国家标准GB/T 4857.3中规定堆码负载按下式计算：

式中，P—塑料容器上施加的堆码负载，单位为牛顿（N）；M—单件包装质量（为密度与实际容量之积，再加桶重），单位/千克（kg）；H—堆码高度，3m；h—单个容器的高度，单位为米（m）；H/h—取整数位（小数点后舍掉）

堆码分析中所用200L物料桶桶高0.89m、桶重15kg、容积200L，假设所盛装的溶剂密度1.0×103/m3，经计算堆码负载为4300N。堆码分析中考虑到高密度聚乙烯在不同温度环境下的屈服强度的差异性，决定施加堆码负载大于计算值，分析中实际所加负载为8000N。

物料桶有堆码分析中主要利Solid Works Simulation 有限元分析中的静力分析功能。Solid Works中simulation分析界面，创建静力分析算例，命名为堆码分析。在材料库中自定义高密度聚乙烯材料，由于分析中涉及到结构分析，因此只需定义材料的力学性能，具体属性如下：屈服强度30MPa、弹性模量1.07×109N/ m2、泊松比0.41。

对物料桶模型赋予我们自定义的材料属性，加剧选项中设定为固定约束，物料桶顶部L环上施加计算值8000N的载荷，划分网格，安装系统默认的网格精度，运行分析，经过计算。

堆码分析结果分析：

从堆码分析的结果可以得出：在忽略建模误差和有限元在计算中产生的计算误差，根据使用要求所设计的双L环200L物料桶在堆码负载8000N下最大应力为4.04MPa，最大应变为0.027mm，安全系数最小为7，是完全可以满足实际使用过程中的堆码强度要求。

3 优化分析

优化分析的目的就是寻找物体模型的最优组合，优化就是对物体模型的重量，成本，自然挠度等因素进行计算，所有这些都通过，物体模型的尺寸，载荷，约束，或材料成本为条件，通过合理选择物体模型的可优化因素，使物体模型达到最为合理的状态，从而使物体模型达到最优解。优化设计可以提高产品在自身操作中的性能，减少产品的材料数量，降低生产成本，提高产品的价值。优化设计在竞争激烈的市场环境中，对制造厂家提高产品质量，降低成本有重要作用。

Solid Works通过“设计算例功能”通过设置变量、约束、目标，来寻求优化分析的最优解。设计算例中变量即在进行优化求解过程中的变化量，在变量设定中，包括设置最大值，最小值和变化步长；约束即在优化计算中应力、挠度、频率等得合理变化范围，并制定变化范围的最小值和最大值，约束限制了优化的空间，优化分析中当结果买足约束条件时，即得到我们设置的合理值，当超过约束设置时，就会提示并给出最为接近设定条件的值；优化目标即在整个优化分析中需要时时刻刻考虑的因素，根据求解目的的不同，优化目标常有，最大应力、最小应力、体积目标、重量目标、表面积等目标设定方法。通过对物料桶进行优化设计可以优化物料桶的外形尺寸，使物料桶到过最佳的外形尺寸，从而具有更好的抵抗主要变形的能力，提高物料桶的使用寿命。

通过物料桶的堆码分析，根据堆码分析的应力图解得出堆码应力最大处集中在桶顶L环附近，应力最大值4.04MPa，优化设计中选取尺寸1和尺寸2两个角度作为优化变量，在变量设定中设定：尺寸1的迭代范围为100deg~ 120deg，迭代步长为5deg；尺寸2设定迭代范围为60deg~ 120deg，迭代步长10deg；由堆码分析得到堆码最大应力4.04MPa，约束设置中设定最大应力为3.75MPa，在目标中设计定为最小值。

运行优化分析后得到结果为错误！未找到引用源。结果中可以看到优化结果最大应力3.72MPa，比初始最大应力减少了0.32MPa。尺寸1的优化结果由原来的115优化为110，尺寸2没有变化，并且可以查看两个尺寸的不同组合所得到其他最大应力值。应力最大处仍然在L环附近，但最大应力已经降为3.72MPa，应变也降为0.022mm。

结语

有限元模拟分析也存在一些局限性，例如有限元分析中所定义材料的屈服强度是高密度聚乙烯的通用参数，并没有具体指出在不同温度环境下的屈服强度。另外吹塑成型容器内壁尺寸难以控制等，这些未列入模拟分析参数中的因素实际上都会影响分析结果。总体来说，用solidworks的simulation有限元分析对改进双L环200升物料桶的尺寸结构具有很好的理论指导意义和现实应用价值。

[1]江洪，等.Solid Works 有限元分析实例解析[M].