Solidworks Simulation热分析在加热工作台改进设计中的应用

郎 平，王军帅，高 泽

(北京中电科电子装备有限公司，北京 100176)

Solidworks是目前一款主流的三维设计软件之一，由于其具有友好直观的使用界面，简单、易学的操作性而得到了越来越多的客户的认可。Solidworks Simulation是一种基于有限元分析技术的设计分析软件，其可以进行静态、频率、热、疲劳等多方面的分析，其与Solidworks软件无缝集成，操作简单方便，非常适合产品设计人员使用[1，2]。本文运用Solidworks Simulation软件对一种加热工作台进行了热结构耦合分析，找到了陶瓷吸盘损坏的原因，根据分析结果改进了陶瓷吸盘固定结构，解决了陶瓷损坏的问题。

1 加热工作台的结构和原理

加热工作台结构如图1所示，其主要功能是：陶瓷吸盘通过真空将工件吸附在其上表面，加热板将陶瓷吸盘的工件加热到200℃，通过直线导轨导向，陶瓷吸盘可带动工件做直线运动。

图1 加热工作台构结构简图

2 问题的分析与解决

2.1 存在的问题

该加热工作台中，在初始的设计方案中，陶瓷吸盘是通过螺钉固定在加热板上，在实际使用过程中陶瓷吸盘的螺钉孔附近发生了破损，如图2所示。

图2 陶瓷吸盘加热破损

2.2 问题的分析

为了找到陶瓷吸盘发生损坏的原因，我们运用Solidworks Simulation软件对该结构进行了热结构耦合分析。

2.2.1 加热工作台热力分析

新建立一个热力分析算例，如图3所示。在加热板上安装加热管的位置添加225℃的温度热载荷（根据实验测量的数据）；在零件所有裸露的外表面添加空气对流热载荷，对流系数为12 W/（m2·K）；在连接座上用压缩空气进行冷却的位置上添加空气对流热载荷，对流系数为220 W/（m2·K）；各热载荷如图4所示。

热力分析结果如图5所示，陶瓷吸盘上表面温度大约为200℃，支撑座表面温度大约为130℃，与实验实际测量的数据比较吻合。

图3 新建热力分析算例

图4 热载荷添加

图5 加热台热力分析结果

2.2.2 未添加螺钉载荷热结构耦合分析

新建立一个静态分析算例，添加外部载荷，选择热力效应，选择刚进行的热力分析算例名称，将热力分析结果导入到静态算例中，进行热结构耦合分析，如图6所示。

在连接相触面组中添加接触关系如图7所示，陶瓷吸盘和加热板之间、加热板和隔热板之间、隔热板和支撑座之间选择无穿透的接触关系。

图6 热力分析结果导入

图7 添加接触关系

分析结果如图8所示，陶瓷吸盘和加热板在A处和B处的热变形量如表1所示，表中的负号表示变形方向相反，从表1中可以看出，陶瓷吸盘的热变形量为0.57 mm，加热板的变形量为1.55 mm。

图8 热结构耦合分析结果

表1 陶瓷吸盘和加热板热变形量

2.2.3 理论计算陶瓷吸盘和加热板的热变形量

陶瓷吸盘的材料为氧化铝陶瓷，外形尺寸300 mm×300 mm，环境温度为20℃，加热后温度为200℃，其膨胀系数为：7.7×10-6m/℃，因此可以计算出其加热到200℃时的膨胀量为：

加热板的材料为铝合金，外形尺寸300 mm×300 mm，环境温度为20℃，加热后温度为225℃，其膨胀系数为：23.8×10-6m/℃，因此可以计算出其加热到225℃时的膨胀量为：

计算结果与理论分析的结果比较接近。由于铝合金的膨胀系数要远大于陶瓷，加热板的变形量比陶瓷吸盘大了将近1 mm，而陶瓷吸盘是通过螺钉固定在加热板上的，螺钉与陶瓷吸盘上的光孔的间隙只有0.25 mm，因此陶瓷吸盘上的光孔会阻碍与加热板连接的螺钉与加热板一起膨胀，当应力值超过陶瓷抗拉强度时陶瓷吸盘就会发生损坏。

2.2.4 添加螺钉载荷热结构耦合分析

为了能够得到陶瓷吸盘受热膨胀时所承受的应力，在原有模型基础上添加螺钉零件，重新进行热结构耦合分析，在连接相触面组中添加接触关系如图9所示，各安装零件之间还是选择无穿透的接触关系陶瓷吸盘与安装螺钉之间添加无穿透的接触关系。

图9 添加接触关系

热结构耦合分析应力结果如图10所示，从分析结果可以看出，在陶瓷吸盘的螺钉孔附近产生了最大应力，其值大约为800 MPa。通氧化铝陶瓷的抗拉强度为265 MPa，该应力值超过陶瓷抗拉强度，所以陶瓷吸盘发生了损坏。

2.3 问题解决

从上面的仿真分析中，我们发现造成陶瓷吸盘破损的原因主要是两种材料的膨胀系数差别比较大，从而造成了两者之间的热膨胀差别大，而固定螺钉阻碍了热膨胀的进一步发展，从而造成了陶瓷吸盘的破损。因此，我们修改了结构设计，把陶瓷吸盘的固定方式从螺钉固定改为用压板压紧（如图11所示），保证两者可以自由膨胀，从而避免了陶瓷吸盘的损坏。

图10 热结构耦合应力分析结果

图11 改进后的陶瓷吸盘固定方式

3 结论

通过Solidworks Simulation软件的分析，结合实际实验，快速找到了造成陶瓷吸盘发生破损的原因，根据分析结果对陶瓷吸盘固定结构进行了改进，解决了陶瓷吸盘的破损问题，保证了设备的研发进度。