基于Solidworks Simulation的测量仪器部件热变形模拟

摘要：为提高某测量仪器的测量精度，本文应用Solidworks建立了仪器机架与导轨部件的三维模型，在Simulation模块下对此部件进行了热变形模拟，得到了部件在温度变化下的变形云图，给出了部件发生弯曲变形的原理及改进设计方案，并对改进后的部件进行了热变形模拟，结果显示改进后的部件在温度变化的情况下变形较小。

关键词：机架;导轨;Simulation;温度;变形

引言

钢铁企业连续铸钢（简称连铸）生产过程中，需要定时检测结晶器上口及下口宽度值，以往操作工人经常采用钢板尺等传统工具测量，测量精度无法保证，针对此实际需求设计了一种专用检测仪器，测量精度大幅提高，操作简便灵活，但是在仪器实际使用过程中发现环境温度的变化对设备测量精度有很大影响，经过分析是因为仪器机架与安装在其上的导轨发生了热弯曲变形导致。为模拟机架与导轨部件的热弯曲变形，掌握其实际变形情况，首先，根据仪器实际结构尺寸，应用Solidworks建立了机架与导轨部件三维模型。其次，在simulation模块下依据实际温度变化情况进行了热变形模拟，并得到模拟结果。最后，根据分析模拟结果数后给出了结构改进意见，并对改进后的结构再进行热变形模拟，结果显示改进方法有效，本文结论对此类设备结构设计具有重要的指导意义。

一、测量仪器机架与导轨部件结构

测量仪器机架与导轨组成的部件截面图如图1所示，机架与导轨长度都为1230mm，二者通过多根螺栓连接。机架用于支撑仪器导轨等其他零部件，导轨上安装有滑块，滑块可以在导轨上往复直线运动，仪器测头固定在滑块上，用于检测结晶器上下口尺寸。因此，如机架与导轨部件发生弯曲变形将直接影响仪器测量精度。

二、机架与导轨部件随环境温度变化弯曲原理

此测量仪器机架与导轨在长度方向通过多根螺栓紧固在一起，其中机架材质为铝合金，导轨材质为合金钢。

由物体热膨胀计算公式：（其中为物体长度變化量，为材料热膨胀系数，为物体原长，为温度变化量），又机架与导轨原长相等，所处环境温度变化量相等，可知二者长度变化量大小取决于热膨胀系数，又铝合金热膨胀系数（2.4×10-5/k）要大于合金钢热膨胀系数（1.3×10-5/k），所以机架热膨胀量要大于导轨，进而导致整个部件会向导轨一侧发生弯曲变形。

三、机架与导轨部件热膨胀变形模拟边界条件

a.依据机架与导轨的实际尺寸，应用Solidworks建立部件三维模型，并作为热变形模拟的计算模型。

b.机架材质设置为铝合金（热膨胀系数为2.4×10-5/k、弹性模量为6.9×1010N/m2、泊松比为0.33），导轨材质设置为合金钢（热膨胀系数为2.4×10-5/k、弹性模量为2.4×1011N/m2、泊松比为0.28）。

c.机架一端面设置为“固定约束”，机架与导轨之间的接触设置为“接合”[3]。

d.部件零应变温度设置为25℃，环境温度设置为35℃，即模拟环境温度从25℃变化到35℃的情况[1]。

四、热变形模拟结果

选取机架与导轨部件侧向视图做为观察视向，即部件发生弓形弯曲的平面，如图2所示，为便于观察部件变形趋势，云图变形量已放大50倍[2]。

从图2部件变形云图可以看出，在环境温度从25℃增加到35℃的情况下，部件整体变形最大值达到2mm，且向导轨一侧弯曲，究其原因是因为在热膨胀变形过程中，材质为铝合金的机架伸长量大于材质为合金钢的导轨，当部件发生弯曲变形后，安装有测头的滑块运动轨迹也会随之改变，进而影响仪器测量精度。因此，机架与导轨部件采用一侧为机架，另一侧为导轨的不对称机构设计，且材质不同，在实际测量仪器设计过程中应予以避免。

针对图1结构的缺点，对部件结构进行改良设计如图3所示，其是在图1结构的基础上在机架另一侧安装了相同的导轨，使得整个部件成为对称结构，预计在热变形过程中可以有效减少弯曲变形。

采取与图2相同的视图，相同的边界条件，变形量放大50倍观看，改良后结构的热变形云图如图4所示。

从图中可以看出在相同的条件下，改良后的部件最大变形量只有0.2mm，变形量极小近十倍，几乎无弯曲变形。因此，机架与导轨部件采用对称结构设计可以很大程度上避免发生因温度变化引起的弯曲变形，其中一导轨用于支撑滑块往复运动，另一导轨用于限制整个部件发生弯曲变形。

综上可知，合理的设计机架与导轨部件的结构，可以有效的避免其因温度变化发生弯曲变形。

五、结论

（一）在温度变化的情况下，测量仪器机架与导轨部件发生弯曲变形的情况需在设计过程中予以考虑，否则会影响仪器测量精度。

（二）测量仪器机架与导轨材质不同，且采用非对称结构设计，在温度变化的情况下，发生弯曲变形情况较为明显，严重影响仪器测量精度。

（三）测量仪器机架与导轨材质不同，但采用对称结构设计，在温度变化的情况下，几乎不发生弯曲变形，有利于提高仪器测量精度。

参考文献：

[1]孟庆霞，基于Solidworks simulation的热装法温度场分析[J].设备管理与维修，2018，（19）：10-12.

[2]陈超祥，Solidworks Simulation基础教程[M]机械工业出版社，2017.

[3]张永峰，基于SolidWorks Simulation的压头热应变分析[J].山西电子技术，2012，（4）：49-50.

支持项目：2020年内蒙古自治区高校科研项目

作者简介：

孟强（1983-），男，内蒙古通辽市人，硕士研究生，讲师。