劉潤一，劉東

（北方工業(yè)大學(xué)，機(jī)械與材料工程學(xué)院，北京100144）

鍍膜機(jī)真空室的有限元分析

劉潤一，劉東

（北方工業(yè)大學(xué)，機(jī)械與材料工程學(xué)院，北京100144）

有限元法是將連續(xù)體離散化，通過對有限個單元做分片插值求解各種力學(xué)物理學(xué)問題的一種數(shù)值方法。利用SolidWorks建立鍍膜機(jī)真空室三維模型，將其通過接口導(dǎo)入ANSYSW orkbench進(jìn)行有限元分析，通過網(wǎng)格劃分，施加載荷，求解計(jì)算對模型進(jìn)行靜力學(xué)分析得到真空室的變形情況，并在后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)中提供參考。

真空；建模：有限元法；變形

人們在生活中對鍍膜產(chǎn)品的需求量越來越大，對于日常生活生產(chǎn)用品的外觀的標(biāo)準(zhǔn)也是越來越高，因此，真空鍍膜已被廣泛應(yīng)用于各種塑料、陶瓷、玻璃、蠟、木材等制品的表面，金屬化真空鍍膜技術(shù)在今后會有更加光明的發(fā)展前途，真空鍍膜機(jī)的市場肯定會越來越廣闊[1]。真空室體是真空鍍膜設(shè)備中的重要組成部分，鍍膜的工作在真空室體中完成，鍍膜過程中在外界大氣壓力的作用下會產(chǎn)生形變，形變的大小，應(yīng)力的分布會影響鍍膜的質(zhì)量。因此對真空室在大氣壓力下進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析，可以有效地計(jì)算分析出真空室在工作室的應(yīng)力應(yīng)變分布情況，加以改進(jìn)，提高鍍膜質(zhì)量。ANSYSWorkbench作為功能強(qiáng)大、應(yīng)用廣泛的有限元分析軟件，具有數(shù)據(jù)統(tǒng)一，良好優(yōu)化功能及建模、求解和非線性分析功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)[2]，本文利用ANSYSWorkbench對真空鍍膜機(jī)真空室體進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析，得出了在真空室體的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值，找出了設(shè)計(jì)上的缺陷，之后對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。

1理論基礎(chǔ)

線性靜力分析是最基礎(chǔ)但又是應(yīng)用最廣的一類分析類型，線性分析有兩方面的含義：首先就是材料為線性，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為線性，變形是可恢復(fù)的，另外結(jié)構(gòu)發(fā)生的是小位移、小應(yīng)變、小轉(zhuǎn)動，結(jié)構(gòu)剛度不因變形而變化。所謂靜力就是結(jié)構(gòu)受到靜態(tài)載荷的作用，慣性和阻尼可以忽略。在靜態(tài)載荷作用下，結(jié)構(gòu)處于靜力平衡狀態(tài)，此時(shí)必須充分約束，但由于不考慮慣性，則質(zhì)量對結(jié)構(gòu)沒有影響[3]。

經(jīng)典力學(xué)理論可知，物體的動力學(xué)通用方程是：

式中，[M]是質(zhì)量矩陣；[C]是阻尼矩陣；[K]是剛度矩陣；{x}是位移矢量；{F（t）}是力矢量；{x'}是速度矢量；{x''}是加速度矢量。

而現(xiàn)行結(jié)構(gòu)分析中，與時(shí)間t相關(guān)的量都將被忽略，于是上式簡化為：

2材料和方法

2.1 三維模型的建立

有限元模型可以直接在ANSYSWorkbench軟件中建立，也可以用其他三維軟件建立好模型之后導(dǎo)入有限元軟件中。本文采用SolidWorks建立好模型，再導(dǎo)入有限元軟件中。

鍍膜真空室主要由抽氣口組件、爐底、爐頂、爐口連接法蘭、內(nèi)筒、外筒、源接口法蘭組成，利用SolidWorks三維軟件采用拉伸旋轉(zhuǎn)凸臺等特征進(jìn)行建模，附加的功能還包括倒角、切除、陣列等特征方法。為了保證全面準(zhǔn)確地反映鍍膜機(jī)真空的應(yīng)力應(yīng)變情況，同時(shí)使用有限元模型得到簡化，有以下建模原則：

（1）一些明顯不會顯著影響鍍膜機(jī)真空室本身整體強(qiáng)度剛度的部位予以簡化；

（2）考慮鋼板焊接應(yīng)力及焊縫形式的影響。

本次分析的鍍膜機(jī)真空室為一空心薄壁圓筒結(jié)構(gòu)，在滿足分析要求的前提下，盡量使模型簡化，以節(jié)省計(jì)算時(shí)間，所以在建立車架有限元模型時(shí)，忽略了一些小零件的作用。在真空鍍膜機(jī)的真空室模型簡化時(shí)，三維模型可簡化成：主體為Φ495 mm×975 mm的內(nèi)外圓筒，外接法蘭件，把一些無影響的孔洞邊角簡化掉。如圖1所示。

圖1 幾何模型

2.2 參數(shù)及邊界條件

邊界條件包括約束邊界條件和載荷邊界條件[4]。真空室主要由各種法蘭和圓筒相配合，由焊接而成，在工作中真空室的受力主要來源于真空室和外界大氣壓的聯(lián)合作用。不會有在X、Y、Z方向上的移動，真空室的靜力分析是計(jì)算在固定不變載荷作用下真空室的位移、應(yīng)力，不考慮慣性和阻尼的影響，所以經(jīng)過分析為真空室的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了重要的理論基礎(chǔ)以及參考。鍍膜機(jī)真空室的材料是不銹鋼，將不銹鋼的材料數(shù)據(jù)輸入到ANSYS中，具體數(shù)值如表1所示。

表1 材料參數(shù)

2.3 網(wǎng)絡(luò)劃分

網(wǎng)格劃分的好壞對于分析結(jié)果準(zhǔn)確性有重要的影響，ANSYSWorkbench中對于網(wǎng)格劃分有掃掠網(wǎng)格劃分、四面體網(wǎng)格劃分、六面體主導(dǎo)網(wǎng)格劃分、以及自動網(wǎng)格劃分等方法。根據(jù)真空室的工況以及模型的特點(diǎn)，本文采用自由網(wǎng)格劃分以及局部細(xì)化的組合劃分方式，劃分后如圖2所示。本模型共有159601個節(jié)點(diǎn)，77045個單元。

圖2 網(wǎng)格劃分

2.4 施加載荷并求解

可以在前處理器中對幾何模型上市價(jià)力載荷和約束。力載荷包括點(diǎn)載荷、分布載荷、體載荷、函數(shù)載荷等。施加載荷也可在分析計(jì)算中進(jìn)行，其效果完全一樣[5]。如圖3、圖4所示。

圖3 施加約束

圖4 施加載荷

（1）對真空室底面施加約束ALLDOF；

（2）對真空室外表面施加1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，施加室。

2.5 分析結(jié)果

后處理是ANSYSWorkbench軟件分析最重要的步驟，后處理可以看到真空室在實(shí)際工作中的情況和數(shù)據(jù)，在對結(jié)果進(jìn)行深入的分析之后才能發(fā)現(xiàn)三維模型的缺點(diǎn)、優(yōu)點(diǎn)，之后可以提出進(jìn)一步的解決辦法，提高鍍膜機(jī)的工作效率以及鍍膜質(zhì)量。這樣就可以提前對結(jié)構(gòu)進(jìn)行更改，節(jié)省了現(xiàn)實(shí)中的浪費(fèi)，通過等效應(yīng)力云圖可以直觀看出各部位應(yīng)力的強(qiáng)弱，通過變形云圖可以得到各部分之間的變形情況。

鍍膜機(jī)真空室的靜力分析是計(jì)算在固定不變載荷作用下的位移、應(yīng)力，它不考慮慣性和阻尼的影響。真空室為有限元分析的主體，在后處理過程中只顯示真空室的變形和應(yīng)力云圖，這樣能夠簡化分析結(jié)果，突出重點(diǎn)。真空室的變形如圖5所示，應(yīng)力云圖如圖6所示，應(yīng)變云圖如圖7所示。

圖5 真空室的變形圖

如圖5所示，真空室最小位移處在真空室桶臂頂端，最大位移變形處位于真空室與法蘭連接薄板處，最大位移為1.928 mm，真空室的頂端位移變形情況也比較明顯，頂端的中心向下凹陷。如圖6所示，真空室的最大應(yīng)力在真空室的筒壁上以及真空室與法蘭連接處，大小為291 MPa.為了進(jìn)一步優(yōu)化，在筒壁四周加了五根筋板，真空室的變形圖、應(yīng)力云圖、應(yīng)變云圖如圖8、圖9、圖10所示。

圖8 真空室的變形圖

圖6 真空室的應(yīng)力云圖

圖7 真空室的應(yīng)變云圖

圖9 真空室的應(yīng)力云圖

圖10 真空室的應(yīng)變云圖

綜合以上分析結(jié)果，將數(shù)據(jù)歸納于表2、表3所示。

表2 真空室的有限元分析結(jié)果

表3 優(yōu)化后真空室的有限元分析結(jié)果

通過表2和表3的對比可以看出在優(yōu)化前真空室體模型變化的最大變形量位于法蘭與桶壁的連接處，最大變形量為為1.928 1 mm，等效應(yīng)力為291 MPa，等效應(yīng)變?yōu)?.001 8位于法蘭與桶壁的連接處，通過在桶壁兩側(cè)加上筋板之后總變形量減小到0.758 5 mm、等效應(yīng)力減小到185 MPa、等效應(yīng)變?yōu)?.000 1，變形明顯減小，進(jìn)一步提高了鍍膜質(zhì)量。

3結(jié)束語

通過應(yīng)用ANSYSWorkbench軟件對鍍膜機(jī)真空室進(jìn)行有限元分析，得到了單元和節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變云圖和位移圖，可以得到以下結(jié)論：鍍膜機(jī)真空室的頂蓋部分以及筒壁有明顯的變化情況，有明顯的向內(nèi)凹的趨勢，是真空室的應(yīng)變最大處，而且頂蓋中心受向下的壓力，向內(nèi)部凹陷。在優(yōu)化前真空室體的最大變形量為1.928 1 mm，最大等效應(yīng)力為291 MPa，最大等效應(yīng)變?yōu)?.001 8m/m，雖然形變量在可接受的范圍內(nèi)，但是為了提高鍍膜產(chǎn)品的質(zhì)量，需要進(jìn)一步優(yōu)化進(jìn)一步減小變形量。針對真空室箱體存在較大變形的位置，在真空室筒壁四周加上筋板，使變形量減小到0.758 5 mm，最大等效應(yīng)力減小到185 MPa使真空室的形變對真空鍍膜過程影響最小，提高了鍍膜質(zhì)量。

[1]邸英浩，胡曉鋒，李紅娟.淺析真空鍍膜技術(shù)的現(xiàn)狀及進(jìn)展[J].天津冶金.2004（05）：45-48.

[2]梁俊濤，張莉，梁濤.基于ANSYSWorkbench的工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J].設(shè)計(jì)與研究，2014（2）：21-22.

[3]LI Bing.He Zhengjia.Chen Xuefeng.ANSYS Workbench design.simulation and optimination[M].Beijing Tsinghua Uni versity Press.2012：149-153.

[4]Cong Ming.Zhao Qiang.Han Tao.Influence of different boundry constraint in static and dynamic analysis[C].2010 International Conference on Mechanic Automation and Contral Engineering.June 26.2010-June 28.2010.Wu han.China：IEEE Computer Society.

[5]許進(jìn)峰.ANSYSWorkbench 15.0完全自學(xué)一本通[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014：199-203.

The Finite Element Analysis of the Vacuum Chamber of the Coating Machine

LIU Run-yi，LIU dong
（School Of Mechanical And Material Engineer，North China University of Technology，Beijing 100144，China）

The finite elementmethod make the continuousmedium discrete，and the slice interpolation method is applied to finite element to solve all kinds ofmechanical problems and physics problems.Then using Solidworks to model the vacuum chamber and simplify the model.Then using the ANSYSWorkbench to mesh the model and apply load to the model then ststic analysis of the model.At last the deformation condition of the model is optimized.

vacuum；modeling；finite elementmethod；deformation condition

TB753.2

A

1672-545X（2016）12-0024-04

2016-09-22

劉潤一（1989-），男，北京人，碩士研究生，研究方向：數(shù)控加工技術(shù)與裝備；劉東（1976-），男，山西人，副教授，博士研究生，研究方向：先進(jìn)制造技術(shù)。