鍍膜機真空室的有限元分析

劉潤一，劉東

（北方工業大學，機械與材料工程學院，北京100144）

鍍膜機真空室的有限元分析

劉潤一，劉東

（北方工業大學，機械與材料工程學院，北京100144）

有限元法是將連續體離散化，通過對有限個單元做分片插值求解各種力學物理學問題的一種數值方法。利用SolidWorks建立鍍膜機真空室三維模型，將其通過接口導入ANSYSW orkbench進行有限元分析，通過網格劃分，施加載荷，求解計算對模型進行靜力學分析得到真空室的變形情況，并在后續優化設計中提供參考。

真空；建模：有限元法；變形

人們在生活中對鍍膜產品的需求量越來越大，對于日常生活生產用品的外觀的標準也是越來越高，因此，真空鍍膜已被廣泛應用于各種塑料、陶瓷、玻璃、蠟、木材等制品的表面，金屬化真空鍍膜技術在今后會有更加光明的發展前途，真空鍍膜機的市場肯定會越來越廣闊[1]。真空室體是真空鍍膜設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生形變，形變的大小，應力的分布會影響鍍膜的質量。因此對真空室在大氣壓力下進行應力應變分析，可以有效地計算分析出真空室在工作室的應力應變分布情況，加以改進，提高鍍膜質量。ANSYSWorkbench作為功能強大、應用廣泛的有限元分析軟件，具有數據統一，良好優化功能及建模、求解和非線性分析功能強大等優點[2]，本文利用ANSYSWorkbench對真空鍍膜機真空室體進行應力應變分析，得出了在真空室體的應力應變數值，找出了設計上的缺陷，之后對結構進行了改進。

1理論基礎

線性靜力分析是最基礎但又是應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，應力應變關系為線性，變形是可恢復的，另外結構發生的是小位移、小應變、小轉動，結構剛度不因變形而變化。所謂靜力就是結構受到靜態載荷的作用，慣性和阻尼可以忽略。在靜態載荷作用下，結構處于靜力平衡狀態，此時必須充分約束，但由于不考慮慣性，則質量對結構沒有影響[3]。

經典力學理論可知，物體的動力學通用方程是：

式中，[M]是質量矩陣；[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。

而現行結構分析中，與時間t相關的量都將被忽略，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入有限元軟件中。本文采用SolidWorks建立好模型，再導入有限元軟件中。

鍍膜真空室主要由抽氣口組件、爐底、爐頂、爐口連接法蘭、內筒、外筒、源接口法蘭組成，利用SolidWorks三維軟件采用拉伸旋轉凸臺等特征進行建模，附加的功能還包括倒角、切除、陣列等特征方法。為了保證全面準確地反映鍍膜機真空的應力應變情況，同時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真空室本身整體強度剛度的部位予以簡化；

（2）考慮鋼板焊接應力及焊縫形式的影響。

本次分析的鍍膜機真空室為一空心薄壁圓筒結構，在滿足分析要求的前提下，盡量使模型簡化，以節省計算時間，所以在建立車架有限元模型時，忽略了一些小零件的作用。在真空鍍膜機的真空室模型簡化時，三維模型可簡化成：主體為Φ495 mm×975 mm的內外圓筒，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算在固定不變載荷作用下真空室的位移、應力，不考慮慣性和阻尼的影響，所以經過分析為真空室的結構優化設計提供了重要的理論基礎以及參考。鍍膜機真空室的材料是不銹鋼，將不銹鋼的材料數據輸入到ANSYS中，具體數值如表1所示。

表1 材料參數

2.3 網絡劃分

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

圖2 網格劃分

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力載荷和約束。力載荷包括點載荷、分布載荷、體載荷、函數載荷等。施加載荷也可在分析計算中進行，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標準大氣壓，施加室。

2.5 分析結果

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際工作中的情況和數據，在對結果進行深入的分析之后才能發現三維模型的缺點、優點，之后可以提出進一步的解決辦法，提高鍍膜機的工作效率以及鍍膜質量。這樣就可以提前對結構進行更改，節省了現實中的浪費，通過等效應力云圖可以直觀看出各部位應力的強弱，通過變形云圖可以得到各部分之間的變形情況。

鍍膜機真空室的靜力分析是計算在固定不變載荷作用下的位移、應力，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力云圖，這樣能夠簡化分析結果，突出重點。真空室的變形如圖5所示，應力云圖如圖6所示，應變云圖如圖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.為了進一步優化，在筒壁四周加了五根筋板，真空室的變形圖、應力云圖、應變云圖如圖8、圖9、圖10所示。

圖8 真空室的變形圖

圖6 真空室的應力云圖

圖7 真空室的應變云圖

圖9 真空室的應力云圖

圖10 真空室的應變云圖

綜合以上分析結果，將數據歸納于表2、表3所示。

表2 真空室的有限元分析結果

表3 優化后真空室的有限元分析結果

通過表2和表3的對比可以看出在優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，等效應力為291 MPa，等效應變為0.001 8位于法蘭與桶壁的連接處，通過在桶壁兩側加上筋板之后總變形量減小到0.758 5 mm、等效應力減小到185 MPa、等效應變為0.000 1，變形明顯減小，進一步提高了鍍膜質量。

3結束語

通過應用ANSYSWorkbench軟件對鍍膜機真空室進行有限元分析，得到了單元和節點的應力應變云圖和位移圖，可以得到以下結論：鍍膜機真空室的頂蓋部分以及筒壁有明顯的變化情況，有明顯的向內凹的趨勢，是真空室的應變最大處，而且頂蓋中心受向下的壓力，向內部凹陷。在優化前真空室體的最大變形量為1.928 1 mm，最大等效應力為291 MPa，最大等效應變為0.001 8m/m，雖然形變量在可接受的范圍內，但是為了提高鍍膜產品的質量，需要進一步優化進一步減小變形量。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，提高了鍍膜質量。

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

[2]梁俊濤，張莉，梁濤.基于ANSYSWorkbench的工裝結構設計與優化[J].設計與研究，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]許進峰.ANSYSWorkbench 15.0完全自學一本通[M].北京：電子工業出版社，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：數控加工技術與裝備；劉東（1976-），男，山西人，副教授，博士研究生，研究方向：先進制造技術。