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SolidWorks在钣金件设计中的应用

2009-02-06 11:34  by:有限元  来源:广州有道有限元

作者: 靳长泉 韦乐余 来源: 万方数据

  结合变压器外壳钣金件的设计和强度计算,介绍了利用SolidWorks软件完成钣金件设计及有限元计算的基本方法和一般步骤。

 0引言
   
  钣金零件作为一种常用的结构件,在通信、电子、汽车、农业机械、纺机行业、食品机械、电器、仪器仪表等行业有着广泛地应用。其常用加工形式有弯曲、成形,冲压等,形状和尺寸精度互换性较好,可以满足一般的装配及使用要求。经过塑性变形,金属内部组织得以改善,机械强度有所提高,具有重量轻、刚度好、精度高和外形光滑美观的特点与焊接、铆接、拼接等工艺配合,可使零件结构更趋合理加工更加方便,是制造复杂形状结构件的主要方法。
   
  目前,三维设计已广泛应用到各个领域,很多软件还提供了钣金设计模块,如SolidWorks, Solid Edge,Pro/E等,利用该模块可以便捷地完成钣金设计获取所需下料展开图,提高设计质量和效率,并具有设计直观、减少设计错误,便于修改等优点。另外,在SolidWorks软件中还内嵌集成了COSMOSWorks结构分析软件,可以在产品设计的各个阶段对设计的零件进行测试和分析,以便能设计更好的产品。
   
  本文将以变压器外壳钣金件为例,详细介绍SolidWorks软件在钣金设计中的应用过程和应用方法。
   
1钣金件的三维建模
   
  在SolidWorks软件中有两种生成钣金零件方法,第一种是创建一个实体零件,然后将其转换为钣金,可称为基于实体造型的钣金件设计;第二种是使用钣金特定的特征直接生成钣金零件,具体包括基体法兰、边线法兰、斜接法兰、褶边、转折、绘制的折弯、闭合角、断裂边角、边角裁减、展开、折叠、放样的折弯、折弯、切口、成形工具等,这种方法可称为基于钣金设计模块的钣金件设计第二种方法从最初设计阶段开始就生成的是钣金零件,消除了多余步骤,使得钣金零件的模型生成更容易和更快。
   
  为此,我们采用第二种方法,使用基体法兰、边线法兰、折弯等钣金特征完成变压器外壳的三维建模,如图1所示。
   
    2钣金件展开图
   
    在没有引人CAD技术之前,对钣金件下料尺寸主要采用等分投影法,根据中性层长度不变原则,使用手工方法进行计算,但对于形状复杂且翼缘上有孔的钣金件来说,其展开尺寸和孔位尺寸,通过手工计算不仅很困难,而且很难计算准确。利用Solidworks钣金功能中展开命令,使这一工作变得非常简单,我们只需在完成钣金零件三维建模之后,点击平板型式特征即可得到该钣金件的三维展开图,当我们需要展开和折叠一个、多个折弯时,也可使用展开和折叠工具,需要注意的是平板型式应是钣金件最后一个特征:在Feature Manager设计树中,平板型式之前的所有特征在折叠或展开的钣金零件中都出现,而平板型式之后的所有特征则只在展开的钣金零件中出现。得到直观的钣金件三维展开图之后,我们可根据钣金成形工艺设计知识来判断毛坯形状是否合理,对可能引起变形沿毛坯分布不均匀的结构进行修改,从而提高产品的质量。
   
    在生成钣金零件的工程图时,钣金件的展开图不仅能够自动生成,而且可显示折弯方向、角度和半径等折弯注释信息,便于指导生产加工。

     
    3.1工况分析
   
    变压器外壳在使用和安装过程中,主要有两种工况分别为:
   
    工况1:使用过程中,铁芯和线包的重量施加在变压器外壳内表面上;
   
    工况2:安装过程中,铁芯和线包的重量集中在变压器外壳的4个爪上:
   
    3.2生成"研究1"、指派材质
   
    打开变压器外壳钣金零件,进人COSMOSWorks管理设计树,生成"研究",网格类型选择实体网格,分析类型为静态分析,选择延性铁材料。
   
    3.3应用约束
   
    在使用和安装过程中,变压器两个孔是固定的根据这种实际状况,我们在两孔面L施加不可移动(无平移)约束。

3.4施加载荷
   
    针对工况1,我们在变压器外壳的底面上垂直施加0.5Kg/平方厘米的压力。
   

    3.5网格划分.并运行研究
   
    选择高品质的标准网格器,设定雅各宾式检查为4,选择光滑表面的网格控制方式,设定网格整体大小为1mm,开始网格划分并运行研究。
   
    3.6结果分析
   
    完成分析计算之后,系统自动得到应力应变位移等默认图解,我们根据需要添加Mises应力图解,显示最大注解和最小注解,如图3所示,根据计算后的应力应变位移及3.7的最小安全系数来判断该结构在使用时符合安全要求。
   

    3.7工况2的计算
   
    与"研究1"设定方法相同,仅在"研究2"施加载荷变更为在变压器外壳下部的4个爪面垂直施加0.5Kg/平方厘米的压力,其它设定和求解方法与工况1相同,经计算可得到4个爪在安装过程中发生变形,结构需重新设计,为此需在4个爪处添加加强筋,更新模型后,重新运行"研究1"和"研究2"即可得到新的计算结果,对结果进行分析新结构符合使用要求。
   
    4结束语
   
    SolidWorks软件中造型特征和特定的钣金特征都能完成钣金件的设计,并能非常方便地得到钣金件展开图和下料的尺寸、面积和质量;与之无缝集成的COSMOSWorks软件能够对设计产品进行强度计算,并通过计算结果对设计产品进行优化和改进,从而非常方便地完成钣金件的设计。
 3利用COSMOSWorks对钣金零件的强度计算
   
    变压器外壳在使用和安装过程中,需要承受铁芯和线包的重量,为此,我们有必要采用有限元法对变压器外壳进行强度计算来判断共安全状况。

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