基于ANSYS真空箱体结构优化设计

基于ANSYS真空箱体结构优化设计
【摘要】真空箱体是电子束焊机较为重要的组成部件，它的变形直接影响到整个设备焊接精度。

本文利用计算机软件对实际变形较大的箱体进行了改进，并实施于具体的生产实践中，验证了箱体的仿真优化是成功，为工程设计提供了一定的参考。

【关键词】箱体；计算机；仿真优化
引言
随着科技的进步，对加工精度提出了越来越高的要求，尤其是焊接工业，往往传统的焊接不再能满足一些特殊行业，如核能、航空航天、电子及仪表工业等。

这些现代尖端产品的精密加工对焊接工艺、加工精度及表面完整性都提出了较高的要求，因此用一般的气体保护焊常常得不到满意的结果[1，2]。

而真空电子束焊接由于热量相当集中，且具有相当的穿透能力，故有效解决了这些问题[3，4]。

真空电子束焊接机的主要承载部件是真空箱体。

真空箱体内部和外部安装有各种精密运动的机构及电子枪，这些机构的精度直接决定了电子束焊接的精度及质量，因此真空箱体的结构设计是整个真空电子束焊机的核心。

1.箱体模型理论依据[5，6]
根据真空电子束焊机实际工况的要求，选定箱体材料为：16MnR。

参照实际真空电子束焊机的箱体尺寸，可以得出：箱体壁厚与板面内最小特征尺寸之比在1/80和1/5之间；箱体发生变形时，箱体壁中面上各点沿垂直方向的扰度和壁厚之比小于1/5。

因此，对真空电子束箱体的研究属于小扰度薄板问题，其中完全可以略去某些非重要的因素而引用一些能够简化理论的假设，即基尔霍夫假设。

1.1 基本方程的建立
现结合弹性力学的几何方程，可以将基尔霍夫假设表示成如下形式：见图1.
（1）变形前垂直于薄板中面的法线，在薄板变形后仍保持为直线，且垂直于变形后的中面，其长度不变；
（2）与σx，σy 和τxy等相比，垂直于中面方向的正应力σz很小，在计算应变时可略去不计。

（3）薄板弯曲变形时，中面内各点只有垂直位移w ，而无x方向和y方向
的位移。

根据上述理论假设，可以得出：
（1）薄板中的位移分量和应变分量的表达式；
（2）薄板中的应力分量表达式；
（3）薄板中截面上的内力表达式；
（4）薄板弯曲的基本方程；
1.2 箱体壁的边界条件
板的边界一般有简支边、固定边和自由边三种情况，如图2所示。

根据真空箱体壁实际所受的约束来看，箱壁四周为固定边界和自由边界。

（1）固定边界
固定边界上扰度和转角为零。

（2）自由边界
自由边界上的弯矩和总的分布剪力为零。

2真空箱体的优化
2.1优化前的真空箱体
根据某特定型号真空电子束焊机的箱体尺寸，利用SOLIDWORKS建立理论模型。

如图3所示。

针对上述箱体，利用百分表测量其变形量，具体步骤如下：
（1）箱体抽真空时，待箱体内的气压值趋于稳定，用百分表抵住箱体中心，记下读数x；
（2）箱体内充气时，待箱体内的气压值接近正常大气压值，记下读数y；
（3）箱体的变形量为y-x；
测量结果，见表1所示。

由表1可知，箱体的变形量为：2.072mm。

箱体是真空电子束焊机的主要承载部件，它的变形直接关系到焊机的焊接质量，为了进一步增强电子束焊机的市场竞争力，箱体必须在达到必要的强度、刚度、稳定性前提下，变形应尽可能小。

2.2优化后的真空箱体
在考虑成本和经济性的前提下，根据一定的理论计算，在箱体的四周加上一圈加强筋板，以减少箱体的变形。

运用有限元分析软件ANSYS12.1对箱体进行变形分析，如图4所示。

从图4可以得出，改进后的真空箱体发生最大位移的位置在箱体外侧壁中线处，其最大变形量为：0.786mm
上述分析结果与原箱体变形情况进行比较，可以发现：箱体优化后，变形量减少了62%。

将上述理论结果，应用于实际真空箱实测中进行检验，测得箱体变形量为0.81mm，如表2所示。

3结论
在满足箱体必要的强度、刚度、稳定性前提下，运用计算机仿真软件对改进后的箱体进行了受力变形分析，并通过实际的生产实践验证，得出箱体优化的可行性。

目前，该设备已经处于试运行阶段，其研究成果为其它新型真空电子束焊机箱体或类似真空容器的研制提供设计参考。

参考文献：
[1] 瞿诚，黄以平，郑伟，钟松，孙成.真空电子束焊机箱体有限元分析与结构优化[J].装备制造技术，2012，（2）：56-58.
[2]王一涛.真空电子束焊及其在航空发动机中的应用[J].航空发动机，2004，30（1）：47-49.
[3] 宋宜梅，李少林，钟庆华.电子束技术在工业领域的应用[J].广西机械，2003（1）：17-21.
[4] 李少林，宋宜梅.精密数控高真空电子束焊机的研制[J].核技术，2002，25（9）：745-748.
[5] 吴家龙.弹性力学[M].北京：高等教育出版社，2001，316-328.
[6]祝恩淳，沈世钊.薄壳结构几何非线性全过程分析[J].哈尔滨建筑大学学报，1995，28（5）：19-25.。