基于solidworks的金刚石压机优化设计_cae_产品创新数字化(plm)_537

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1、基于SolidWorks的金刚石压机优化设计_CAE_产品创新数字化(PLM)金刚石压机是利用高压高温将石墨转变为人造金刚石的专用设备。金刚石压机主要分为两类：两面顶压机；六面顶压机。铰链式六面顶压机以其设备结构简单、操作方便、压力均衡、成本较低等优势成为我国研究和生产超硬材料最为成熟和应用最广的专用设备。金刚石压机的工作压力一般在100MPa以上，对产品的结构强度提出了严格的要求。产品一旦损坏可能造成灾难性后果，引起大额索赔，产品的安全性非常重要。同时金刚石压机的生产厂家很多，技术上相互模仿，产品高度同质化，价格是相互之间竞争的主要因素。材料成本在产品成

2、本中占很大比重，降低产品成本是竞争的关键。寻找产品安全性和经济性的最佳平衡点是设计工作的核心，也是企业核心竞争力的体现。本文以某企业铰链式金刚石压机为例，建立基于SolidWorks的产品设计平台，对压机主要部件铰链梁和工作缸进行结构、尺寸参数优化，分析结果和优化方案，寻求到产品安全性和经济性的最佳平衡点。一、产品结构原理与分析需求   1、产品结构原理铰链式六面顶压机主要由主机、增压器、液压传动系统、电气控制系统和电加热系统等组成,主机由6个铰链梁、6个工作缸及6个活塞组成。6个铰链梁从前、后、左、右、上、下六个方向呈相互铰接的对称分布（如图1）。压机在

3、工作时，进入工作缸的高压推动活塞运动，同时加热系统产生高温，使石墨转化成金刚石。铰链梁的单缸压力为25kN,高压油压104MPa，整机压力为150kN（6X25kN），铰链梁是支承工作缸和承受工作缸轴向推力的部分，为压机的技术核心部分。铰链梁及工作缸的设计可靠性是保证压机运转的关键。2、分析需求传统的设计主要采用类比设计和经验设计，产品质量主要依靠开发人员的经验，这种设计方法造成设计计算数据不够准确，可靠性较差，设计成本高等缺点。要想准确知道产品的性能只有通过制作样机，通过一系列的性能测试才能对设计结果进行评判，需要反复多次才能满足设计要求。而对压机生产企

4、业来说，样机制作的成本是巨大的，创新设计的风险也是很大的。现代基于三维软件的CAD/CAE设计模式在设计阶段就可以对各种方案进行分析比较和优化，减少或消除样机的制作。通过有限元分析便可了解设备在高压作用下零件的应力分布、变形情况；零件之间的接触力；判定产品的安全性；找出产品经济性与安全性的最佳平衡点。建立基于SolidWorks的产品设计平台，利用SolidWorks进行压机的设计，采用SolidWorks®Simulation进行结构强度校验。利用SolidWorks®Simulation进行有限元分析，它与SolidWorks共享统一的数据库，产品模型

5、数据完全一致，操作界面统一，实现设计、分析和优化同步，避免模型转换过程的错误与延时。同时SolidWorks®Simulation是一个操作简单、分析准确、功能非常强大的分析软件，可根据模型需要进行静态、频率、热、优化、疲劳、非线性等分析，并输出各种图解如应力、应变、位移、安全系数等。3、分析过程简述进行有限元分析主要分为三个基本步骤：前处理、求解、后处理。具体分析过程如下：（1）建立分析模型。利用SolidWorks建立单个铰链梁及工作缸的CAD模型，由于模型具有良好的对称性，选取模型的四分之一建立分析模型便可得到精确的应力和变形数据，节省分析与求解时间

6、。（2）新建算例。选择“静态”分析算例，对模型进行结构强度分析，计算零部件的应力与应变。（3）单元选择。压机的尺寸较大，选择高品质的实体单元作为单元类型，这种单元对边界的拟合能力强，精度较高，计算比较准确。（4）添加材料属性。铰链梁为铸造件，选用铸造合金钢：弹性模量为2.1e11N/m^2，泊松比为0.28，屈服强度620MPa；工作缸和销选用合金钢：弹性模量为1.9e11N/m^2，泊松比为0.26，屈服强度620MPa。（5）施加载荷与约束。因只选取模型的1/4做分析，故需要在模型的对称面添加“对称约束”；在连接销处添加“固定约束”；压机工作时，高压推

7、动活塞运动，使工作缸内圆筒面受到压力，对装配体分析时需要在工作缸部分内壁施加110MPa的压力（该压机的工作压力小于等于104MPa）。（6）网格划分与运行。选择默认网格单元大小及公差大小来划分模型。一般说来单元越小，网格越细，精度越高，但分析求解时间越长。通常SolidWorks®Simulation的默认网格可以很好的权衡精度与经济性的问题。（7）结果分析。利用SolidWorks®Simulation提供的各种格式的数据，如应力、位移、应变图解以及其它如“探测”，“求合力”等工具对结果进行分析比较。具体分析见后文。二、结构比较优化液压缸采用双支撑式结

8、构是最传统的方案，该方案安全可靠，但其结构复杂，制造成本高；为了减