基于ANSYS的偏光片切片机龙门架的有限元分析

0 引言

随着液晶偏光片（LCD）产业的发展，对偏光片的加工质量要求越来越高。为了设计出强度与精度更高的偏光片切片机，需对切片机重要部件进行结构分析。通过对切片机龙门架的有限元分析，可在提高设备精度的同时，缩短了产品开发周期，减少了开发费用。

本文利用Pro/E和ANSYS软件，对某型LCD切片机龙门架进行了有限元分析和结构改进，很有成效。

1 原结构的有限元分析[1]

1.1 几何模型的描述及简化

原结构龙门架主要由底座、横梁、立梁、加强筋及垫板组成。底座、加强筋厚度为20 mm，立梁、横梁厚度为12 mm，垫板厚度为8 mm，材料为Q235结构钢。计算时采用线弹性材料模型，弹性模量E=2.03×105 MPa,泊 松比取μ=0.3。采用Pro/E三维建模软件，建立龙门架的实体模型时，将实际模型进行一些简化[2]，去掉了垫板和底座上的联接孔，见图1。

图1 计算模型图

1.2 有限元模型的建立

采用Pro/E建立龙门架实体模型后，为了避免特征元素的损失[3]，通过有限元软件ANSYS与Pro/E之间的无缝连接接口，将模型导入ANSYS。根据龙门架结构，为保证足够的计算精度，将模型进行了分块处理，采用solid95六面体单元进行扫掠划分网格[4]，单元长度选为6 mm，单元总数为23 850.因整个结构为焊接连接特点，有限元分析中可近似认为刚性连接[5]。因此，将各零件焊接处的节点连接，使其具有相同的自由度来模拟真实焊缝状态。龙门架有限元网格模型见图2。

图2 网格模型图

1.3 边界条件

1）载荷条件：施加载荷时，为避免应力集中现象，把满载荷的7个垫板上的受力转化为节点分布压力。满载状态下，在7个垫板面上施加均布压力，每个为1.06 MPa，见图3.

图3 载荷施加图

图4 约束位置图

2）约束条件：在计算模型中，约束底座下底面6个自由度来模拟龙门架与地基的连接，见图4。

1.4 计算结果分析

图5为原结构的变形图，由图可知，龙门架由于承受压力，成拱形变形，最大变形位置在梁中间垫板处，最大变形值为0.460 mm。

图5 原结构的变形图

图6 原结构的等效应力图

图6 为原结构的等效应力图，由图可知，龙门架大部分的结构应力值小于50 MPa，原结构材料的屈服应力σs=235 MPa，相应安全系数大于4.7，这些区域的强度符合安全要求。最大应力点即结构危险点的位置出现在横梁与立梁连接处，最大应力值为σmax=204 MPa，相应安全系数为1.15，此区域的结构薄弱，达不到强度要求。图7为原结构的最大应力点放大图。

图7 原结构的最大应力点位置图

2 龙门架结构的改进设计

2.1 结构改进的方案

由于原结构龙门架在满载情况下，结构变形较大，部分区域强度不足，不能满足越来越严格的产品需要。按照改进设计要求，改进方案应满足结构强度要求的前提，并保证结构变形小于0.3 mm。结合实际情况进行综合考虑，改进后的结构是在横梁与立梁连接处增加4个加强筋，筋板厚为20 mm。

2.2 计算结果

图8 改进后结构的变形图

图9 改进后结构的等效应力图

图8 为改进后的变形图，由图可知，改进后变形状态相似于改进前，最大变形也在梁中间垫板处，但变形程度相对较小，最大变形值为0.288 mm，图9为改进后的等效应力图。由图可知，改进后的大部分区域应力值低于30 MPa，按结构材料的屈服应力σs=235 MPa，相应安全系数大于7.8，完全符合安全要求。最大应力点即结构危险点的位置。转移到加强筋与立梁连接处，相对于改进前的结构，危险位置周围的应力分布较均匀，最大应力值为σmax=99.9 MPa。相应安全系数为2.35，符合结构强度要求。图10为改进后结构的最大应力点放大图。

图10 改进后结构的最大应力点位置图

为了详细地对比改进前后的结果，本文取龙门架从左到右方向上，各垫板中间点及最大位移点的变形值作为整个龙门架变形的参考。图11为8个参考点布置图。图12为龙门架改进前后变形对比图，由图可知，改进后结构的变形量小于原结构的变形量，且变化幅值由两边向中间成递增趋势，梁中间垫板处变形幅值最大，从0.46 mm减小到0.288 mm；改进后的龙门架结构满足设计要求。

图11 龙门架变形参考点位置图

3 结论

对改进前后的龙门架进行有限元分析，得出以下结论：1）采用ANSYS软件进行龙门架有限元分析，既可有效节约成本，又可在短时间内获得结构的应力结果，便于指导龙门架结构设计。2）原龙门架结构因结构不尽合理，导致强度不足，变形较大。3）计算结果表明，通过合理改进龙门架结构，可以提高结构强度和安全系数，减小结构变形量。

图12 龙门架改进前后变形对比图