基于ANSYS的光学研磨机托盘有限元结构强度分析

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摘 要 通过ANSYS有限元法，建立三维实体模型，在充分分析光学研磨机托盘受力和约束的基础上，对其进行结构强度分析，验证其可靠性，为托盘的设计计算和结构优化提供可靠的理论依据，从而完成结构优化。

关键词 研磨机托；盘结构强度；有限元分析

中图分类号：TG58 文献标识码：A 文章编号：1671—7597（2013）031-035-02

光学平面研磨机从20世纪初期就已经开始在中国快速发展了，随着中国工业发展的越来越强大平面研磨机在中国应用的越来越为广泛。光学研磨机是一款高精密研磨的磨削设备机器，能够精密对平面产品进行表面的研磨抛光达到理想的精密度，由于工业的日益精进，对产品的要求越来越高，平面研磨机的要求也越来越苛刻，就比如现在市面上的一些手机（现在最流行的苹果手机和三星）的镜片的抛光度要求相当高，一点点划伤和刮伤都不能有，所以对机器稳定性和加工精度要求很高，而研磨机的托盘又是整个加工部件的支撑件，托盘的优劣对机器的稳定和精度起着至关重要的作用，所以对光学平面研磨机托盘的研究分析优化有着现实的意义。近年来随着手机、计算机等行业的发展和带动，作为生产手机和计算机荧幕玻璃的光学研磨机得到飞速的发展。为了提高产品精度和质量，降低产品成本。对光学研磨机托盘进行结构强度有限元分析、优化具有重要的实际意义。

1 有限元模型的建立

1.1 几何模型的建立

为了更加简便的建模，首先使用NX7.0建立托盘的三维实体立体图形，再将图形导入到ANSYS里进行研究分析。导入后托盘模型如图1所示。模型的尺寸和材料如表1所示。

表1 模型的尺寸和材料

1.2 有限元模型

为了对托盘进行比较精确的结构强度计算，取整个托盘作为研究对象，采用20节点的四面体单元SOLID95进行网格划分，每个节点上都有三个自由度，利用ANSYS12.0提供的自由网格划分工具，对实体模型进行自由网格划分，生成可靠的高质量的实体单元，托盘有限元模型如图2所示。

1.3 边界条件定义（受力和约束分析）

托盘在正常工作时，主要承受来自托盘支撑的所有机器部件的重量，并由三个脚面共同支撑受力。托盘安装在转轴上，下面的小圆环被支撑着，所以托盘的约束为下面小圆环的6个自由度被限制。

托盘受到的压力P为：

上式中M=550 kg（托盘支撑机器部件的质量）、g=9.8 N/kg（重力加速度）、S0=2280 mm2（支撑面的面积）。

计算得：P=0.788 MPa。

2 托盘的后处理

先在ANSYS12.0中对托盘有限元模型施加面载荷和约束，在通过求解器进行求解。其应力计算结果如图3所示。由应力图可知，最大应力为161 MPa（

托盘变形计算结果如图4所示。由变形图可知，最大变形位移为0.46 mm，3个支撑脚面变形最为明显，离中心越远变形下沉越大。位移较大需进一步优化托盘结构。

托盘严重受损时变形情况如图5所示。

3 结构优化

根据ANSYS12.0后处理的应力分析可知，为了减小应力，可以在3个支撑脚面和圆盘直角接触的地方加倒角，倒角半径可以由中心向外逐渐增大。根据变形位移分析可知，位移会影响机器加工精度，所以变形位移是托盘主要考虑的对象，可以以下方法来减少托盘的位移：1）把3脚支撑变成4脚或6脚支撑，通过增加支撑面来减小收到的压力，同时也增强了托盘的结构强度。2）相应增加圆盘的厚度，增强托盘的承受和变形能力，同时增加圆盘厚度也会相应增加下环面增大，提高托盘被支撑面，从而减少托盘的变形。3）在3脚支撑面上再加一个圆环垫圈零件，可以大大提高收载能力，减小托盘的结构变形。

4 结束语

本文通过ANSYS12.0对托盘有限元模型分析，对托盘受力和约束分析的前提下，进行后处理得出了托盘应力和结构变形的等值线图和相关的数据，在得出计算结果的基础上对其进行结构优化设计。本文为光学研磨机托盘的结构优化设计提供了宝贵的理论依据，具有重要的实际意义。

参考文献

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