张 豪

（江海职业技术学院，扬州 225101）

1 CAE技术概述与应用现状

CAE（Computer Aided Engineering），即计算机辅助技术，经常被应用在产品结构设计及修改设计领域中。另外，CAE技术还能够对整个产品及其重要受力零部件进行静态、动态的力学分析计算，起到优化分析计算的作用。可以说，CAE技术对产品设计有着非常强力的技术支持作用。SolidWorks Simulation是一款基于快速有限元算法（FFE）的设计分析软件，是SRAC（Structural Research and Analsis Corporation，DS SolidWorks子公司）开发的工程分析CAE软件之一，在应用SolidWorks Simulation软件解决相关设计问题时，通常遵循以下四个步骤：建立数学模型、建立有限元模型、求解有限元模型和结果分析。

柱塞作为工程设备常用的机械零部件，在安全性方面要求很高。一旦出现事故，轻者影响生产，重者危及工作人员的生命安全。因此，柱塞应力校核和安全设计一直是学者关注的问题。利用CAE技术对柱塞模型进行应力分析，可以全面提升产品研发能力，缩短新产品的设计周期，分析产品结构，优化产品设计，降低制造成本，以最快的速度和最好的质量满足客户的产品需求。

2 柱塞模型的三维建模

在SolidWorks软件中对柱塞模型建模，模型的三维建模图形如图1、图2所示。

图1 柱塞模型

图2 柱塞模型剖面图

3 柱塞模型的有限元分析

3.1 建立静应力分析算例

首先打开SolidWorks插件卡片中的SolidWorks Simulation插件。在“算例”属性管理器中建立新算例，定义名称为“应力集中分析”，分析类型为“静应力分析”。其次，在SolidWorks Simulation特征树中的新建“静应力分析1”上，右击选中“属性”，弹出的“静应力分析”对话框中，设置解算器为“FFEPlus”，并选中“使用软弹簧是模型稳定”复选按钮。最后，在SolidWorks Simulation特征树中右键单击“柱塞”图标，选中“应用材料”按钮，打开“材料”对话框，选择“材料来源”为“铝合金”（2014铝合金），弹性模量为7.3MPa、中泊松比0.33、中抗剪模量2.8MPa、质量密度2800kg/m3。

3.2 建立约束及施加载荷方法

首先，在“外部载荷顾问”下拉选项中选择“力”按钮，打开“力/扭矩”属性管理器，单击“法向力的面可壳体边线”，在绘图区域选中柱塞圆顶面。选择受力方向为“法向”，在“力值”栏中设置法向力为0.8N，如图3所示。

图3 设置压力参数

其次，设置约束。单击“夹具顾问”图标，弹出“Simulation顾问”栏，单击“添加夹具”选项。选中“固定几何体”后，分别选择两圆柱孔面作为约束元素，单击确认完成约束的施加。如图4所示。

3.3 网格划分

在完成上述的准备工作后，再对模型进行网格划，接下来才可进行求解。网格划分应当单击“运算此案例”——“生成网格”按钮，打开“网格”属性管理器，如图5所示。调整好网格密度后，单击确认，系统开始划分网格，如图6所示。

图4 设置约束条件

图5 “网格”属性管理器

图6 划分网格后的柱塞模型

3.4 求解有限元模型

单击“运算此案例”按钮，SolidWorks Simulation则调用解算器进行有限元分析。

4 结果分析

求解完成后，双击SolidWorks Simulation特征树中“应力1”图标，在绘图区域中观察柱塞的应力分布情况，如图7所示。

图7 柱塞应力分布云图

图8 比较结果

从上图中可以看出柱塞内部边缘处应力最大，大约为1.79MPa。单击“比较结果”，选择应力1、位移1、应变1和位移1选项，勾选确定后得到如图8所示结果。

右击“结果”文件夹下的“应力1”图标，在弹出的快捷菜单中选择命令“探测”。打开“探测”对话框，在绘图区域中沿板的左侧边线依次选择12个点，这些点对应的应力都会显示在“探测结果”对话框中。然后单击报告选项中“图解”按钮，显示应力——节点图，改图说明了应力随图形变化的情况，如图9所示。

图9 应力——节点图

5 结语

运用CAE技术对柱塞模型建立虚拟的数学模型，并经过SolidWorks Simulation平台对模型进行网格划分及求解运算，得到了应力分布云图，并通过探测生成了应力——节点图，最终找到了柱塞发生变形翘曲所在，为优化柱塞在实际生产中的加工工艺提供了参考依据，也为企业在产品研发环节提供了理论支撑。