一种碳钢材质焊接箱体CAE优化设计经验

1、箱体加载情况

加载图

垂直方向重力3000N，由后向前的力1500N（因为滑台至于箱体前面会对箱体产生偏心受压受拉），侧向偏载500N（有可能底面不平略有倾斜）。底部6个螺栓每个螺栓施加预紧力7400N、顶部螺栓预紧力4600N。箱体材质均为Q235A，焊缝强度不低于Q235A母材强度。为了简化分析，将焊缝视为与母材同样的强度、将螺栓视为高强度螺栓材质。

2、网格划分

网格划分图

3、算法

求解算法受限于模型大小、计算机性能以及工作时间，采用P法计算。此计算法适用于静力学分析，对网格要求不明显主要通过提高收敛阶次提高运算精度。此次计算采用6阶次收敛、误差10%。（proe4.0的mechia模块）

4、计算结果

最大应力为80Mpa左右

由上图可见此箱体的安全系数为3.0左右。（材质Q235A）

从后侧看底部应力分布

从底部应力分布可以看箱体根部四个角落处受力最大，四个加强筋也起了较大作用。

顶部气缸固定座受力情况

从上图可看整个箱体最薄弱环节为气缸固定座，因为它要承受滑台以及滑台上附属零部件以及外载荷作用加之螺栓预紧力，与此同时因为固定气缸与箱体的螺栓预紧力区域与固定气缸的螺栓预紧力区域产生重叠。三者共同作用导致此零件受力最复杂，也最大。故此在满足气缸固定座横向受剪切的状态小螺栓规格越小越好。但我们这个已经可以满足使用。

箱体整体受力矢量图

箱体底部受力矢量图

箱体顶部受力矢量图

5、优化校核后的图纸和实物

经过优化后，我将三维数据和CAD图纸同步跟新并用于生产。最后达到了自己想要的结果。

箱体最后的优化CAD图纸

箱体实物

6、结论

综上所述此次箱体设计安全系数为3.0左右（最大应力78.6Mpa）。（最大应力在气缸固定座靠近箱体左后侧方向上的螺栓连接处。）因此该设计完全能满足实际生产使用要求。事实证明在低碳钢材质、静载负荷下本优化设计方法简便有效（proe自带的mechia）。以前本人也做过ANSYS与proe自带的mechia模块的对比，在静力学分析上两者相差无几。只有显示动力学、非线性力学、大变形、多物理场耦合才适合用ANSYS。毕竟用proe自带的mechia可以很好的与设计模型结合，也更利于通过系列函数设置边界条件从而在分析时联动。

上述文章中的逐字逐句、每一张图、每个数据均为作者在实际的产品设计开发中产生的。

作者简介：

陈志聪，男，工程师、中国工业设计研究院西南中心，研发项目经理。新材料在线®专栏作家、百度教育认证专家、重庆工业设计协会会员、国家三维CAD应用工程师。多年高端大型医疗设备、高速精密小型化医疗设备、非标设备、军工产品的设计开发工作经验。作为主要研发工程师参与过诸多大型医疗设备的产品开发，大部分设备进入欧美、日韩等发达国家。同时作为主要研发工程师参与设计过某型装甲车用电动、手动型升降器，获得全军同类产品比武第一名后列装部队，并在中俄联合军演、国庆阅兵亮相。在诸多EMC项目中参与过硕士研究生的屏蔽设计指导工作。专注于产品开发的项目管理，以及整机结构设计、EMC结构设计、零部件CAE力学分析、新材料的创新应用等领域的研究。

本文已获陈志聪授权发布，文中图片均为作者原创