申文明，閆 芳，孔維忠，馮紅旭

（山東力諾瑞特新能源有限公司，山東 濟(jì)南 250103）

1 概述

太陽能熱水器支架（以下簡稱支架）是太陽能熱水器中的重要組成部件，傳統(tǒng)的支架設(shè)計是根據(jù)經(jīng)驗進(jìn)行的，因此在驗證支架裝配、可靠性、經(jīng)濟(jì)性和設(shè)計與生產(chǎn)的快速轉(zhuǎn)換等方面存在問題。本文以某太陽能熱水器管支數(shù)的參數(shù)為基本參數(shù)，對支架進(jìn)行參數(shù)化驅(qū)動，并對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化。

2 總體思路

支架結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

圖1 支架結(jié)構(gòu)簡圖

根據(jù)支架型材截面建立支架桿件，并以管支數(shù)n作為支架桿件尺寸參數(shù)驅(qū)動，約束裝配關(guān)系，最后對支架進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、優(yōu)化。具體流程如圖2所示。

3 實施步驟

UG NX 的建模應(yīng)用模塊相對于其他三維軟件的建模功能更加易操作，具有較強(qiáng)的實用性。首先利用UG NX 中的建模模塊進(jìn)行建模，建模模塊包括特征建模模塊和自由形狀建模模塊兩大部分，它將基于約束的特征建模和顯示幾何建模集成在一起，提供了強(qiáng)大的復(fù)合建模能力，可以輕松地完成各種復(fù)雜的實體建模和面建模。在NX中以草圖繪制為基礎(chǔ)，并通過一系列的拉伸、旋轉(zhuǎn)等操作，并以管支數(shù)n作為基本尺寸驅(qū)動參數(shù)構(gòu)建支架的零部件實體模型。直插式太陽能支架的構(gòu)成主要由前橫撐、上后橫撐、下后橫撐、前連接桿、后連接桿、側(cè)連接桿、尾座、前架和后架等組成。

圖2 支架結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計流程圖

3.1 支架前橫撐、上后橫撐尺寸的確定

太陽能熱水器中的U 型孔與支架桶托中的U 型孔存在對應(yīng)的裝配關(guān)系，由此得出支架橫撐尺寸值，并以太陽能熱水器的管支數(shù)n 為變量列寫關(guān)系式，具體表達(dá)式如圖3所示。圖3中，d 為太陽能熱水器管間距，m 為U 型孔到邊的距離，s為真空管首孔到邊的距離，l為橫撐長度。

3.2 支架下后橫撐尺寸的確定

下后橫撐的尺寸值與前橫撐、上后橫撐相等，使用相同的表達(dá)式。但后連接桿的安裝孔位置是根據(jù)管支數(shù)n變化的自變量，需定義其尺寸值。具體表達(dá)式如圖4所示。圖4中，p27為安裝孔的位置尺寸。

圖3 支架前橫撐、上后橫撐尺寸表達(dá)式

圖4 支架下后橫撐尺寸表達(dá)式

3.3 支架后連接桿尺寸的確定

支架后連接桿尺寸值相當(dāng)于直角三角形的斜邊，該尺寸值的表達(dá)式如圖5所示。圖5中，p13、p14為安裝孔的相對位置尺寸，p15為支架后連接桿尺寸值。

圖5 支架后連接桿尺寸表達(dá)式

3.4 支架前連接桿、側(cè)連接桿尺寸的確定

支架前連接桿、側(cè)連接桿的尺寸值為安裝孔的間距為一定值。

3.5 支架尾座尺寸的確定

根據(jù)真空管的安裝位置確定支架尾座的尺寸，具體表達(dá)式如圖6所示。圖6中，p1為尾座首孔到邊的位置。

3.6 支架前架、后架尺寸的確定

根據(jù)真空管的長度及產(chǎn)品角度計算出支架前、后架的尺寸，該值為一定值。由此，整個支架各尺寸值均已確定。修改太陽能熱水器管支數(shù)n 的值，整個支架就會自由變換長度。

圖6 支架尾座尺寸表達(dá)式

裝配是UG NX 的一個集成應(yīng)用模塊，用于部件裝配的構(gòu)造、裝配關(guān)聯(lián)中各部件的建模以及裝配圖樣零件明細(xì)表的生成。使用裝配的一個好處是對于某個部件進(jìn)行的設(shè)計更改可在使用該部件的所有裝配圖中反映出來。圖7為管支數(shù)n＝30的支架裝配圖。

圖7 支架裝配圖（n＝30時）

3.7 支架的結(jié)構(gòu)分析

UG NX／Nastran具有較強(qiáng)的前、后處理功能，計算結(jié)果可信，其有限元模型可以從UG NX 建模模塊中直接生成，并可進(jìn)行方案的比較，進(jìn)而可精確地表現(xiàn)真實的產(chǎn)品設(shè)計，為產(chǎn)品的分析節(jié)省了設(shè)計時間。且在分析的后處理結(jié)果顯示中，能夠直觀地得到其結(jié)構(gòu)各部位的應(yīng)力、應(yīng)變等參數(shù)的分布情況，還可以得到產(chǎn)品的模態(tài)分析效果圖。無論從計算的速度還是計算的準(zhǔn)確度上都是傳統(tǒng)設(shè)計無法比擬的。

在UG NX 高級仿真模塊中建立仿真模型。本文采用自定義1D 梁截面的方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。機(jī)架后處理的位移和應(yīng)力云圖分別如圖8和圖9所示。

圖8 支架后處理位移云圖

對支架進(jìn)行有限元分析后，設(shè)計者就可以根據(jù)剛度分析、模態(tài)分析以及靈敏度分析的結(jié)果對支架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，對模型進(jìn)行進(jìn)一步的修改，消除分析中存在的大疲勞應(yīng)力區(qū)，減小支架的集中應(yīng)力區(qū)域。在進(jìn)行多種方案的比較下，選擇出最佳的設(shè)計方案。

圖9 支架后處理應(yīng)力云圖

3.8 工程圖紙的輸出及生產(chǎn)制造

UG NX 除了具有以上的功能外，在實際應(yīng)用中它的工程制圖功能也是非常強(qiáng)大的。利用工程制圖模塊，可以對零部件的三維數(shù)據(jù)模型進(jìn)行工程圖紙的輸出，為設(shè)計者節(jié)約了大量的時間。支架在生產(chǎn)制造過程中，通過二維的工程圖就能準(zhǔn)確地表達(dá)出生產(chǎn)要求，這不僅方便了生產(chǎn)中工人的操作，而且在生產(chǎn)過程中間接地降低了制造成本。

4 總結(jié)

UG NX 的應(yīng)用為產(chǎn)品的生產(chǎn)制造帶來了諸多的便利，使大部分廠家擺脫了傳統(tǒng)的人工設(shè)計和繪圖的工作方式。它能極大限度地體現(xiàn)出設(shè)計者的設(shè)計意圖，能夠有效地降低設(shè)計誤差，特別是針對那些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的設(shè)計。本文敘述了UG NX 在太陽能熱水器支架設(shè)計中的建模、分析、優(yōu)化以及生產(chǎn)中的應(yīng)用，以便制造出具有更佳可靠性和安全性的支架。

［1］ 袁家譜.太陽能熱水系統(tǒng)手冊［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

［2］ 吳振一，竇建清.全玻璃真空太陽能集熱管熱水器及熱水系統(tǒng)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2008.

［3］ 余強(qiáng)，魏青周，周京平.UG 零件設(shè)計技術(shù)與實踐（UG4.0版）［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2007.

［4］ 沈春根，王貴成，王樹林.UG NX7.0有限元分析入門與實踐精講［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［5］ 朱崇高，謝福俊.UG NX CAE 基礎(chǔ)與實例應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2010.