1、年月机电工程技术第卷第期 收 稿 日 期：周 林 浩基 于 的 显 微 镜 部 件 结 构 静 力 分 析 及 优 化 设 计 机 电 工 程 技 术，（）：基于 的显微镜部件结构静力分析及优化设计周 林 浩（江 西 凤 凰 光 学 科 技 有 限 公 司，江 西 上 饶）摘 要：以 显 微 镜 支 架 为 研 究 对 象，利 用 软 件模 块 对 显 微 镜 支 架 部 件 进 行 前 置 处 理、理 想 化 几 何 体、三 维 四 面 体 网格 划 分 等，生 成 对 应 的 模 型。采 用 有 限 元 分 析 法 研 究 在 静 力 情 况 下 支 架 部 件 的 受 力 情 况，找 到
2、 结 构 设 计 优 化 点。通 过 仿真 对 显 微 镜 支 架 结 构 建 模 进 行 验 证，对 显 微 镜 支 架 部 件 结 构 强 度 和 刚 度 进 行 校 核，判 断 结 构 设 计 的 可 靠 性。依 据 仿 真 结 果 对 显 微 镜支 架 的 优 化 表 明，优 化 后 最 大 综 合 应 力 减 小，最 大 应 变 位 移 减 小。在 满 足 结 构 稳 定 性 的 前 提 下，优 化 后 支 架 质 量 减 少，满 足 轻 量 化 设 计 需 求。关 键 词：显 微 镜；静 力 学 分 析；优 化 设 计中 图 分 类 号：文 献 标 志 码：文 章 编 号：（）（，
3、）：，：；引 言由 于 显 微 镜 机 构 的 复 杂 性，用 传 统 方 法 和 手 段 设 计和 分 析 容 易 导 致 设 计 不 够 准 确。因 此 显 微 镜 支 架 部 件 的结 构 设 计 尤 为 重 要。目 前 显 微 镜 支 架 部 件 可 通 过 简 化 公式、试 验 以 及 有 限 元 分 析 进 行 评 估 和 优 化 设 计。显 微 镜产 品 设 计 除 了 利 用 三 维 软 件 建 立 模 型 外，有 限 元 分 析 属于 最 关 键 的 环 节。新 产 品 设 计 中，应 力、应 变、力 矩、变 形 等 的 计 算 需 要 应 用 有 限 元 方 法 来 计 算
4、，加 上 安 全 裕度 后 可 以 在 理 论 上 验 证 设 计 的 可 靠 性。本 文 首 先 应 用 软 件 中 的模 块对 显微 镜 支 架 部 件 进 行 有 限 元 分 析，得 出 支 架 的 应 力 及 位 移云 图，观 察 整 个 支 架 在 受 力 情 况 下 的 变 形 量，分 析 材 料的 选 取 和 结 构 设 计 的 可 行 性，验 证 结 构 稳 定 性。采 用模 块 对 支 架 部 件 进 行 有 限 元 分 析 后 再 进 行 优 化 设计，免 除 了 零 件 或 样 机 的 制 作，提 前 修 正 产 品 设 计。对支 架 压 铸 件 壁 厚 和 结 构 进
5、行 分 析，通 过 增 加 支 架 提 手、修 改 支 架 壁 厚 等 方 式 建 立 优 化 后 的 模 型，并 进 行 对 比，以 优 化 后 的 结 构 满 足 稳 定 性、强 度 和 刚 度、以 及 减 轻 质量 的 需 求。显 微 镜 支 架 三 维 参 数 模 型 的 建 立显 微 镜 支 架 用 于 支 撑 显 微 镜 的 各 个 部 件，其 加 工 精度 和 使 用 过 程 的 变 形 量 有 很 高 要 求。产 品 设 计 时 需 要 建立 三 维 模 型，对 核 心 部 件 支 架 进 行 有 限 元 分 析。本 文 首 先 对 显 微 镜 支 架 部 件 设 计、材 料
6、的 选 取、有限 元 分 析 及 优 化 设 计 做 详 细 的 说 明。显 微 镜 支 架 由 三 维参 数 化 模 型 通 过 的 三 维 模 型 设 计，软件 中 的模 块 通 常 在 理 想 化 状 态 下 进 行，其 优 点 是简 化 理 想 化 模 型 后 的 分 析 结 果 与 原 模 型 差 别 极 小，因 此建 模 时 已 对 细 微 特 征 进 行 简 化 处 理，比 如 小 孔、圆 角 等，同 时 保 留 原 模 型 的 关 键 特 征，缩 短 划 分 网 格 时 间 和 求 解时 间，符 合 工 程 实 践。显 微 镜 支 架 材 料 的 选 取显 微 镜 支 架 部
7、件 属 于 形 状 复 杂 的 零 件，通 常 采 用 铝硅 合 金 压 铸 完 成。需 要 掌 握 其 力 学 性 能，作 为 设 计 零 件、选 用 材 料 时 的 重 要 依 据，是 产 品 工 艺、标 准 方 面 开 展 质量 控 制 的 主 要 参 数，也 是 验 收 技 术 标 准 的 依 据。压 铸件 模 具 费 用 整 体 比 较 昂 贵，因 此 在 开 模 具 之 前 要 进 行 理论 分 析。铸 造 铝 合 金 的 种 类 很 多，仪 器 产 品 设 计 中 支 架 部 件通 常 采 用 铝硅 合 金（）的 含 硅 量 为 。通 过 分 析 硅 晶 体 是 硬 脆 相，在
8、压 铸 件 浇 注 前，通常 会 在 液 体 合 金 中 增 加 含 有 氯 化 钠、氟 化 钠 等 组 成 的 变质 剂，使 得 浇 注 液 体 变 质，提 高 铝 合 金 的 力 学 性 能。铝硅 合 金（）物 理 性 能 参 数 如 表所 示。表铝硅 合 金（）成 分、性 能名 称选 项数 值化 学 成 分 力 学 性 能 （）（）物 理 性 能密 度（）熔 化 温 度 有 限 元 模 型 建 立利 用 应 用 软 件 中 的模 块 建 立 支 架 结构 三 维 图 型，如 图所 示。支 架 材 料 为 铝 合 金（），密 度 为 ，支 架 重 量 为 。图显 微 镜 支 架 部 件 结
9、 构 示 意 图 支 架 结 构 网 格 划 分有 限 元 网 格 划 分 的 数 学 原 理 是 通 过 区 域 插 值 逼 近 真实 解，在 满 足 一 定 条 件 下，网 格 越 小，节 点 越 多，精 度越 高。通 常 在 进 行 有 限 元 分 析 时，网 格 划 分 大 小 会 采用 系 统 默 认 值 的或 者，但 是 网 格 划 分 得 越 小，有限 元 分 析 的 耗 时 越 长。平 面 问 题 直 接 离 散 化，把 原 结 构分 割 成 许 多 有 限 细 小 的 单 元，分 析 单 元 的 应 力 和 变 形，形 成 相 应 的 代 数 方 程，再 进 行 下 一 步
10、的 计 算。在 建 立 仿 真 模 型 过 程 中 需 要 为 模 型 划 分 网 格，即 将一 个 复 杂 的 实 体 三 维 模 型 分 成 若 干 个 相 对 比 较 简 单 的 模型，模 型 之 间 相 互 关 联、相 互 约 束，并 且 可 以 构 成 整 个实 体 结 构。采 用四 面 体 网 格 对 支 架 部 件 做 网 格 划 分，因 其属 于 不 规 则 部 件，本 文 不 做 分 割 面 处 理。网 格 划 分 的 单元 属 性 采 用 系 统 末 值（）类 型，网 格 参 数 采用 软 件 中 的模 块，零 件 单 元 大 小 由 系 统图支 架 网 格 划 分 结 构
11、 三 维 模 型识 别，为 ；网 格 质 量 选 项 雅 可比 选 项 为 默 认 值，其 他 网 格 设 置 和 模型 清 理 选 项 均 为 默认 值。网 格 中 的 单元 数 为，网 格中 的 节 点 数 为，支 架 网 格 划 分结 构 三 维 图 如 图所 示。支 架 结 构 静 力 分 析静 力 分 析 计 算 在 固 定 不 变 的 载 荷 作 用 下 结 构 的 效 应，不 考 虑 惯 性 和 阻 尼 的 影 响，如 结 构 受 随 时 间 变 化 载 荷 的情 况。显 微 镜 在 工 作 时，与 工 作 面 保 持 稳 定，支 架 上端 承 受 竖 直 向 下 的 载 荷 共
12、 计，低 端 进 行 固 定 平 移 约束，求 解 出 支 架 位 移 和 应 力 图，如 图所 示。图支 架 结 构 整 体 位 移 及 应 力 云 图周 林 浩：基 于 的 显 微 镜 部 件 结 构 静 力 分 析 及 优 化 设 计 强 度 校 核 和 刚 度 校 核 强 度 校 核强 度 是 指 金 属 材 料 在 静 力 作 用 下，抵 抗 永 久 变 形 和断 裂 的 性 能。屈 服 强 度是 材 料 开 始 发 生 明 显 塑 性 变 形 时 的 最 低应 力 值，可 通 过 方 程：（）式 中：为 屈 服 力，即 试 样 发 生 屈 服 时 受 到 的 力；为试 样 在 原
13、始 横 截 面 积。通 过 该 方 程 可 以 计 算 出 理 论 数 据。但 是 本 文 中 主 要 说 的 是 根 据模 块 给 出 软 件 计 算 的数 值。从 图可 以 看 出，支 架 整 体 最 大 综 合 应 力。远 小 于 其 材 质 铝 合 金（）的 许 用 应力 。因 此 支 架 结 构 的 强 度 满 足 要 求。考 虑 到 材 料缺 点、工 作 偏 差、外 力 突 增 等 因 素，零 件 的 受 力 部 分 实际 上 能 够 担 负 的 力 必 须 大 于 其 容 许 担 负 的 力。通 常 来说，产 品 的 安 全 裕 度 为 或 者，不 同 的 结 构 也 有 不同
14、的 安 全 裕 度，可 以 按 照 相 关 结 构 件 设 计 手 册 中 要 求选 取。刚 度 校 核图中，支 架 整 体 最 大 应 变 位 移 ，远小 于 实 际 工 作 中 支 架 结 构 的 许 用 应 变 位 移 ，因 此 支架 结 构 的 刚 度 满 足 要 求。支 架 结 构 优 化 设 计产 品 设 计 不 仅 仅 考 虑 结 构 的 可 靠 性，还 需 要 考 虑 产品 的 美 观 性，因 此 在 满 足 功 能 的 前 提 下，需 要 优 化 外 观，导 致 产 品 的 复 杂 性 增 加。由 于 有 限 元 法 可 适 用 于 任 意 复杂 的 几 何 结 构，也 可
15、以 处 理 不 同 的 边 界 条 件。本 文 根 据有 限 元 分 析 支 架 的 理 论 设 计，使 产 品 既 能 满 足 临 界 载 荷的 要 求，又 能 减 少 材 料，达 到 降 低 成 本 的 目 的，实 现 产品 轻 量 化 设 计。支 架 结 构 优 化在 显 微 镜 支 架 部 件 的 有 限 元 分 析 中，可 以 看 出，支 架 在 上 端 部 分 还 是 存 在 隐 患，根 据 显 微 镜 设 计 基 本原 则 上，对 支 架 开 展 修 改 与 分 析，消 除 隐 患，提 高 产品 性 能，获 得 满 足 使 用 要 求 的 显 微 镜 支 架 部 件 并 降 低生
16、 产 成 本。减 小 支 架 壁 厚经 过 有 限 元 分 析，将 支 架 厚 度 由 原 来 厚 度，减至。经 验 证，减 小 支 架 壁 厚，不 影 响 显 微 镜 支 架 部件 的 技 术 参 数。该 修 改 能 够 在 满 足 产 品 基 本 功 能 的 条 件下，尽 量 简 化 产 品 结 构，合 理 使 用 材 料，并 使 产 品 中 零件 材 料 能 最 大 限 度 地 再 利 用。圆 角 处 理原 支 架 内 部 的 加 强 筋 带 有 尖 角，会 引 发 应 力 集 中。优 化 时 将 筋 位 去 除，改 为 ，的 圆 角。改 圆 角后，支 架 应 力 集 中 的 情 况 会 减 弱。按 照 理 论 可 知，圆 角区 域 等 效 应 力 均 匀 分 布，应 力 值 较 大。增 加 支 架 提 手支 架 顶 端 增 加 提 手，提 手 的 宽 度 为，厚 度 为 ，增 加 提 手 既 能 方 便 使 用，也 能 提 高 显 微 镜 端 部的 强 度。支 架 压 铸 件 优 化产 品 的 形 状 属 于 不 规 则 形 状，采 用 压 铸 成 型。压 铸件 的 形 状 结
