第４期 ２０１０年４月 机械设计与制造
Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ ２９
文章编号：１００１—３９９７（２０１０）０４—００２９—０３
新型陶瓷快速成型机铺料台的有限元分析
郭志刚 高东强 （陕西科技大学机电工程学院，西安７１００２１）
Ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｎｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｏｐｔｉｍｕｍ ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ ０ｆ ｔｈｅ
ｎｅｗ ｃｅｒａｍｉｃｓ ＲＰ ｍａｃｈｉｎｅ
ＧＵＯ Ｚｈｉ—ｇａｎｇ，ＧＡＯ Ｄｏｎｇ—ｑｉａｎｇ
（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ＆Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ，Ｓｈａａｎｘｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ’ａｎ ７ １ ００２ １．Ｃｈｉｎａ） 【摘要１陶瓷快速成型机的铺料台在陶瓷零件成型过程中发挥极其重要的作用。通过ＰＲＯ／Ｅ与｝
ＡＮＳＹＳ的相互结合，对铺料台进行有限元分析，得出其工作状态下的变形图以及应力分析图。在此基础ｌ
上，分析所设计结构的合理性，从而可以判断铺料台是否会对加工造成影响。
关键词：快速成型；陶瓷；铺料台；ＡＮＳＹＳ
【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｔｈｅ ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ ｏｆ ｔｈｅ ＲＰ ｍａｃｈｉｎｅ ｆｏｒ ｃｅｒａｍｉｃｓ ｉｓ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｏｆ
ｃｅｒａｍｉｃ ｐａｒｔｓ．Ｂａｓｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｎｇ ｏｆ ＰＲＯ／Ｅ ａｎｄ ＡＮＳＹＳ，ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ．Ａ ｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｆｉｎａｌ ｒｅｓｕｈｓ，ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙ ｏｆｔｈｉｓ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｆｅｃｔｉｏｎ ｔｏ ｅ ｐａｒｔｓ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＲＰ；Ｃｅｒａｍｉｃ；Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ；ＡＮＳＹＳ ６ ∽６ ∽０ ∽∽∽∽∽ 中图分类号：ＴＨ１１２．１，ＴＱ１７４．６文献标识码：Ａ ｌ前言
陶瓷快速成型机的铺料台在陶瓷零件的成型过程中发挥极 其重要的作用，根据成型原理，工作台做升降运动，如果运动不平 稳导致工作面倾斜，则影响下一个截面的加工，如此累加，最后的成 品则会有很大的偏差，甚至成为废品。为了改变这一状况，在ＰＲＯＥ 和ＡＮＳＹＳ的协同环境下对陶瓷快速成型机的铺料台进行实体建 模和有限元分析，确定应力和应变的分布情况，在此基础上可对其 进行优化，根据研究结论对原设计提出改进方案，由于此新型陶瓷
快速成型机正处在设计阶段，通过于ＡＮＳＹＳ的有限元分析可以直 观的认识所设计结构的合理性，从而提高了设计效率。 ２陶瓷快速成型机的工作原理
陶瓷零件快速制造技术的研究，属于ＲＰ技术的学科前沿， 既在学术卜有极其重要的意义，也有广泛的应用前景。目前，可用 于陶瓷零件的快速成型机主要有：叠层成型机、光敏固化成型机、 激光烧结成型机、熔融堆积成型机、喷墨打印成型机。上述这些设 备，虽然可以用于陶瓷零件快速成型，但由于陶瓷零件的快速成 型在国内外尚处于起步阶段，目前仍然未有专门应用于陶瓷零件 的快速成型设备。现有的成型设备大多需要激光成型，制造成本 较高，并且设备昂贵，或者对材料的要求较高，均很难达到经济的 目的；熔融沉积成型速度较慢，精度也较低；喷墨打印设备对陶瓷 材料的流动性要求较高，不易控制。 为了使得生产工序简单且降低制造成本，某大学开发出一种 适合中小型陶瓷零部件制造的新工艺，在此基础上进行适合该工 艺的快速成型设备的研制开发。 ２．１工艺步骤
（１）通过铺料斗在雕刻平台上铺一层熔融的石蜡，待凝固后 （２）用刻刀在计算机程序控制下在蜡板上刻出制件的截面轮
廓，石蜡碎屑通过吹风装置吹走； （３）再通过铺料斗的 向运动在已雕刻的蜡板上铺一层混有 石蜡的陶瓷浆料，通过与料斗相连的刮板将刻痕以外的多余陶瓷
浆料刮入废料槽中； （４）铺料平台通过丝杠在ｚ轴方向向下平移（０．１－２）ｍｍ； （５）重复步骤１～４，逐层叠加，最后完成实体成型。 ２＿２装置的关键部分
（１）料斗的设计既要满足可以加热的要求，又要保证陶瓷浆 料的均匀，因此要安装搅拌装置，初步设计在料斗外壳上安装电 热板加热以满足石蜡的熔融温度；为了方便拆卸和清理，采用齿 轮带动的可拆卸搅拌鼓，安装在料仓内，再通过嵌套将料仓装在 可加热的料斗内；（２）料斗的进给通过丝杠来实现；（３）工作台的 升降运动通过电机带动丝杠来实现，为保证升降的精确度，采用 丝杠导轨机构。 陶瓷快速成型机辅料机构原理图，如图１所示。
图１陶瓷快速成型机铺料机构原理图 １．铺料台升降装置２．料斗ｘ方向运动丝杠导轨３．铺料台 ４．料斗ｘ方向运动辅助导轨５．料斗刮板装置６．料斗装置 ３铺料台的有限元分析
在陶瓷成型的工作过程中，铺料台运动的平稳性会对最终产 作为雕刻的基板； 品的质量精度等造成极大的影响。铺料台装置，如图２所示。
★来稿日期：２００９—０６—１５ ★基金项目：陕西省自然科学基金项目（２０００Ｃ３５），陕西科技大学自选项目（ＺＸ０５—２０）
３０ 郭志刚等：新型陶瓷快速成型机铺料台的有限元分析 第４期
图２铺料台升降装置 图３待加工圆罐模型 ３．１铺料台的受力分析 料斗先向工作台铺一层石蜡做基板，然后在基板上雕刻轮 廓，最后往所雕刻的轮廓铺陶瓷浆料，通过电机驱动丝杠，带动螺 母传动，使得工作台升降，如此反复。然而，分析工作台的受力可 以发现，其在工作过程中，由于外力的不对称性，可导致工作台的 变形较大，严重影响陶瓷制品的加工质量。为此，用ＡＮＳＹＳ对工
作台的受力情况加以分析。以）ＪＵ３Ｘ￣［－圆半径Ｒ＝８０ｍｍ，高Ｈ＝ ｌＯ０ｍｍ，壁厚为２ｍｍ的圆罐为例，（假设陶瓷浆料的利用率为 １００％），如图３所示。 ３．１．１铺料台的自身重力
取碳钢密度：Ｐ１＝７．８２ｘ １０ ｋｇ／ｍ （１）
则ｍｌ＝ｐ１ Ｉ＝１．２７ｋｇ （２） ３．１－２陶瓷浆料重量
陶瓷浆料密度：ｐ＝２．７ｘ １０ ｋｇ／ｍ’ （３） 则ｍ２＝ｐ２ｖ２＝０．５２９２ｋｇ （４） ３．１－３石蜡重量 定义料斗工作宽度为ｌＯＯｍｍ，行程为２００ｒａｍ，随着温度的升 高，石蜡密度相应回增大，故取石蜡的密度为：
Ｐ Ｏ．９ｘ １０３ｋ蜀『ｌｎ３ （５） 则ｍ３－ｐ３ｖ３＝３．６ｋｇ （６） 综上，整体的重量为：Ｍ＝ｍｌ＋ｍ ＋ｍ ５．３９９２ｋｇ （７） 取ｇ＝９．８ｍ／ｓ２，则铺料台所受的重力Ｇ，原料对铺料台施加的 外力Ｆ分别为：Ｇ＝ｍ￣ｇ＝１２．４４６Ｎ，Ｆ＝（ｍ２＋ｍ３）ｇ＝４０．４６６２Ｎ （８） ３＿２铺料台的有限元静力分析
３．２．１铺料台的ＰＲＯ／Ｅ三维建模与有限元分析 在ＰＲＯ／Ｅ中建立好模型后，从菜单Ｆｉｌｅ—ｓａｖｅ ａ ｃｏｐｙ中选择 ＩＧＥＳ类型存盘，这种格式是几乎所有ＣＡＤ软件都可以识别的。 启动ＡＮＳＹＳ，从菜单ｆｉｌｅ ｉｍｐｏｒｔ＿ＩＧＥＳ，选择刚才形成的文件就可 以输入模型，如图４所示。ＡＮＳＹＳ分析的步骤如下： （１）定义单元类型 （２）定义材料特性
Ｍａｉｎ Ｍｅｎｕ：Ｐｒｅｐｒｏｃｅｓｓｏｒ－＞Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｐｒｏｐｓ一＞Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｍｏｄｅｌｓ 输入弹性模量ＥＸ＝２ ｌｅＯ８，泊松比为０．２５。
（３）用网格划分器ＭｅｓｈＴｏｏｌ将几何模型划分单元，如图５所 示。Ｍａｉｎ Ｍｅｎｕ：Ｐｒｅｐｒｏｃｅｓｓｏｒ
一＞ＭｅｓｈＴｏｏ１．．． ①将智能网格划分器（Ｓｍａａ Ｓｉｚｉｎｇ）设定为“ｏｎ”； ②将滑动码设蹬为…８’；
③确认ＭｅｓｈＴｏｏｌ的各项为：Ｖｏｌｕｍｅｓ，Ｔｅｔ，Ｆｒｅｅ； ④ＭＥＳＨ； ⑤ＰｉｃｋＡｌｌ 图４铺料台模型
图５ ＡＮＳＹＳ分析网格图 （４）约束丝杠螺母连接副，在 、ｌ，、ｚ方向都受到约束。 （５）约束四个导轨，在 、ｙ方向受到约束。
（６）在铺料台上施加重力以及外载荷 Ｍａｉｎ Ｍｅｎｕ：Ｓｏｌｕｔｉｏｎ一＞Ｌｏａｄｓ—Ａｐｐｌｙ一＞Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ－Ｐｒｅｓｓｕｒｅ一＞
ＯｎＡｒｅａｓ＋ （７）求解
Ｍａｉｎ Ｍｅｎｕ：Ｓｏｌｕｔｉｏｎ一＞Ｓｏｌｖｅ—Ｃｕｒｒｅｎｔ ＬＳ （８）绘铺料台的变形图，如图６所示。
ＡＮＳＹＳ Ｍａｉｎ Ｍｅｎｕ：Ｇｅｎｅｒａｌ Ｐｏｓｔｐｒｏｃ— Ｐｌｏｔ Ｒｅｓｕｌｔｓ—｝Ｄｅ— ｆｏｒｍｅｄ Ｓｈａｐｅ…＿＿＋ｓｅｌｅｃｔ Ｄｅｆ＋Ｕｎｄｅｆｏｒｍｅｄ—斗ＯＫ（ｂａｃｋ ｔｏ Ｐｌｏｔ Ｒｅ— ｓｕｉｔｓ ｗｉｎｄｏｗ）
图６铺料台之变形图 （９）绘等效应力ｖｏｎ Ｍｉｓｅｓ）图，如图７所示。 Ｍａｉｎ Ｍｅｎｕ：Ｇｅｎｅｒａｌ Ｐｏｓｔｐｒｏｃ一＞Ｐｌｏｔ Ｒｅｓｕｌｔｓ一＞Ｃｏｎｔｏｕｒ Ｐｌｏｔ－ Ｎｏｄａｌ Ｓｏｌｕ ①选择ｓｔｒｅｓｓ； ②选择ｙｏｎＭｉｓｅｓ。
图７ ＡＮＳＹＳ分析之等效应力图 ３．２．２结果分析
分析后的结果可以看到，铺料台在工作过程中发生了严重的 倾斜，如图６所示。且工作台的出现面差，即工作台被分成了前后
两个部分，中间过渡。由于此陶瓷快速成型机的工作原理是建 第４期 ２０１０年４月 机械设计与制造
Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ ３１
文章编号：１００１—３９９７（２０１０）０４—００３１—０３
基于有限元法的白车身模态和刚度研究术
穆国宝１，２张丰利。陈剑１，２张金姐
（ 合肥工业大学，合肥２３０００９）（ 安徽省汽车ＮＶＨ工程技术研究中心，合肥２３０００９）
（ 徐州重型机械有限公司，徐州２２１００１）
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ ｍｏｄａＩ ａｎｄ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ｏｆ ｂｏｄｙ ｉｎ ｗｈｉｔｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ＦＥＭ
ＭＵ Ｇｕｏ—ｂａｏ 一，ＺＨＡＮＧ Ｆｅｎｇ—ｌｉ ，ＣＨＥＮ Ｊｉａｎ ．一，ＺＨＡＮＧ Ｊｉｎ－ｊｉｅ
（ Ｈｅｆｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｅｆｅｉ ２３０００９，Ｃｈｉｎａ）（ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ ＮＶＨ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ Ａｎｈｕｉ ｐｒｏｖｉｎｃｅ，Ｈｅｆｅｉ ２３０００９，Ｃｈｉｎａ）（。Ｘｕｚｈｏｕ Ｈｅａｖｙ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｘｕｚｈｏｕ ２２ １ ００ １，Ｃｈｉｎａ） ？５ ０； ” ５ ５ ５ ５ ０ ： ＂ ； ５ ； ”” ０ ； ５ ： ０ ０ “ ． ｉ 【摘要】有限元分析方法在白车身的模态和刚度分析中广泛应９１。结合某款汽车的开发工作，系统的ｌ
；介绍了有限元法的应用及其分析的一般步骤，并对白车身的模态和刚度的分析计算及评价做了详细的阐述。；
ｉ 关键词：有限元法；白车身；模态；刚度 ｌ
【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｍｏｄａｌ ａｎｄ Ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ曰。 ｉｎ Ｗｈｉｔｅ ｗｉｔｈ ＦＥＭ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ．Ｗｉｔｈ 船ｌ
ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａｎ ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ，ｉｔ ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃａｌｌｙ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ＦＥＭ；
ｍｅｔｈｏｄ，ａｎｄ ｍａｋｅｓ ａｎ ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ ａｂｏｕｔ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ Ｏｆｍｏｄａｌ ａｎｄ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ． ；
０ Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ；Ｂｏｄｙ ｉｎ ｗｈｉｔｅ；Ｍｏｄａｌ；Ｓｔｉｆｎｅｓｓ ０ ∞∞ 疗 、：， ｛ Ｎ疗 疗 ；、 夸 ； 々 、 ％ ； ０ 詹 ・ 中图分类号：ＴＨ１２文献标识码：Ａ
１有限元技术介绍 前期准备； 在计算机和计算机技术飞速发展并广泛应用的今天，采用近 （２）形成有限元计算模型。利用ＨｙｐｅｒＭｅｓｈ、ＡＮｓＹｓ等软件，根
似的数值解已成为较为现实又非常有效的选择。实践和实验证 据结构特点，确定单元类型，并选取节点，形成网格图，同时选定 明，在众多近似分析方法中，有限单元法是运用最为成功、最为有 支承及边界条件，以及决定载荷的处理，最终形成计算数据文件； 效的数值计算方法。有限单元法最先应用于航空工程，现已迅速 （３）指定分析类型，执行求解计算。在设置相关的分析选项之 推广到机械与汽车、造船、建筑等各种工程技术领域，并从固体力 后，即可调用求解程序开始求解； 学领域拓展到流体、电磁声、振动等各学科，几乎在所有工程问题 （４）后处理。进行结果的后处理之前，需要进入后处理器，读 上得到发展和应用。有限单元法己成为一个基础稳固并为大家所 入计算结果文件，在后处理器中，可以观察结构的变形情况和各 接受的工程分析工具口。其一般步骤如下： 个物理量的等值线分布，并做出评价。 （１）研究分析结构特点。研究分析所需求解对象的结构特点， ２有限元模型的建立
包括形状、边界条件、工作载荷特点，利用ＵＧ、ＣＡＴＩＡ、Ｐｒｏ／Ｅ等软 ２．１结构分析和几何清理 件建立物理力学模型，包括形状的简化、支承的简化、材料的简 某轿车白车身系钣金结构，主要分为发动机舱、左右侧围、地 化、截面特件的简化、载荷的分析等，为网格划分和程序的选择作 板、顶棚等五部分，各零部件之间的连接装配主要为点焊方式。因
★来稿日期：２００９—０６—２５★基金项目：国家高技术研究发展计Ｊ￣ｔＪ（８６３）项目（２００６ＡＡ１１０１０１） ∽０々∽０ ∽∽∽０ ∽∽∽６ ∽０ ∽６ ∽６ ∽０々∽６０∽５口∽０ ｃ 立在层分加工的基础上，这样使得相邻两切片的轴心并不重合，
势必影响陶瓷零件的垂直度以及表面质量，远远超过了零件所限 制的误差范围，甚至会成为废品，因而造成浪费。此外，铺料台如 此频繁的升降，还会使得其连接处发生裂痕等情况。 为避免这样的情况发生，则需对工作台的机构做适当改进。
即不可使工作台成为简支梁的状态，单端支撑容易造成工作台在 受力情况下发生弯曲，随着原料质量的增加，弯曲幅度也随着增 大，故此设计方案不可取，应考虑在工作台的下部或另外一侧增 加联动装置，或者在工作台面与螺母的连接处做相应改进。 ４小结
通过用有限元分析工具ＡＮＳＹＳ对陶瓷快速成型机铺料台的 分析，可以更直观的看到结构是否符合强度硬度等要求，在不符 合要求的同时，能很快提出修改方案的方法，而且避免了很多复 杂的计算，为设计者节省很多工作时间，提高了工作效率，最终的
样机因此可以提高精度。 参考文献 １石峰．基于软件的注塑机定模板的设计与优化［ｎ轻工机械，２００８，２６（４）： １３～ｌ６ ２王秀峰，江红涛，孙勇等．一种陶瓷零件的快速成型方法［Ｐｊ．中国发明专 利，专利号：ＣＮ２００５１００４１９７６．４，２００５ ３杨万莉，王秀峰，江红涛，于成龙，单联娟．基于陡撼型技术的陶瓷零件无 模制造［Ｊ＿】．材料导报，２００６，２０（１２） ４高东强，郝大建，田振亚，姚素芬．经济型陶瓷零件陕速成型机机械装置的 设计［Ｊ］．制造技术与机床，２００８（９） ５高—平，王欣，高顺德，郑亚辉．２００吨履带起重机履带架结构设计与有限 元分析［Ｊ］＿机械设计与制造，２００４（２）