基于So lidW o rkS的基座有限元分析

陈 威，王 伟 ，李 伟，柳 滨

(中国电子科技集团公司第四十五研究所,北京东燕郊 101601)

抛光台是CMP（化学机械抛光）设备中重要部件，抛光台精度对CMP设备至关重要。三个抛光台都安装在基座上（如图1所示），因此有必要对基座进行有限元分析，观察它的应力应变分析图，检验其是否符合设计要求。另一方面基座体积大，考虑成本因素，是否可以在不影响性能指标条件下增加减重孔，从而降低成本，因此有必要进行基座结构的优化设计。

基于COSMOSWorks是SRAC推出的一套强大的有限元分析软件，它是完全整合在Solidworks中的设计分析系统，提供应力、应变、频率、热量和优化分析。为设计工程师在Solidworks的环境下，提供比较完整的分析手段。依据先进的快速有限元技术，工程师能非常迅速地实现对大规模的复杂设计的分析和验证，并且获得修正和优化设计所需的必要信息，缩短了设计所需的时间，提高了设计质量和降低了设计成本，是目前广为流行的CAE软件。

本文运用Solidworks中COSMOSWorks模块进行有限元分析，为结构优化提供重要的依据。

图1 基座安装图

1 有限元分析

采用Solidworks软件仿真设计基座，其流程如图2所示。

图2 基座有限元分析流程图

1.1 建模

与一般的CAD软件相同，SolidWorks提供了强大的实体模型生成功能。利用它完全可以建立用户想得到的模型。在进行有限元分析时，Solid-Works软件要求分析的零件应尽量简化，以便大大减少计算机的计算时间、节约计算机资源，所以我们将基座的结构在满足力学的条件下进行简化。基座的材料为HT250。

1.2 网格化有限元模型的建立

网格化就是对建立好的实体模型进行网格划分，从而建立其有限元模型，它是使用SolidWorks对零件分析时最重要一步。

COSMOSWorks分析从SolidWorks零件或装配体模型的几何体开始。几何体必须能够被正确、适度小的有限元所划分。对于小的概念，并不是指它的单元尺寸，而是表示网格中单元的数量。对网格的这种要求，有着极其重要的含义。必须确保CAD几何体的网格划分，并且通过所产生的网格能得到正确数据，如位移、应力、应变、温度分布等。

对基座进行网格划分，网格划分以后的模型如图3、4所示。

图3 无减重孔基座的网格划分图

图4 有减重孔基座的网格划分图

1.3 加载与求解

(1)施加约束。由于基座通过螺栓与基板相连，因此可对底部螺栓孔施加固定约束。

（2）载荷的计算与施加。台Ⅰ、台Ⅱ、台Ⅲ与基座通过螺栓连接，与各自台子连接的基座侧面上面螺栓孔受拉，侧面下三个螺栓孔受压。根据台Ⅰ、台Ⅱ、台Ⅲ、主轴的质量，台Ⅰ、台Ⅱ重心到基座的距离以及上下螺孔间距可以计算出相应点的受力。

主轴在基座上产生的压强为：

这一步主要是在求解模块中(SOLU)进行，包括定义分析类型、确定分析选项、施加载荷及载荷步。

1.4 结果分析

求解完成以后，应用后处理器可以直观地看出基座的应力分析如图5、6所示。无减重孔的基座应力分析如图5所示，敏感区域产生的最大应力15.51 MPa，远小于它的拉伸强度极限σb=250 MPa，位移分析如图7所示，敏感区域产生的最大位移1.804μm。

有减重孔时基座应力分析如图6所示，敏感区域产生的最大应力15.31 MPa，远小于它的拉伸强度极限σb=250 MPa，位移分析如图8所示，敏感区域产生的最大位移为2.791μm。

图5 无减重孔基座的应力图

图6 有减重孔基座的应力图

图7 无减重孔基座的应变图

图8 有减重孔基座的应变图

3 结 论

经上述分析可知，基座在有无减重孔的情况下产生的最大应力均远小于它的拉伸强度极限σb=250 MPa。基座在无减重孔时敏感区域产生的最大位移1.804μm，有减重孔敏感区域产生的最大位移为2.791μm，本系统无高速运动，不存在振动的问题，有无减重孔影响不大。根据得到的基座周围的应力、应变分布图，可知基座在有无减重孔时都满足设计要求，由于基座为铸件且尺寸较大，从节约材料方面考虑，采用有减重孔的方案。利用Solidworks软件，在合理建立模型，正确加载与约束下，可以快速地对各方案进行分析并从中优选。

[1]关鼎，肖平阳.Solidworks三维造型典型实例教程[M].北京：机械工业出版社，2006.

[2]江洪，陈燎，王智等.Solidworks有限元分析实例解析[M].北京：机械工业出版社，2008.

[3]胡明玺，高万玉，杜振杰等.基于ANSYS的高阻尼橡胶缓冲系统设计[J].机械设计与制造，2005，39（12）：38-40.

[4]王勖成，邵敏.有限单元法基本原理和数值方法[M].北京：清华大学出版社，1997.

[5]龚曙光.ANSYS工程应用实例子解析[M].北京：机械工业出版社，2003.

[6]Solidworks有限元分析实例解析.北京：机械工业出版社，2008.