UGNX在太阳能支架设计中的应用

第２期（总第１７７期）　
２０１３年４月　
机械工程与自动化　

ＭＥＣＨ　ＡＮＩＣＡＬ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　＆　ＡＵＴ（）ＭＡＴＩＯＮ　
ＮＯ．２　

Ａｐｒ．　

文章编号；１６７２—６４１３（２０１３）０２—０１９８—０２　
ＵＧ　ＮＸ在太阳能支架设计中的应用　
申文明，闰　芳，孔维忠，冯红旭　
（山东力诺瑞特新能源有限公司，山东　济南　２５０１０３）　

摘要：根据家用太阳能热水系统设计规范，利用ＵＧ　ＮＸ．提出了太阳能支架三维结构参数化设计方案，着　
重讨论了太阳能支架设计过程中的参数化驱动、有限元模型的建立　该方法提高了产品的设计效率和产品的　
可靠性，缩短了产品开发的周期。　
关键词：太阳能支架；参数化驱动；有限元模型　
中图分类号：ＴＰ３９１．７　文献标识码：Ｂ　

１　概述　
太阳能热水器支架（以下简称支架）是太阳能热水　器中的重要组成部件，传统的支架设计是根据经验进　行的，因此在验证支架装配、可靠性、经济性和设计与　生产的快速转换等方面存在问题。本文以某太阳能热　水器管支数的参数为基本参数，对支架进行参数化驱　动，并对其进行结构分析及优化。　２总体思路　支架结构简图如图１所示。　（ａ）支架左视图　（ｂ）支架主视图　（ｃ）支架右视图　（ｄ）支架轴测图　１一支架前横撑；２－－上后横撑；３一前连接杆；４－－后连接杆；　５一下后横撑；６一尾座；７一后架；８一前架；９一侧连接杆　图１支架结构简图　根据支架型材截面建立支架杆件，并以管支数　作为支架杆件尺寸参数驱动，约束装配关系，最后对支　架进行结构分析、优化。具体流程如图２所示。　３　实施步骤　ＵＧ　ＮＸ的建模应用模块相对于其他三维软件的　建模功能更加易操作，具有较强的实用性。首先利用　ＵＧ　Ｎｘ中的建模模块进行建模，建模模块包括特征　
建模模块和自由形状建模模块两大部分，它将基于约　
束的特征建模和显示几何建模集成在一起，提供了强大　
的复合建模能力，可以轻松地完成各种复杂的实体建模　
和面建模。在Ｎｘ中以草图绘制为基础，并通过一系列　
的拉伸、旋转等操作，并以管支数ｎ作为基本尺寸驱动　
参数构建支架的零部件实体模型。直插式太阳能支架　
的构成主要由前横撑、上后横撑、下后横撑、前连接杆、　
后连接杆、侧连接杆、尾座、前架和后架等组成。　

图２　支架结构爹数化设计流程图　
３．１　支架前横撑、上后横撑尺寸的确定　
太阳能热水器中的Ｕ型孔与支架桶托中的Ｕ型　
孔存在对应的装配关系，由此得出支架横撑尺寸值，并　
以太阳能热水器的管支数ｎ为变量列写关系式，具体　
表达式如图３所示。图３中，ｄ为太阳能热水器管间　
距，ｍ为Ｕ型孔到边的距离，５为真空管首孔到边的距　
离，Ｚ为横撑长度。　
３．２　支架下后横撑尺寸的确定　
下后横撑的尺寸值与前横撑、上后横撑相等，使用　
相同的表达式。但后连接杆的安装孔位置是根据管支　
数ｎ变化的自变量，需定义其尺寸值。具体表达式如　

收稿日期：２０１２—１０—０８；修回日期；２０１２—１１—１３　
作者简介：孔维忠（１９８１一），男，【ｌ｜东曲阜人，工程师，本科，目前从事太阳能产品的研发工作。　
２０１３年第２期　机械工程与自动化　・　２０１　・　
火）工序，该工序是为了消除调质处理过程中毛坯和零　件中产生的残余热应力，稳定工件尺寸及形状，进一步　减少钢件切削加工和使用过程中的变形和裂纹倾向。　测试结果表明，经过此处理后的工件基本都能满足高　精密工件的基础技术要求。４０Ｃｒ工件调质后硬度仍　然偏高，工件通过４５０℃～５００℃的中温回火可提高　弹性极限和屈服强度，形状复杂的工件在油中冷却，简　单形状的工件在水中冷却，目的是避免第二类回火脆　性的影响，处理后硬度为ＨＲＣ１８～ＨＲＣ２２。具体的　去应力退火工艺参数见表４。　表４　４０Ｃｒ钢去应力退火工艺参数　ｌ热处理项目』加热温度（℃）ｌ保温时间（ｈ）ｌ冷却方式ｌ硬度（ＨＲＣ）ｌ　ｌ去应力退火Ｉ　４５ｏ～５００　ｌ　Ｉ～Ｉ．５　ｌ　空冷　ｌ　１８￣２２　ｌ　４　结论　４０Ｃｒ钢电机轴经过正火、调质、去应力退火等热　
处理工艺处理后，优化了工件的内部组织，使其拥有了　
更为优良的综合机械性能和较好的切削加工性能，从　
而扩展了４０Ｃｒ钢的用途，降低了生产成本，提高了经　
济效益。　
参考文献：　
［１］张圭丰．金属工艺学［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９８８．　
Ｆ２３　樊东黎．热处理工程师手册［Ｍ］．北京：机械工业出版社，　
１９９６．　
Ｅ３３　许德珠．机械工程材料［Ｍ］．北京：高等教育出版社．１９９２．　
［４］胡光立．谢希文．钢的热处理（原理和工艺）［Ｍ］．西安：西　
北工业大学出版社，２Ｏ１Ｏ．　
［５３王忠诚。齐宝森，李扬．典型零件热处理技术［Ｍ］．北京：　
化学工业出版社，２０１０．　

４０Ｃｒ　Ｓｔｅｅｌ　Ｈｅａｔ　Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｉｔｓ　
Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　

ＺＨＡＯ　Ｌｉｎ　
（Ｓｈａｎｘｉ　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔａｉｙｕａｎ　０３０００９，Ｃｈｉｎａ）　
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｔｈｅ　ｈｅａｔ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｆｏｒ　４０Ｃｒ　ｓｔｅｅ１．Ｂｙ　ａ　ｓｅｒｉｅｓ　ｏｆ　ｈｅａｔ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ，ｓｕｃｈ　ａｓ　ｎｏｒｍａｌｉｚｉｎｇ．　
ｑｕｅｎｃｉｎｇ　ａｎｄ　ｔｅｍｐｅｒｉｎｇ，ｓｔｒｅｓｓ　ｒｅｌｉｅｆ　ａｎｎｅａｌｉｎｇ，ｔｈｅ　ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ａｎｄ　ｃｕｔｔｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　
４０Ｃｒ　ｓｔｅｅｌ　ｃｏｕｌｄ　ｂｅ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ．　
Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｈｅａｔ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ；４０Ｃｒ　ｓｔｅｅｌ；ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　

（上接第ｌ９９页）　

图９支架后处理应力云图　
３．８工程图纸的输出及生产制造　
ＵＧ　ＮＸ除了具有以上的功能外，在实际应用中　
它的工程制图功能也是非常强大的。利用工程制图模　
块，可以对零部件的三维数据模型进行工程图纸的输　
出，为设计者节约了大量的时间。支架在生产制造过　
程中，通过二维的工程图就能准确地表达出生产要求，　
这不仅方便了生产中工人的操作，而且在生产过程中　
间接地降低了制造成本。　

４　总结　
ＵＧ　Ｎｘ的应用为产品的生产制造带来了诸多的　
便利，使大部分厂家摆脱了传统的人工设计和绘图的　
工作方式。它能极大限度地体现出设计者的设计意　
图，能够有效地降低设计误差，特别是针对那些结构复　
杂的设计。本文叙述了ＵＧ　Ｎｘ在太阳能热水器支架　
设计中的建模、分析、优化以及生产中的应用，以便制　
造出具有更佳可靠性和安全性的支架。　
参考文献：　
［１］袁家谱．太阳能热水系统手册［Ｍ］．北京：化学工业出版　
社，２００８．　
［２］吴振一。窦建清．全玻璃真空太阳能集热管热水器及热水　
系统［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００８．　
［３］余强，魏青周，周京平．ＵＧ零件设计技术与实践（ＵＧ４．０　
版）［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００７．　
［４］　沈春根，王贵成。王树林．ＵＧ　ＮＸ７．０有限元分析人门与　
实践精讲［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２０１０．　
Ｅ５］朱崇高，谢福俊．ＵＧ　ＮＸ　ＣＡＥ基础与实例应用［Ｍ］．北　
京：清华大学出版社，２０１０．　

Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＵＧ　ＮＮ　ｉｎ　Ｓｏｌａｒ　Ｂｒａｃｋｅｔ　Ｄｅｓｉｇｎ　
ＳＨＥＮ　Ｗｅｎ－ｍｉｎｇ，ＹＡＮ　Ｆａｎｇ，ＫＯＮＧ　Ｗｅｉ・ｚｈｏｎｇ，ＦＥＮＧ　Ｈｏｎｇ－ｘｕ　
（Ｌｉｎｕｏ　Ｒｉｔｔｅｒ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．。Ｊｉｎａｎ　２５０１０３，Ｃｈｉｎａ）　
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｈｏｕｓｅｈｏｌｄ　ｓｏｌａｒ　ｗａｔｅｒ　ｈｅａｔｅｒｓ，ｔｈｅ　３Ｄ　ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ　ｄｅｓｉｇｎ　ｓｃｈｅｍｅ　ｏｆ　ｓｏｌａｒ　
ｂｒａｃｋｅｔ　ｗａｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ　ｂｙ　ＵＧ　ＮＸ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ｄｒｉｖｅ　ａｎｄ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｏｄｅｌ　ｄｕｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｓｏｌａｒ　ｗａｔｅｒ　ｈｅａｔｅｒ　
ｓｔａｎｄｓ　ｗｅｒｅ　ｉｎｔｅｎｓｉｖｅｌｙ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｉｔ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｔｈｅ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｏｆ　ｐｒｏｄｕｃｔ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｐｒｏｄｕｃｔｓ，ａｌｓｏ　ｓｈｏｒｔｅｎｅｄ　ｔｈｅ　
ｐｒｏｄｕｃｔ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｐｅｒｉｏｄ．　
Ｋｅｙ　ＷＯｒｄｓ：ｓｏｌａｒ　ｂｒａｃｋｅｔ；ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ｄｒｉｖｅ；ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｏｄｅｌ