【摘 要】 在石油用井下工具的设计研发过程中，采用有限元软件开展数值模拟已成为一种较为普遍的技术手段，通过该方法可进行结构优化及材质优选，但模拟-分析-优化过程繁琐，影响了机械设计效率。本文基于SolidWorks nSimulationXpress提出通过FOS分析，实现工具结构的早期优化，以提高机械设计效率，缩短研发周期。
【关键词】 FOS分析 早期优化 机械设计
在石油用井下工具设计过程中，通常采用解析法和实验法对工具进行强度校核，并根据解析和试验结果进行优化。而在产品设计初期，需要不断优化工具结构甚至替换材质才能达到设计要求，期间可能产生较大偏差导致设计效率偏低。而如果在结构设计伊始，适当考虑结构设计与材质选择的合理性，那么初期所建立的样机模型将与最终设计较为接近。
本文基于SolidWorks nSimulationXpress，提出通过FOS分析考虑几何结构对安全系数的影响，以安全系数为优化条件，指定变量和约束实现工具结构的早期优化。
1 SolidWorks nSimulationXpress简介
SolidWorks Simulation前身为著名的FEA软件COSMOS Works[4-5]，主要功能包括系统及部件分析、多场耦合分析及高级分析等。其所提供的初步分析工具，通过模拟进行最初的方案验证及修改，使得设计结果无限接近于最佳方案。目前，该软件并不支持装配体或多实体零件的分析与优化。
2 FOS分析与早期优化
FOS分析是一种用于评估设计安全性的分析方法[6]，对于标准机械零部件，其许用应力及安全系数都有比较成熟的推荐值，但对于非标准零部件或者出于特殊用途，形状和尺寸均无严格限制的机械零件而言，其许用应力与安全系数是不确定的。通过FOS分析，模拟零件的实际工作状态，可确定其许用应力与安全系数。
2.1 FOS分析步骤
2.1.1 确定几何模型的可行性
开展FOS分析前，首先应确定几何模型的可行性，即该模型是否能够表达设计师的设计意图，结构复杂时，有必要对模型进行简化。
与一般的有限元分析步骤相似，FOS分析中，通过定义夹具、载荷、材料完成边界条件设置与载荷加载，通过自定义网格划分完成有限元模型的建立
2.1.3 FOS分析与早期优化
SimulationXpress使用最大von Mises应力准则来计算安全系数，对模型中某一点而言，该点处的安全系数以屈服力除以对等的应力来计算。而利用FOS分析进行早期优化的本质就是通过设定优化条件与目标函数，对数学方程进行求解的过程。
2.2 FOS分析算例
由表1可知，在已有载荷条件下，限定安全系数大于或等于1.5，求解在10～35mm范围内圆管直径的优化值为30mm。
3 结论与认识
（1）在石油用井下工具设计过程中，通过FOS分析来确定许用应力与安全系数，可在一定程度上替代常规解析法和实验法对工具进行强度校核。
（2）利用FOS进行早期优化的主要方向，是在确定许用应力与安全系数后，对零件的结构尺寸进行优化设计。
参考文献：
[2]汪恺.机械制造基础标准手册.上册.北京：机械工业出版社，1997.
[3]苏春.关于安全系数法和可靠性设计的讨论[J].机械科学与技术，1997，01：35-38.
[4]韩绿霞，宋怀俊，张彩云，等.SolidWorks三维造型技术的应用[J].机械研究与应用，2005（04）.
[5]沈玺，方鹏，宋小青.浅谈ANSYS与SolidWorks的数据交换[J].装备制造技术，2006（05）期.
[6]徐灏.安全系数与许用应力.北京：机械工业出版社，1981.
