挂钩三维设计及仿真分析

本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 I 页 共 39 页目 录1 引言.11.1 课题研究的背景及意义.11.2 常用仿真软件简介.21.3 PRO/ENGINEER 软件介.41.4 与本课题相关的国内外发展现状.51.5 优化设计工作流程及简介.62 有限元模拟分析.72.1 有限元简介.72.2 关于有限元方法的介绍.92.3 有限元分析模型的建立及结果分析.92.4 PRO/MECHANICA 中有限元分析的工作流程.93 主要零部件建模.123.1 挂钩的三维建模.123.2 理想化模型的建摸.134 挂钩的有限元分析.184.1 基本应力分析阶段.184.2 进行模型的灵敏度分析.204.3 优化设计分析.25结束语.32致谢.33参考文献.34 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 1 页 共 33 页1 1 引言引言 1.1 课题研究的背景及意义课题研究的背景及意义 塑料件在各行业及日常生活中广泛使用，塑料件设计制造的社会需求也日益增长，而且要求越来越高。通过对塑料挂钩设计、分析，培养学生检索资料，综合应用所学知识，提高解决工程实际问题的能力，并应用技术工具以及分析软件进行编制设计说明书的能力训练。在当今市场客户对产品要求越来越高，竞争日益激烈的情况下，如何研发出更好的产品尤其是优化设计产品中的关键零部件，显得极为重要。任何产品的设计都是一个渐进的过程。产品的设计过程一般先经过功能需求分析，然后根据需求分析结果提出概念模型。这样的概念模型往往有几种，即多种设计方案。因此，接下来需要对现有的几种设计方案进行综合评估，选择最优的设计方案。公司总是希望能以最少的投资获得最好的性能。例如 Britvic 公司的主管 PaulMoody 指出：“Robinsons 在过去的两年内为了减少其对环境的影响做了不少努力。重点是如何进一步减轻包装质量，以及减少能源和水的使用量。 ”顶级软饮料公司 Britvic 宣布正减少英国广受欢迎的果汁饮料 Robinsons 的包装瓶质量。该新型 1 公升容量的包装瓶质量减轻 2g，估计每年将节省 330 吨塑料材料，相当于至少 9 百万个空包装瓶，生产该瓶的 Robinsons 工厂可节省 5%的能源。 在过去两年 Britvic 公司已投资 500多万英镑用来减轻 Robinsons 品牌的外包装质量，迄今为止节省了约 1600 吨的塑料材料。该新型 1 公升塑料瓶由聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）制成， “PET 的价格是 1.2 欧元/千克, 一年生产 1 亿个瓶, 每个瓶节省 1g, 制造商每年就能节省 2 万欧元” 。本例说明了减轻饮料瓶重量既环保又省成本。有限元分析是机械结构设计工程师不可或缺的工具。Pro/E 的软件分析模块 Pro/MECHANICA 就是一种既好用又有效的有限元分析软件。Pro/MECHANICA 能对 Pro/E 中建立的零件进行灵敏度分析和优化设计。通过对零件的优化设计，能使零件尺寸的选择更合理、更科学。能在满足零件强度要求的情况下，减轻零件的重量，更重要的是还能通过灵敏度分析得出重要的设计参数，提高优化设计的效率。因此，一个好的结构设计既能满足结构性能要求，又能节省材料、降低成本，这对机械结构设计师来说是一个挑战，能给制造公司带来巨大的利润空间。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 2 页 共 33 页 世界和国产的各种优秀的 CAD 软件正以前所未有的速度迅速进入机械设计和制造行业的各个领域。由于目前 CAD 技术在我国机械设计工程界正处在一个快速导入期，各种 CAD 软件由于其自身的性能优势拥有不同的应用人群。在机械设计行业中，现在有很多企业把产品的设计、分析、制造、产品的数据管理和信息技术集于一体，这种先进的管理方式属于企业信息化的范畴。并且这种先进的管理设计方式也引发了设计领域的巨大的变化。第一次大的变化是八十年代 CAD 软件的推广，国内普遍使用的是 AutoCAD 软件。利用该软件使许多机械工程师逐渐地甩掉了图板。第二次大的变化是大量三维 CAD 软件的不断出现，如：ProEngineer、Solidworks、Alias、UG、I-DEAS 等。1.2 常用仿真软件简介常用仿真软件简介 在当今产品开发过程中，通过协同作业来提高工程设计效率的做法非常普遍，同时当中的信息交流传递也越来越重要。在三维设计软件面世之前，工程图样包含了整个产品的所有数据信息，由于它起到的重要作用，其也被称为工程语言。随着产品升级更新的步伐不断加快，产品本身构造日益复杂，仅靠工程图样已无法表达设计者的全部意图。所以，在此仅介绍三维结构运动仿真软件，因为它们已经或即将代表着结构仿真软件的现在与将来。(1) EDS-UG UG 软件是美国 EDS 公司推出的大型 CAD/CAE/CAM 软件，它的运动分析模块（UG Scenario）是一个模拟仿真分析的设计工具，它是 ADAMS 软件的一个子集。它既能进行运动学（Kinematic）分析，又能进行动力学（Dynamic）分析。典型步骤如下：首先将要分析的装配图存入一个 Scenario 文件，确定分析所需构件（LINKS） ，再建立构件之间的运动副（JOINTS） ，然后定义整个机构承受的载荷（FORCES） ，进行机构运动仿真，从中得出所分析的运动副处的位移、速度、加速度及力的数值及特性曲线，为下一步做有限元分析或作强度分析、结构设计、优化设计打下了基础。 UG 主要适合于大型的汽车、飞机厂建立复杂的数模。(2) SOLID EDGESolid Edge 是业内领先的机械设计软件，拥有能够创建和管理三维数字模型的优秀工具。Solid Edge 出众的建模能力和优化的设计流程，可以满足特定行业的设 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 3 页 共 33 页计需要，并且对数据进行完全的综合设计管理，帮助用户制定正确的设计解决方案。利用 Solid Edge 的建模和装配设计工具，设计师能够很轻松地设计出一整套产品，从简单零件到包含上万个部零件的大型装配件。(3) CATIA Computer Aided Three & Two Dimensional Interaction Application System，计算机辅助三维/二维交互式应用系统，自 1999 年 3 月法国达索系统（Dassault Systems）正式发布第一个版本即 CATIA V5R1（CATIA Version 5 Release 1）以来，平均每年发布 23 个版本，到 2003 年 4 月发布的 CATIA V5R11（CATIA Version 5 Release 11） ，模块总数出最初的 12 个增加到了 146 个。将原来运行于 IBM 主机和 AIX 工作站环境的 V4 版本彻底改变为微软 Windows NT 环境，99%以上的用户界面图标采用 MS-Office 形式，并且自己开发一组图形库，使得 Unix 工作站版本与 Windows 微机版具有相同的用户界面。CATIA V5 充分发挥了 Windows 平台的优点，一经推出市场后立刻就得到业界广泛的认可，被很多 CAD/CAM 领域的资深咨询专家评价为第四代CAD/CAM 软件，代表了 CAD/CAM 未来发展的方向。(4) PRO/ENGINEER Pro/Engineer 是美国 PTC 公司推出的大型机械 CAD/CAE/CAM 软件，其突出优点为全相关、基于特征的参数化造型、单一数据库。这就意味着在产品开发过程中某一处进行的修改，能够扩展到整个设计中，同时自动更新所有的工程文档，包括装配体、设计图纸，以及制造数据。PRO/ENGINEER 包括了在工业设计和机械设计等方面的多项功能，还包括对大型装配体的管理、功能仿真、制造、产品数据管理等等。Pro/ENGINEER 还提供了目前所能达到的最全面、集成最紧密的产品开发环境。1.31.3 PRO/ENGINEERPRO/ENGINEER 软件软件介绍介绍 1985 年，PTC 公司成立于美国波士顿，开始参数化建模软件的研究。1988 年，V1.0 的 PRO/ENGINEER 诞生了。经过 10 余年的发展，Pro/ENGINEER 已经成为三维建模软件的领头羊。目前已经发布了 Pro/ENGINEER WILDFIRE3.0。PTC 的系列软件包括了在工业设计和机械设计等方面的多项功能，还包括对大型装配体的管理、功能仿真、制造、产品数据管理等等。Pro/ENGINEER 还提供了目前所能达到的最全面、集成最紧密的产品开发环境。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 4 页 共 33 页PRO/ENGINEER 主要特性：全相关：Pro/ENGINEER 的所有模块都是全相关的。这就意味着在产品开发过程中某一处进行的修改，能够扩展到整个设计中，同时自动更新所有的工程文档，包括装配体、设计图纸，以及制造数据。全相关性鼓励在开发周期的任一点进行修改，却没有任何损失，并使并行工程成为可能，所以能够使开发后期的一些功能提前发挥其作用。基于特征的参数化造型：Pro/ENGINEER 使用用户熟悉的特征作为产品几何模型的构造要素。这些特征是一些普通的机械对象，并且可以按预先设置很容易的进行修改。例如：设计特征有弧、圆角、倒角等等，它们对工程人员来说是很熟悉的，因而易于使用。 装配、加工、制造以及其它学科都使用这些领域独特的特征。通过给这些特征设置参数（不但包括几何尺寸，还包括非几何属性） ，然后修改参数很容易的进行多次设计叠代，实现产品开发。 数据管理：加速投放市场，需要在较短的时间内开发更多的产品。为了实现这种效率，必须允许多个学科的工程师同时对同一产品进行开发。数据管理模块的开发研制，正是专门用于管理并行工程中同时进行的各项工作，由于使用了 Pro/Engineer 独特的全相关功能，因而使之成为可能。装配管理：Pro/ENGINEER 的基本结构能够使您利用一些直观的命令，例如“啮合” “插入” “对齐”等很容易的把零件装配起来，同时保持设计意图。高级的功能支持大型复杂装配体的构造和管理，这些装配体中零件的数量不受限制。易于使用：菜单以直观的方式联级出现，提供了逻辑选项和预先选取的最普通选项，同时还提供了简短的菜单描述和完整的在线帮助，这种形式使得容易学习和使用。 我们最终选择 Pro/Engineer 作为仿真设计软件,主要是由于其在机构运动仿真功能方面强大的功能、易操作性和直观性。同时，在大型组件的创建过程中，PRO/ENGINEER 的单一数据库、参数化建模和全相关性将使零部件的创建和修改变得非常容易，这对缩短建模周期将起到显著的作用。1.3.1 Pro/E 的优缺点 比起专业分析软件, Pro/E 无法匹敌, 但绝大多数的专业分析软件如 ANSYS 的几 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 5 页 共 33 页何建模功能比较弱, 必须通过 IGES 或 STEP 格式进行数据交换, 这样往往容易造成数据的丢失而须花大量的时间与精力进行几何模型的修补工作。而 Pro/MECHANICA能克服这一弱点, 它可以直接利用 Pro/ENGINEER 的几何模型进行有限元分析。由于Pro /ENGINEER 具有强大的参数化功能, Pro/MECHAN ICA 就利用参数化工具的优点对几何模型进行灵敏度分析和优化设计。Pro/E 主要适合于中小企业快速建立较为简单的数模。在建模较为复杂的时候，往往是任何参数都是没有用处的，一般用 Pro/E建立开始较为简单的线框、曲面，然后转到 UG 里面进行高级曲面的建立、倒角。Pro/ENGINEER ( Pro/E) 是集 CAD /CAM /CAE 于一体的大型设计软件, 其中 CAE 常用的模块有 Mechanism Design Extension (MDX) 和 Pro/MECHANICA ( Pro /M) 。1.41.4 与本课题相关的国内外发展现状与本课题相关的国内外发展现状 目前，国内有不少科研单位已经或正在进行利用 Pro/ENGINEER 进行二次开发的CAD 系统研究工作，不过对于这些系统，在机械方面的设计比较多，合肥工业大学进行了开发 Pro/ENGINEER 用户化菜单的技术和实践方面的研究，即研究如何在Pro/ENGINEER 中加入用户自定义的菜单；合肥经济技术学院提出了通过Pro/ENGINEER 二次开发来利用工程数据库进行特征造型的方法；南京航空航天大学的陈辰等参与开发的是一个较为完整的轴类零件设计(三维模型)、零件出图、零件加工(加工刀轨代码生成)系统，让一些通用设计的过程实现自动处理，以减轻设计人员的工作量；北方交通大学机械与电子工程学院进行的是基于 Pro/ENGINEER 的内燃机车三维标准件库的建立方面的研究，该系统采用 Pro/ENGINEER 为平台，利用其强大的参数化造型技术和二次开发模块 Pro/TOOLKIT，建立内燃机车三维标准件库，以适应机车新产品的设计与开发，提高 Pro/ENGINEER 系统的实用程度；清华大学精仪系 CIMS 中心则提出基于 Pro/ENGINEER 系统开发面向并行工程的 CAD 系统。 在国外，新加坡国立大学的 Wynne Hsu 等人，以 Pro/E 软件为平台，通过 C 语言编程开发出一种将装配设计分析与产品的概念设计相结合的系统。系统通过五大模块:设计特征库、分析模块、交互模块、搜索模块和装配模块，实现了产品的自动装配。国外由于研究开发三维设计软件的时间较长，而且早已应用于相关行业，故在其应用领域里的自主开发技术已经十分成熟和完善。1.51.5 优化设计工作流程及简介优化设计工作流程及简介 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 6 页 共 33 页 机械优化设计应用的发展历史，经历了由怀疑、提高认识到实践收效，从而引起广大工程界日益重视的过程。在 6070 年代，计算机价格昂贵，优化设计在应用实践方面多数限于高等院校、研究所和少数大型企业中开展。从 70 年代到 80 年代，计算机价格大幅度下降，优化设计应用的诱人威力，市场竞争日益激化，作为产品开发和更新的第一关是如何极大地缩短设计周期、提高设计质量和降低设计成本已成为企业生存的生命线，从而引起广大企业和设计师的高度重视。用优化设计方法来改造传统设计方法已成为竞相研究和推广并可带来重大变革的发展战略，优化设计在设计领域中开拓了新的途径。机械优化设计是将机械工程的设计问题转化为最优化问题，然后选择适当的最优化方法，利用电子计算机从满足要求的可行设计方案中自动寻找实现预期目标的最优化设计方案。设计步骤：把实际机械设计问题转化为数学模型，然后根据数学模型的特性，选择某种适当的优化方法及其程序，通过电子计算机，求得最优解。如图 1 所示。 是 否机械优化设计设计问题设计要求设计参数设计准则 数学模型 目标函数 约束函数方案评价是否最优最优设计方案方案分析 实际值设计方案（其中一组）优化途径优化设计参数 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 7 页 共 33 页图 1 优化设计流程图 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 8 页 共 33 页2 2 有限元模拟分析有限元模拟分析2.12.1 有限元简介有限元简介目前在工程技术领域内常用的数值模拟方法主要有：有限单元法、边界元法、离散单元法和有限差分法，但就其实用性和应用的广泛性而言，主要还是有限元法。有限单元法基本思想是将问题的连续求解域离散为一系列单元，单元之间仅靠节点连接，即利用离散化将无限自由度连续体力学问题简化为有限单元节点参数计算。单元内部点的待求量可由单元节点量通过选定的函数关系插值求得。由于单元形状简单，易于由平衡关系或能量关系建立节点量之间的方程式，然后将各个单元方程“组集”在一起而形成总体代数方程组，计入边界条件后即可对方程组求解。单元划分越细，计算结果就越精确。有限元分析技术可以克服实验成本高、周期长的缺点，能够进行大量的模拟试验，在建立准确的有限元分析模型的基础上，再辅以少量试验修正，即可建立精确的数学模型。 ANSYS 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国 ANSYS 开发，它能与多数CAD 软件接口，实现数据的共享和交换，如 Pro/Engineer, NASTRAN, IDEAS, AutoCAD 等，是现代产品设计中的高级 CAD 工具之一。软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度 分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明 显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了 100 种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。该软件有多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如 PC，SGI，HP， SUN，DEC，IBM，CRAY 等。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 9 页 共 33 页2.1.1 有限元分析中材料特性参数 在有限元分析前，需要给模型指定材料的特性参数。在 Pro/MECHANICA 中，经常用到的材料特性主要有各向同性、泊松比、密度、扬氏模量、热扩散系数、指定热容量等。(1) 各向同性：指材料在各个方向上表现出相同的力学或热学性能。通常认为常用金属材料都是各向同性的，而木材是各向异性的。(2) 泊松比是物体受到得纵向应变（物体拉伸方向的应变）和物体横向应变之间的比值。泊松比是无量纲的量，其数值随材料而异，一般钢材的泊松比在 0.250.33之间。(3) 密度：每一种材料都有它自己的密度，单位是 Kg/mm3 或 tonne/mm3。特别要注意的是，Pro/MECHANICA 定义的密度为质量密度，而非重量密度，所以数值比较小。(4) 杨氏模量又称为弹性模量。对于弹性材料而言，在材料的屈服极限内，物体发生的应变与应力是成正比的。应力与应变的比值，就是弹性模量或杨氏模量。其数值随材料而异，弹性模量是有量纲的量，其单位与正应力的单位相同，常用 MPa 或GPa 表示。(5) 热扩散系数：指热膨胀系数，用于规定的材料受热的膨胀特性，标准单位1/k。(6) 指定热容量：指比热容，单位质量的物质温度升高一度所需要的热量。2.22.2 关于有限元方法的介绍关于有限元方法的介绍 有限元软件分析方法作为一种通用的数值分析方法，是目前研究复杂受力问题最为可靠和有效的手段。在产品设计过程中，根据提出的产品原形建立相应的计算机仿真模型和虚拟工作环境。利用计算机仿真程序检验产品的各种功能、特性，测试产品能否实现预期的功能。结构分析的有限元法已经成为必不可少的分析和优化技术，为产品的可靠性和高效性提供技术保证；同时避免大量试验验证过程，降低设计成本，提高设计效率，缩短开发周期，最终达到提高产品竞争力的目的。静强 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 10 页 共 33 页度分析计算在固定不变的载荷作用下结构和部件的效应。计算载荷作用引起的位移、应力和应变。2.32.3 有限元分析模型的建立及结果分析有限元分析模型的建立及结果分析有限元分析模型的建立及分析过程基本包括如下步骤： (1) 建立几何模型；(2) 选择材料模型；(3) 网格划分；(4) 添加约束； (5) 加载；(6) 求解；(7) 结果分析。 2.42.4 PRO/MECHANICAPRO/MECHANICA中有限元分析的工作流程中有限元分析的工作流程 优化设计是在指定研究目标、约束条件（包括几何约束和物性约束），设计参数、再在参数给定范围内求解出满足研究目标和约束。条件的最佳方案。Pro/MECHANICA 进行优化设计的一般流程如图2所示。 图2 有限元分析的工作流程创建模型分配材料定义约束、载荷荷建立模型分析模型灵敏度分析优化研究静态分析获取结果运行优化设计更新数据筛选参数指定变化范围 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 11 页 共 33 页 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 12 页 共 33 页(1) 标准分析：最基本，最简单的设计研究类型，至少包含一个分析任务。在此种设计研究中、用户需要指定几何模型、划分有限元网格、定义材料、定义载荷和约束、定义分析类型和计算收敛方法、计算并显示结果。(2) 灵敏度分析：有限元分析的最终目的是为了进行优化设计。在满足给定的约束条件下（如不超过许用应力），找到满足设计目标（如质量最轻）的值。(3) 优化设计分析：有限元分析的最终目的是为了进行优化设计。优化设计就是搜索满足给定约束条件下的目标函数的极大值。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 13 页 共 33 页3 3 主要零部件建模主要零部件建模3.13.1 挂钩的三维建模挂钩的三维建模3.1.1 建立模型 在Pro/ENGINEER工作环境下按照支架模型各个参数的初始值建立模型，并将单位设置为毫米牛顿秒（mmNs）形式。建立好的支架模型如图3所示。图3 挂钩模型图3.1.2 设置材料、定义约束 选择Applications/Mechanica/Continue 进入Pro/MECHANICA 模块，在MECHANICA 菜单中单击Structure，进入结构分析主界面。选用NYLON材料，将模型材料设置为NYLON，其密度为= 1.20014 10-9tonne/mm3 , 弹性模量E =4000.34MPa, 泊松比 = 0.4，施加约束使模型左端面固定，该端面6个自由度完全固定后的挂钩模型如图4所示。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 14 页 共 33 页图4 加材料及定义约束后的模型图3.23.2 理想模型的建理想模型的建模模3.2.1 简化过程 挂钩是生活中常用的悬挂工具，在使用过程中,通常是单一力的作用，所以可以将图4所示挂钩简化为图5。又因为在挂钩的受力过程中，力的作用方向是垂直向下，因此可以再简化为图6所示，这样更有利于灵敏度分析和优化设计。施加约束使模型左端面固定，该端面6个自由度完全固定，左端面的形状如何不影响不影响结构特性。通常做结构分析时，可以将比较小的特征去除，如小圆角特征 。但是有时将小圆角去掉也会遗漏一些比较重要的力。总而言之，模型简化应该建立在不改变发机构特性的前提下。挂钩在受力时，应力集中在支架右侧连接处，故对此处进行倒圆角。如图7所示。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 15 页 共 33 页图5 第一步简化处理图图6 第二步简化处理图 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 16 页 共 33 页图7 理想模型图3.2.2 问题分析 如图3所示为一挂钩模型,材料为NYLON，弹性模量 E=4000.3MPa,泊松比=0.4。由于挂钩侧面固定，只有右侧柱体承受向下的集中力，当前需要考虑的问题是(1) 挂钩能否承受200N垂直向下的力作用。(2) 挂钩在200N工作载荷作用下的最大应力和最大位移是多少。3.2.3 建立理想挂钩模型在Pro/ENGINEER工作环境下按照支架模型各个参数的初始值建立模型，并将单位设置为毫米牛顿秒（mmNs）形式。建立好的支架模型如图8所示。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 17 页 共 33 页图8 支架模型图3.2.4 设置材料、定义约束和施加载荷 选择Applications/Mechanica/Continue 进入Pro/MECHANICA 模块，在MECHANICA 菜单中单击Structure，进入结构分析主界面。选用NYLON材料如图9所示，将模型材料设置为NYLON，其密度为= 1.20014 10-9tonne/mm3 , 弹性模量E =4000.34MPa, 泊松比 = 0.4，施加约束使模型左端面固定，该端面6个自由度完全固定，在支架右端两翼施加向下的总载荷为200 N 的均布载荷完成载荷定义后的挂钩如图10所示。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 18 页 共 33 页 图9 尼龙属性图图10 完成参数设置后的理想模型图 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 19 页 共 33 页4 4 挂钩的有限元分析挂钩的有限元分析4.14.1 基本应力分析阶段基本应力分析阶段 Pro/MECHANICA Structure 模块可以模拟真实环境为模型施加约束和载荷, 测算模型的应力、应变、位移参数, 实现静态分析。 在MEC STRUCT 菜单中选择Mechanica Analyses/Studies功能建立、运行静态分析任务，并显示静态分析结果。模型的应力和变形情况如图11、12所示。图 11 模型的应力图 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 20 页 共 33 页图 12 模型的变形图 通过云图可以看到应力和位移变形的分布状况,以及出现的最大值。此时模型的最大应力为 11.67MPa，最大变形为 0.1551mm。分析模型可知，支架长度、宽度、高度及倒圆角的大小对模型应力和质量的大小都有影响，是需要分别研究的设计参数。 同时对模型的应力和变形有限元网格划分如图 13 所示。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 21 页 共 33 页图 13 优化前模型的应力及变形图的网格划分4.24.2 进行模型的灵敏度分析进行模型的灵敏度分析 在建模过程中，当定义的参数发生变化时，必然会对模型性能产生影响。通过灵敏度分析可以确定模型各参数对输出结果影响的大小。在模型优化过程中重点考虑那些对输出结果影响较大的参数，同时排除那些对输出结果影响很小的参数，这会在很大程度上减少模型优化的工作量，从而提高优化设计的效率。Pro/MECHANICA 在灵敏度分析中提供了局部灵敏度分析（Local Sensitivity Analysis）和全局灵敏度分析（Global Sensitivity Analysis）两种功能。4.2.1 局部灵敏度分析 局部灵敏度分析就是定量分析每个设计参数对模型性能影响的程度, 从而可以确定哪些参数对模型性能影响最大, 即重要的设计参数, 设计优化时作重点考虑。为了确定右侧柱体的长宽高及倒圆角主要设计参数对模型性能的影响程度，就必须 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 22 页 共 33 页进行局部灵敏度分析。横坐标表示模型各尺寸变化，单位为 mm，纵坐标表示模型应力变化，单位为 MPa。局部灵敏度的分析结果如图 14、15、16、17 所示。图14 倒圆角对模型应力的影响曲线图15 长度对模型应力的影响曲线 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 23 页 共 33 页图16 宽度对模型应力的影响曲线 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 24 页 共 33 页图 17 高度对模型应力的影响曲线4.2.2 全局灵敏度分析 全局灵敏度分析就是在局部灵敏度分析出对模型性能影响较大的参数的基础上, 为这些主要设计参数确定用于优化设计的变化范围, 也就是说局部灵敏度分析能准确地描述模型性能对于优化设计的重要设计参数的精度, 确定其合理的参数变化范围, 从而在这些参数的变化范围中寻求最佳设计。通过局部灵敏度分析，确定模型上柱体的长宽高及倒圆角对模型应力影响均较大，是需要进一步研究的参数，因此需要对这四个参数进行全局灵敏度分析。运行结果如图 18、19、20、21 所示。图18 倒圆角对模型应力的影响曲线 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 25 页 共 33 页图19 长度对模型应力的影响曲线图20 宽度对模型应力的影响曲线 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 26 页 共 33 页图21 高度对模型应力的影响曲线 从全局灵敏度分析的结果图中可以更详细的了解到这四个参数变化时模型的最大应力的变化趋势和变化范围。进行最优设计，我们选择模型最大应力为19MPa。通过上述分析可以得出灵敏度分析的一般思路：(1) 进行局部灵敏度分析，确定主要参数对模型性能的影响程度。(2) 对于那些对模型性能影响大的参数，进行全局灵敏度分析。4.34.3 优化设计分析优化设计分析 所谓“优化设计”，指的是一种方案可以满足所有要求，而且所需的支出（如质量、体积、应力、变形和费用等）最小。优化设计包括三个要素：优化目标、优化约束和优化参数。4.3.1 确定支架优化设计的三要素 在支架结构的优化设计中，优化目标是使其质量最小，优化约束为 max =19MPa，结合优化约束和灵敏度分析结果可确定优化参数。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 27 页 共 33 页4.3.2 优化结果分析(1) 对倒圆角的优化分析结果 优化前后模型上倒圆角的半径的取值及模型质量如图22、23所示。优化前倒圆角的半径为8mm，优化后最佳半径为8mm,说明8mm是倒圆角半径的最优值。图22 优化前结果图23 优化前后结果倒圆角优化后模型的应力和变形情况及总应力关系曲线图如图24、25、26。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 28 页 共 33 页图24 优化后应力图图25 优化后变形图 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 29 页 共 33 页图26 倒角优化后模型的总应力关系曲线图(2) 对柱体长度、高度、宽度的优化分析结果 优化前后支架板上长度、高度、宽度取值及模型质量如图20、21所示。优化前长高宽分别为30mm、10mm、10mm，优化后最佳取值为20mm、3.75mm、9.00484mm,优化后支架的重量减少了29.96%。图27 优化前结果 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 30 页 共 33 页图28 优化后结果 柱体的长高宽优化后模型的应力和变形情况及总应力关系曲线图如图29、30、31。图29 优化后的应力图 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 31 页 共 33 页图30 优化后的变形图图31 优化后模型的总应力关系曲线图4.3.3 更新模型参数 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 32 页 共 33 页 选择“分析”菜单中的“Mechanica 设计控制”，在弹出的“Dsgn Controls”菜单上依次单击OptimizeHist/Search Study，在弹出的List 中选择前面建立的优化设计任务，信息窗口中提示“Do you want toreview the next shape?”单击按钮，接着一直单击按钮直到出现提示信息“Leave the modal at theOptimize shape?”后再单击按钮，此时模型更新为优化后的模型。如图32所示。图32 更新后最优的模型 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 33 页 共 33 页结束语 本文以 PRO/E 4.0 为工具，充分利用其中的有限元分析功能。对日常生活中应用最广泛的塑料挂钩进行了深入细致的分析，深刻领会了它的结构体系，设计方法 ，仿真分析。 通过对本课题的研究，熟读并领会了以前关于本课题方向的文献，并学会了使用分析软件 Pro/MECHANICA 来分析研究问题，在 Pro/MECHANICA 环境下，对挂钩模型进行三维设计及仿真分析。内容诸多，主要包括总体方案论证及选择；支架结构方案的初步设计；对零件进行受力、位移等分析；完成支架模型设计;完成对支架模型进行、静态分析、灵敏度分析和优化设计。在满足支架强度条件下，尽量减轻支架的质量，减重效果明显，使支架模型的几何尺寸更加合理、科学，提高了优化设计的效率。由此可见在 Pro/MECHANICA 环境下进行优化设计是一种极其有效的设计方法，对生产实践有着重要指导意义。完成了这个课题以后，使我对所学的专业知识和专业技能有了更深入了解；在指导老师帮助下，通过收集各种有关资料所解决的毕业设计问题，为我即将走上工作岗位，独自去面对各种挑战，出色地完成工作任务打下了一定的基础。 由于本人水平有限，经验少。文中定有许多不妥甚至错误之处，请各位老师给予指正和教导，本人表示深深的谢意。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 34 页 共 33 页致 谢 首先我要感谢我的指导老师张乐莹，在去年选课题的时候，张老师的热情就让我印象非常深刻。我很高兴能可以在老师的指导下开展毕业设计。为我大学四年的学习做一个比较好的总结。从今年 3 月初到 6 月底，经过外文翻译，开题报告，进行设计实验，到完成毕业论文，一步一步都离不开张老师的悉心指导。曾经一段时间，在做设计的攻坚阶段，由于连续好几天的无所进展，我对自己的毕业设计产生了一定的厌烦心理，甚至是畏惧。这时张老师给我讲了很多他以前带出的好学生的例子来激励我，并给我在设计的难点进行了非常详细的讲解，让我茅塞顿开，重拾信心。在课题进行期间，老师对我的课题方向的了解深度与研究深度，严谨而一丝不苟的治学态度，平和而循循善诱的教学态度，不仅在学术课题上给我很深的指导，更是让我了解了很多为人做研究的道理，使我受益匪浅。在此对张老师表达我最诚挚的感谢，感谢这个月来对我的巨大帮助。并祝张老师在今后教学研究中取得更大的成就！ 我再次衷心感谢我的指导老师张乐莹对我的严格要求和对我在设计上的帮助，她在繁忙的工作期间，对我毕业设计的完成付出了大量的心血，多次给我提出深刻而具有指导性的意见，让我能够很好的按时完成毕业设任务。 最后感谢各位评审老师，能够在百忙中抽出时间，对毕业论文提出意见，非常感谢你们的指导！祝你们身体健康，万事如意！ 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 35 页 共 33 页 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 36 页 共 33 页参 考 文 献 1 刘文剑,金天国. 产品自顶向下设计的研究现状及发展方向J计算机集成制造系统,2002 (1)：122 张方瑞UG/ NX入门精解与实战技巧M北京：电子工业出版社，20031133 谭雪松，甘露萍Pro/ENGINEER Wildfire 2.0 中文版基础教程M北京：人民邮电出版社，20064 二代龙震工作室ProMechanismMECHANICA Wildifre2.0机构运动结构热力学分析M北京：电子工业出版社，20065 方建军，刘仕良机械动态仿真与工程分析M北京：化学工业出版社，20046 张继春，徐斌Pro/ENGINEER Wildfire 结构分析M北京：机械工业出版社，20047 黄跃东,刘建雄. Pro/Mechanica的有限元分析应用J. 机电产品开发与创新, 2007, 20(3)：1012.8 田荣,于晓红,苏力. 基于Pro/MECHANICA的灵敏度分析与结构优化设计J. 机电产品开发与创新, 2007,20(5)：1315.9 万启超，魏田ProENGINEER Wildifre3.0结构热运动分析基础与典型范例M北京：电子工业出版社，200610 吕金明，彭澎，曾辉藩. Pro/MECHANICA环境下的管道支架优化设计 J昆明冶金高等专科学校学报，2007，23(1)：394311 谭加才, 易际明基于Pro/MECHANICA的机构运动仿真及应用 J组合机床与自动化加工技术，2004，10(3)：10410512 葛正浩，杨芙莲编著机械结构有限元分析M北京：化学工业出版社，2008213013 石磊,郝点,吴广宇. 基于Pro/MECHANICA环境的机械结构分析及优化设计J. 机械, 2007, 34(9)：2325.14 孙江宏,黄小龙,高宏,等.Pro/E 结构分析与运动仿真Wildfire/2001M.北京:中国铁道出版社, 2004.15 林龙震, 等. Pro /Mechanism /MECHAN ICA 机构/运动/结构/热力分析M . 北京: 电子工业出版社, 2006.09/20 11:46 102 机体齿飞面孔双卧多轴组合机床及 CAD 设计 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 37 页 共 33 页09/08 20:02 3kN 微型装载机设计09/20 15:09 45T 旋挖钻机变幅机构液压缸设计08/30 15:32 5 吨卷扬机设计10/30 17:12 C620 轴拨杆的工艺规程及钻 2-16 孔的钻床夹具设计09/21 13:39 CA6140 车床拨叉零件的机械加工工艺规程及夹具设计 83100308/30 15:37 CPU 风扇后盖的注塑模具设计09/20 16:19 GDC956160 工业对辊成型机设计08/30 15:45 LS 型螺旋输送机的设计10/07 23:43 LS 型螺旋输送机设计09/20 16:23 P-90B 型耙斗式装载机设计09/08 20:17 PE10 自行车无级变速器设计10/07 09:23 话机机座下壳模具的设计与制造09/08 20:20 T108 吨自卸车拐轴的断裂原因分析及优化设计09/21 13:39 X-Y 型数控铣床工作台的设计09/08 20:25 YD5141SYZ 后压缩式垃圾车的上装箱体设计10/07 09:20 ZH1115W 柴油机气缸体三面粗镗组合机床总体及左主轴箱设计09/21 15:34 ZXT-06 型多臂机凸轮轴加工工艺及工装设计10/30 16:04 三孔连杆零件的工艺规程及钻 35H6 孔的夹具设计08/30 17:57 三层货运电梯曳引机及传动系统设计10/29 14:08 上盖的工工艺规程及钻 6-4.5 孔的夹具设计10/04 13:45 五吨单头液压放料机的设计10/04 13:44 五吨单头液压放料机设计09/09 23:40 仪表外壳塑料模设计09/08 20:57 传动盖冲压工艺制定及冲孔模具设计09/08 21:00 传动系统测绘与分析设计10/07 23:46 保护罩模具结构设计09/20 15:30 保鲜膜机设计10/04 14:35 减速箱体数控加工工艺设计10/04 13:20 凿岩钎具钎尾的热处理工艺探索设计09/08 21:33 分离爪工艺规程和工艺装备设计10/30 15:26 制定左摆动杠杆的工工艺规程及钻 12 孔的夹具设计10/29 14:03 前盖板零件的工艺规程及钻 8-M16 深 29 孔的工装夹具设计10/07 08:44 加油机油枪手柄护套模具设计09/20 15:17 加热缸体注塑模设计10/07 09:17 动模底板零件的工艺规程及钻 52 孔的工装夹具设计10/08 20:23 包缝机机体钻孔组合机床总体及夹具设计09/21 15:19 升板机前后辅机的设计09/09 22:17 升降式止回阀的设计09/22 18:52 升降杆轴承座的夹具工艺规程及夹具设计09/09 16:41 升降杠杆轴承座零件的工艺规程及夹具设计08/30 15:59 半自动锁盖机的设计（包装机机械设计）08/30 15:57 半轴零件的机械加工工艺及夹具设计10/29 13:31 半轴零件钻 6-14 孔的工装夹具设计图纸09/26 13:53 单吊杆式镀板系统设计 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 38 页 共 33 页08/30 16:20 单级齿轮减速器模型优化设计08/30 16:24 单绳缠绕式提升机的设计09/09 23:08 卧式加工中心自动换刀机械手设计09/08 22:10 厚板扎机轴承系统设计09/18 20:56 叉杆零件的加工工艺规程及加工孔 20 的专用夹具设计08/30 19:32 双卧轴混凝土搅拌机机械部分设计09/09 22:33 双模轮胎硫化机机械手控制系统设计09/09 22:32 双辊驱动五辊冷轧机设计09/08 20:36 变位器工装设计-0.1t 普通座式焊接变位机09/28 16:50 叠层式物体制造快速成型机机械系统设计09/08 22:41 可急回抽油机速度分析及机械系统设计09/08 22:42 可移动的墙设计及三维建模10/04 13:25 右出线轴钻 2-8 夹具设计10/04 13:23 右出线轴钻 6-6 夹具设计09/08 22:36 咖啡杯盖注塑模具设计10/07 08:33 咖啡粉枕式包装机总体设计及横封切断装置设计09/09 16:15 啤酒贴标机的设计（总体和后标部分的设计）10/29 13:58 喷油泵体零件的工艺规程及钻 14 通孔的工装夹具设计08/30 19:39 四工位的卧式组合机床设计及其控制系统设计09/21 13:39 四方罩模具设计08/30 19:42 四组调料盒注塑模具设计10/07 23:55 固定座的注塑模具设计09/09 23:52 圆柱坐标型工业机器人设计09/09 23:48 圆珠笔管注塑模工艺及模具设计10/13 16:36 圆盘剪切机设计09/21 13:25 基于 PLC 变频调速技术的供暖锅炉控制系统设计09/08 22:20 基于 pro-E 的减速器箱体造型和数控加工自动编程设计08/30 18:00 基于 PROE 的果蔬篮注塑模具设计08/30 19:37 基于 UG 的 TGSS-50 型水平刮板输送机-机头段设计09/21 15:16 塑料油壶盖模具设计09/09 22:41 塑料胶卷盒注射模设计10/07 09:25 多功能推车梯子的设计09/08 21:25 多功能齿轮实验台的设计08/30 16:32 多层板连续排版方法及基于控制系统设计08/30 16:30 多层板连续排版方法毕业设计08/30 16:42 多用角架搁板的注塑模具设计及其仿真加工设计08/30 16:39 多绳摩擦式提升机的设计09/08 21:05 大型矿用自卸车静液压传动系统设计09/20 16:27 大型耙斗装岩机设计09/08 21:01 大批生产的汽车变速器左侧盖加工工艺及指定工序夹具设计10/30 15:42 套筒的机械加工工艺规程及攻 6-M8-6H 深 10 的夹具设计10/30 15:38 套筒的机械加工工艺规程及钻 40H7 孔的夹具设计10/29 14:13 套筒零件的工艺规程及钻 3-10 孔的工装夹具设计