作者：北京億特克科技有限公司 謝增團(tuán)
r7w&p.? Ld+}T"Z&M> 摘要：本文討論了產(chǎn)品設(shè)計(jì)對(duì)當(dāng)今處于市場(chǎng)激烈競(jìng)爭(zhēng)的企業(yè)的意義。重點(diǎn)從有限元分析的角度，以Pro/MECHANICA分析軟件為例介紹了進(jìn)行有限元分析的基本方法和過(guò)程。并且重點(diǎn)強(qiáng)度了分析后的敏感度研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)研究的應(yīng)用。
X3RpJ#m" ' 關(guān)鍵字：Pro/MECHANICA 有限元 產(chǎn)品設(shè)計(jì) 分析優(yōu)化
n%Nf \z 中圖分類(lèi)號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A
Pi)`[\{ j: ]/AReOL 在當(dāng)今市場(chǎng)客戶(hù)對(duì)產(chǎn)品要求越來(lái)越高，競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的情況下，如何研發(fā)設(shè)計(jì)出更好的產(chǎn)品，尤其是產(chǎn)品中關(guān)鍵零部件就顯得更為重要，一個(gè)好的合理的設(shè)計(jì)，既能提升產(chǎn)品的性能，又能節(jié)省成本，對(duì)企業(yè)來(lái)說(shuō)是獲得多重效益的。本文就應(yīng)用Pro/E軟件分析功能來(lái)改進(jìn)關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)做一探討。
,bJZs-P0 O!/J2SfuDH 有限元分析是機(jī)械設(shè)計(jì)工程師不可缺的重要工具，廣泛應(yīng)用于機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。Pro/E軟件分析模塊Pro/MECHANICA 就是一種即好用又有效的有限元分析軟件。合理的應(yīng)用能給我們的產(chǎn)品設(shè)計(jì)起到很好效果。下面以一個(gè)簡(jiǎn)單零件為例說(shuō)明其具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程。實(shí)現(xiàn)了幾何建模和有限元分析的無(wú)縫集成，并能優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，提高新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的效率和可靠性。
Isoqs(Oi F/@#yQv? 如下圖所示，定義零件的材料屬性，如定義為鋼steel，雙擊即可看到所定義材料的屬性參數(shù)如楊氏模量和泊松比等，也可以按實(shí)際情況進(jìn)行修改編輯。然后定義約束，該零件的上端面為固定六個(gè)自由度的完全約束。再定義載荷，按產(chǎn)品實(shí)際使用時(shí)的工況孔受軸承力。如圖預(yù)覽軸承力為按所指方向最大，然后沿孔向兩邊遞減至半個(gè)圓周，這是Pro/MECHANICA可以定義的一種載荷類(lèi)型，其他的對(duì)象受力、變化載荷、壓力、重力、離心力等都能方便的定義。Pro/MECHANICA中有豐富的理想化模型、約束、載荷等可以描述要分析對(duì)象的各種工況。
[ &R-YQ@ 然后定義我們要進(jìn)行的分析，這里我們定義靜態(tài)分析和模態(tài)分析。在定義靜態(tài)分析時(shí)選擇我們前面定義的約束和載荷，模態(tài)分析選擇約束即可。并且對(duì)定義的分析分別執(zhí)行運(yùn)算，然后查看結(jié)果。如圖2，圖3為靜態(tài)分析的應(yīng)力和變形圖，通過(guò)云圖可以看到應(yīng)力和位移變形的分布狀況，以及出現(xiàn)的最大值。應(yīng)力為max_stress_vm: 2.180201e+04；變形為max_disp_mag: 1.025765e-05。
各階模態(tài)分析的結(jié)果分別Mode Frequency (Hz)
m<"1*d~ ---- --------------
uX`Jc:1q3 1 1.244865e+03
Y@#~8\_ 2 2.700293e+03
!;fkc0&! 3 3.070677e+03
\]y$[\F> 4 7.562682e+03
m}F1sRkdQ $@Hw DRP 在Pro/MECHANICA 中可以定義多種類(lèi)型的分析，包括靜態(tài)分析、模態(tài)分析、動(dòng)態(tài)時(shí)域、動(dòng)態(tài)頻域、沖擊振動(dòng)、隨機(jī)振動(dòng)、預(yù)緊力靜、模態(tài)分析及疲勞分析等。在定義后處理查看運(yùn)行結(jié)果時(shí)，Pro/MECHANICA也有眾多選項(xiàng)可以根據(jù)需要做出各種效果的結(jié)果圖及分析報(bào)告。另外，在進(jìn)行上述分析前，我們未討論網(wǎng)格的劃分問(wèn)題，是因?yàn)槿笔∏闆r下Pro/MECHANICA會(huì)以P單元對(duì)模型自動(dòng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，當(dāng)然我們也可以對(duì)網(wǎng)格的劃分方式和控制參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。
f N t 8]2S'm xE 在對(duì)當(dāng)前的模型做完分析，查看結(jié)果后，如果分析結(jié)果不能滿(mǎn)足產(chǎn)品設(shè)計(jì)的要求，Pro/MECHANICA可以對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行局部/全局敏感度分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定滿(mǎn)足優(yōu)化目標(biāo)的模型。所謂敏感度分析就是可以分析研究結(jié)構(gòu)尺寸或參數(shù)對(duì)上述分析結(jié)果的影響。所以要執(zhí)行敏感度研究，必須先正確無(wú)誤的運(yùn)行完前面的分析，然后通過(guò)指定設(shè)計(jì)參數(shù)。定義敏感度研究分析。通過(guò)敏感度研究可以得到指定的設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)分析結(jié)果的影響方向和程度。如下圖分別為零件厚度及應(yīng)力較大處圓角兩個(gè)尺寸對(duì)最大應(yīng)力、最大變形及一、二階模態(tài)的影響。
在做完敏感度分析后，再進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，也可以做完分析后直接進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。要執(zhí)行優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，也必須先正確無(wú)誤的運(yùn)行完前面的分析，然后通過(guò)指定關(guān)心的結(jié)果和值，包括指定最小化質(zhì)量等定義。然后定義可變的設(shè)計(jì)參數(shù)及變化范圍，可以指定多個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)，并可動(dòng)態(tài)預(yù)覽模型的變化情況。如本例最大應(yīng)力為max_stress_vm: 2.180201e+04；最大變形為max_disp_mag: 1.025765e-05；一階模態(tài)頻率為1.244865e+03。如果我們的產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求最大應(yīng)力小于 1.9e+04；最大變形小于 9e-06；一階模態(tài)頻率大于1.3e+03，并且希望零件的質(zhì)量越小越好。同時(shí)我們定義好零件可變的尺寸參數(shù)及變化范圍。所有定義如下圖所示。
開(kāi)始分析時(shí)模型取的尺寸如下，即模型的原始尺寸，分析得出的最大應(yīng)力、最大變形和頻率都不滿(mǎn)足要求：
0g`W Re thickness 0.5
#4d 0/28b filletrad 0.5
!BK^5,4?-- width 2.5
C "hc.A&4 height 2.25
VW bgusxJ bottomrad 0.5
h2uO+qEsu Goal:9.0217e-01
/mqEc9sq, nQ /(*d Status of Optimization Limits:
q(a6@6f"kD 1. max_disp_mag1.0258e-05 < 9.0000e-06 (VIOLATED)
;k!Ej-( 2. max_stress_vm 2.1802e+04 < 1.9000e+04 (VIOLATED)
b4,yLVi<T 3. modal_frequency 1.2444e+03 > 1.3000e+03 (VIOLATED)
V3F2Z_VH2 B>9D@fmzs 經(jīng)過(guò)多步優(yōu)化計(jì)算并比較質(zhì)量最小最后得到有關(guān)尺寸參數(shù)如下，最后的分析結(jié)果也是在要求的范圍內(nèi)。我們可以通過(guò)應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，軟件自動(dòng)驅(qū)動(dòng)模型變化，得到滿(mǎn)足要求的設(shè)計(jì)。并且也能通過(guò)后處理查看到優(yōu)化后模型的分析結(jié)果。如下圖。云圖中也能看到最大應(yīng)力和最大變形在我們給定的范圍內(nèi)。
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