作者：北京億特克科技有限公司 謝增團(tuán)
? N]bFW"t| PIFZ '6gn 摘要：本文討論了產(chǎn)品設(shè)計對當(dāng)今處于市場激烈競爭的企業(yè)的意義。重點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程。并且重點強(qiáng)度了分析后的敏感度研究和優(yōu)化設(shè)計研究的應(yīng)用。
QjJlVlp 關(guān)鍵字：Pro/MECHANICA 有限元 產(chǎn)品設(shè)計 分析優(yōu)化
L{&1w 中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A
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/y\'6 rk ,64( 在當(dāng)今市場客戶對產(chǎn)品要求越來越高，競爭日益激烈的情況下，如何研發(fā)設(shè)計出更好的產(chǎn)品，尤其是產(chǎn)品中關(guān)鍵零部件就顯得更為重要，一個好的合理的設(shè)計，既能提升產(chǎn)品的性能，又能節(jié)省成本，對企業(yè)來說是獲得多重效益的。本文就應(yīng)用Pro/E軟件分析功能來改進(jìn)關(guān)鍵零部件的設(shè)計做一探討。
2++$ Ql/ >2}*L"YC 有限元分析是機(jī)械設(shè)計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)計開發(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)計起到很好效果。下面以一個簡單零件為例說明其具體實現(xiàn)過程。實現(xiàn)了幾何建模和有限元分析的無縫集成，并能優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計，提高新產(chǎn)品開發(fā)的效率和可靠性。
GpO@1 C/ cw~G H 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自由度的完全約束。再定義載荷，按產(chǎn)品實際使用時的工況孔受軸承力。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圓周，這是Pro/MECHANICA可以定義的一種載荷類型，其他的對象受力、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象的各種工況。
wT;;B=u}G 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)
GO ][`zZJ] ---- --------------
F/A)2 H_ 1 1.244865e+03
<>-gQ 9 2 2.700293e+03
Kb5} M/8 3 3.070677e+03
/Z#AHfKF 4 7.562682e+03
S*3$1BTl l<sWM$ez 在Pro/MECHANICA 中可以定義多種類型的分析，包括靜態(tài)分析、模態(tài)分析、動態(tài)時域、動態(tài)頻域、沖擊振動、隨機(jī)振動、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，Pro/MECHANICA也有眾多選項可以根據(jù)需要做出各種效果的結(jié)果圖及分析報告。另外，在進(jìn)行上述分析前，我們未討論網(wǎng)格的劃分問題，是因為缺省情況下Pro/MECHANICA會以P單元對模型自動進(jìn)行網(wǎng)格劃分，當(dāng)然我們也可以對網(wǎng)格的劃分方式和控制參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。
l{ fL~O ko!aX;K 在對當(dāng)前的模型做完分析，查看結(jié)果后，如果分析結(jié)果不能滿足產(chǎn)品設(shè)計的要求，Pro/MECHANICA可以對產(chǎn)品進(jìn)行局部/全局敏感度分析和優(yōu)化設(shè)計，確定滿足優(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，必須先正確無誤的運(yùn)行完前面的分析，然后通過指定設(shè)計參數(shù)。定義敏感度研究分析。通過敏感度研究可以得到指定的設(shè)計參數(shù)對分析結(jié)果的影響方向和程度。如下圖分別為零件厚度及應(yīng)力較大處圓角兩個尺寸對最大應(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)計研究，也可以做完分析后直接進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計研究。要執(zhí)行優(yōu)化設(shè)計研究，也必須先正確無誤的運(yùn)行完前面的分析，然后通過指定關(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)計參數(shù)及變化范圍，可以指定多個設(shè)計參數(shù)，并可動態(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。
開始分析時模型取的尺寸如下，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足要求：
M5`m5qc3 thickness 0.5
_ J"J [$ filletrad 0.5
QiRx2Z*\ width 2.5
}gX4dv
B height 2.25
yFFNzw{ bottomrad 0.5
c No)LF Goal:9.0217e-01
{Y]3t9 !\ l~kxK.Ru Status of Optimization Limits:
m]=G73jzO 1. max_disp_mag1.0258e-05 < 9.0000e-06 (VIOLATED)
B]7QOf" 2. max_stress_vm 2.1802e+04 < 1.9000e+04 (VIOLATED)
P8CIKoKCV 3. modal_frequency 1.2444e+03 > 1.3000e+03 (VIOLATED)
ke +\Z>BWN n1+J{EPH 經(jīng)過多步優(yōu)化計算并比較質(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)。我們可以通過應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計研究，軟件自動驅(qū)動模型變化，得到滿足要求的設(shè)計。并且也能通過后處理查看到優(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)。
9@Z++J.^y L`^ v"W() Parameters:
