结构零件仿真分析及孔型的优化设计小论文.doc

1结构零件仿真分析及孔型的优化设计摘要本论文根据毕业设计的要求和工程实际的需要完成了结构零件仿真分析及孔型的优化设计。介绍了有限元分析模块Pro/MECHANICA和Pro/MECHANICAStructure结构分析模块进行有限元分析的工作流程。采用Pro/E的软件分析模块ProMECHANICA对支架进行静力分析、灵敏度分析和优化设计。对其仿真分析后可以做到用料最省的同时强度等机械性能仍能达到规定的标准，对于大批量生产来说，能够大大降低生产成本，顺利完成了结构零件仿真分析及孔型的优化设计所要求的各项工作。关键字Pro/MECHANICA有限元分析优化设计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1。公司选择最优的设计方案是希望能以最少的投资能给公司带来巨大的利润空间。例如聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）这种塑料材质，“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。如何节省材料降低成本呢？这就涉及到了结构设计优化的问题。ProMECHANICA能对Pro/E中建立的零件进行灵敏度分析和优化设计。毕业设计中的支架是一种广泛应用于建筑、电力、汽车等行业的支撑类零件,对支架进行静力分析、灵敏度分析、优化设计。最后得出最优数据，能在满足支架强度要求的情况下，达到节省材料、降低成本的目的，对实际生产有重要的指导意义。1ProMECHANICA2美国PTC公司推出的ProMECHANICA可以完全实现几何建模和结构分析的无缝集成2。用户在ProE环境下完成零件的几何建模后，无需退出设计环境就能进行结构分析，这是目前绝大多数软件所不能做到的。在此之前，机械设计工程师进行分析时，首先需要使用几何建模功能强的软件进行建模，然后利用IGES或者STEP格式将数据导入其它分析软件进行分析。在这种情况下，最大弊端是数据的丢失，分析人员常常需要花费大量的时间和精力进行几何模型的修复。使用ProMECHANICA恰好可以克服这一点，该软件可以直接利用Pro/ENGINEER的几何模型进行有限元分析。因此，ProMECHANICA可以让结构工程师将精力集中在设计，在设计初期就能因为结合了分析，从而缩短了整个设计周期并降低开发费用。此外利用ProMECHANICA还可以进行模型的灵敏度分析和优化设计,具体地说，当模型的一个或多个参数在一定范围内变化时，可以求解出满足给定设计（如质量小，应力最小等）的最佳几何模型，可以进行设计产品的灵敏度分析和优化设计任务，完善产品设计。1.1ProMECHANICA模块简介ProMECHANICA是PTC公司强大的有限元软件，其主要模块可以分为以下3个部分。（1)ProMECHANICAStructure：结构分析模块，可以进行机械零件、汽车结构、桥梁和航空结构等的结构分析和优化设计。它能够完成的分析种类有静态分析、模态分析、屈曲分析、疲劳分析、非线性大变形分析等3。（2)ProMECHANICAThermal：温度分析模块，可以进行零件的稳态和瞬态温度场分析。其分析数据可以返回到结构分析模块，进行灵敏度分析和优化设计。（3）ProMECHANICAMotion：运动分析模块，可以进行机构的运动学分析、动力学分析、三维静态分析、逆向动力学分析及干涉检验分析等。1.2ProMECHANICAStructure模块简介ProMECHANICAStructure是集静态、动态结构分析于一体有限元分析模块。通过指定设计参数，能够在给出变化范围内进行灵敏度分析，并借助优化分析为模型寻找到最佳参数。在设计阶段就对设计模型进行优化，及时发现错误，提高产品设计质量，降低设计成本。3它的设计研究种类主要有三种：标准分析（Standard）、灵敏度分析（Sensitivity）和优化设计分析（Optimization）4。概括的说，ProMECHANICAStructure模块的分析任务为两类，第一类为设计验证或设计校核，例如进行设计模型的应力应变检验，和其他有限元分析软件一样，须通过创建几何模型、简化模型、设定单位和材料属性、定义约束、定义载荷、定义分析任务、运行分析、显示评价计算结果这样的工作流程；第二类为模型的设计优化，这是ProMECHANICA区别其他有限元软件最显著的特征。它的工作流程图如图1所示5。图1ProMECHANICA优化设计工作流程图2基于ProMECHANICA环境下的支架模型优化设计本课题拟研究一种适合于工程应用、低成本、重量轻的支架，对其进行有限元分析和优化设计对实际生产有重要的指导意义。2.1有限元模型的建立在对支架进行有限元分析时,首先要建立精确的几何模型,此项工作在Pro/ENGINEER中进行。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。建立好的简化支架模型如图2所示。设定单位和材料属性定义约束、载荷定义设计参数运行灵敏度分析运行优化设计根据结果改变模型创建几何模型4图2支架模型图进入ProMECHANICA模块的结构分析主界面6。将模型材料设置为Q235，它是一种常用的碳素结构钢。这种材质的屈服值在235MPa左右，并会随着材质的厚度的增加而使其屈服值减小。其密度为q=7.86×10-9tonne/mm3,弹性模量E=206000N/mm2,泊松比=0.3，施加约束使模型左端面固定，该端面6个自由度完全固定，在支架右端圆孔内表面施加向下的总载荷为5000N的均布载荷。完成载荷定义后的支架模型如图3所示。图3完成参数设置后的支架模型图2.2支架的静力分析运行静力分析任务如图4所示，并显示静力分析结果。