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本科毕业设计说明书(论文)第I页共36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......................................................................................................21.3PRO/ENGINEER软件介..........................................................................................31.4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........................................................................................52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...........................................................................................82.3有限元分析模型的建立及结果分析.......................................................................82.4PRO/MECHANICA中有限元分析的工作流程............................................................93主要零部件建模........................................................................................................113.1挂钩的三维建模.....................................................................................................113.2理想化模型的建摸.................................................................................................124挂钩的有限元分析....................................................................................................174.1基本应力分析阶段.................................................................................................174.2进行模型的灵敏度分析.........................................................................................194.3优化设计分析.........................................................................................................24结束语..............................................................................................................................31致谢..................................................................................................................................32参考文献..........................................................................................................................33本科毕业设计说明书(论文)第1页共33页1引言1.1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。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本科毕业设计说明书(论文)第2页共33页行业的各个领域。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Pro/Engineer、Solidworks、Alias、UG、IDEAS等。1.2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。1EDSUGUG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(UGScenario)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。2SOLIDEDGESolidEdge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。SolidEdge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SolidEdge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,从简单本科毕业设计说明书(论文)第3页共33页零件到包含上万个部零件的大型装配件。3CATIAComputerAidedThreeTwoDimensionalInteractionApplicationSystem,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(DassaultSystems)正式发布第一个版本即CATIAV5R1(CATIAVersion5Release1)以来,平均每年发布23个版本,到2003年4月发布的CATIAV5R11(CATIAVersion5Release11),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WindowsNT环境,99以上的用户界面图标采用MSOffice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。CATIAV5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。4PRO/ENGINEERPro/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。1.3PRO/ENGINEER软件介绍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/ENGINEERWILDFIRE3.0。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。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本科毕业设计说明书(论文)第4页共33页某一处进行的修改,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。1.3.1Pro/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/MECHANICA就利用参数化工具的优点对几何本科毕业设计说明书(论文)第5页共33页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/ENGINEERPro/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MechanismDesignExtensionMDX和Pro/MECHANICAPro/M。1.4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WynneHsu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。1.5优化设计工作流程及简介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60~70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,作为产品开发本科毕业设计说明书(论文)第6页共33页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。是否图1优化设计流程图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
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liyun上传于2013-11-21

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