jx0419-结构零件仿真分析及孔型的优化设计带cad图和文档
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结构零件仿真分析及孔型的优化设计机械工程及自动化 徐有才指 导 老 师 张乐莹摘要 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/MECHANICA Structure 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。1 ProMECHANICA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。1.1 ProMECHANICA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) ProMECHANICA Structure：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) ProMECHANICA Thermal：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）ProMECHANICA Motion：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。1.2 ProMECHANICA Structure模块简介ProMECHANICA Structure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。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，ProMECHANICA Structure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。创建几何模型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图1 ProMECHANICA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。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= 7.8610-9tonne/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5000 N 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。图4 运行静力分析任务结果从图4静力分析结果中可知最大应力为186.3373MPa，最大变形为0.1183868mm。支架模型的应力云图如图5所示和变形云图如图6所示。在该图5、6中, 颜色从蓝色呈梯度变化到红色, 红色表示应力较大或者变形较大的位置, 蓝色表示应力较小或者变形较小的位置。图5 优化前模型的应力云图图6 优化前模型的变形云图通过云图可以看到应力和位移变形的分布状况,以及出现最大值的位置。此时模型的最大应力为186.3MPa，最大变形为0.1184mm。分析模型可知，在支架长度、左端高度及右端孔位置等参数一定的情况下，支架板左端孔的直径或悬臂厚度对模型应力和质量的大小有影响，是需要研究的设计参数。2.3 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7。ProMECHANICA 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。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。为了确定支架的主要设计参数对模型性能的影响程度，就必须进行局部灵敏度分析。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8。通过局部灵敏度分析，确定支架模型支架上左端孔的直径对模型应力影响较大，是需要进一步研究的参数，因此需要对这个参数进行全局灵敏度分析。定义参数Hole_Dia的变化范围为3.175mm46mm, 分析运算后准确确定了左端孔的直径尺寸变化时对支架应力的影响程度,显示分析结果如图7所示。图7 模型应力随设计参数Hole_Dia的变化曲线图全局灵敏度分析结果图中可以更详细的了解到Hole_Dia这个参数变化时支架模型的最大应力的变化趋势和变化范围。从图7中可知，当定位尺寸大于42mm时，可以看出图形的大致走向。随着Hole-Dia的增大，应力也随着迅速增大。且模型的最大应力已经大于200MPa，而且当定位尺寸小于33mm时，应力趋于平稳化，梯度变化比较小，留出设计余量，进行最优设计，我们选择模型最大应力为200MPa。2.4 模型优化设计分析所谓“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9。优化设计包括三个要素：优化目标、优化约束和优化参数。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 =200MPa，确定优化参数为支架上左端孔的直径（Hole_Dia）。优化前后支架板上左端孔直径（ Hole_Dia ）的取值及模型质量分别如图8、9所示。图8 优化前运算结果图9 优化后运算结果经过优化分析的整个过程之后，最后给出了最优结果，优化前Hole_Dia的值为38.1mm，优化后Hole_Dia的最优值为42.2512mm。支架的质量减轻了0.0261kg，减重率达0.758%。优化后支架模型的应力和变形云图，如图10、11所示。图10 优化后支架模型的应力云图图11 优化后支架模型的变形云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200MPa，最大变形为0.1325mm。显示设计参数Hole_Dia的优化历史变化曲线图，如图12所示。图12 设计参数Hole_Dia的优化历史变化曲线图对比左端孔径优化前后的应力云图如图13所示。 图13 左端孔径优化前后模型的应力云图图13中左侧图为静力分析时的应力云图，右侧图为优化后的应力云图。从上述分析结果可以看出，优化后的最大应力要大于静力分析时的最大应力，这是因为通过优化，在满足应力条件的前提下，增大了左端孔径尺寸，从而使最大应力比原始值略有增大。对比左端孔径优化前后的变形云图如图14所示。 图14 左端孔径优化前后模型的变形云图图14中左侧图为静力分析时的变形云图，右侧图为优化后的变形云图。从上述分析结果可以看出，优化后的最大变形要大于静力分析时的最大变形，这是因为通过优化增大了孔径尺寸，从而使最大变形比原始值略有增大。最佳化设计研究完成之后，变更模型至最佳化尺寸，然后更新最佳化模型完成优化设计，如图15所示。图15 更新为优化后模型此时模型更新为优化后的模型。Hole_Dia的最优值为42.2512mm及Thickness的最优值为11.5797mm，此时支架的应力高,重量也较轻且没有超过支架的屈服强度，达到对支架进行优化的效果，成功地完成了一个最佳化设计。3 结束语通过此毕业设计，掌握了结构零件优化设计的方法和步骤，并结合具体的结构零件进行了具体的设计工作，论文主要工作有：（1) 确定支架结构初步设计方案。（2) 在Pro/ENGINEER环境下，创建支架三维实体模型。（3) 将其导入ProMECHANICA的结构分析模块中。（4) 对支架进行静力分析，得出应力和变形云图。（5) 在静力分析的基础上，对支架进行灵敏度分析，得出设计参数随模型应力变化的曲线图，确定影响程度较大的优化参数。（6) 在灵敏度分析的基础上，对支架进行优化设计，得出优化应力和变形云图和优化参数的历史曲线图。（7) 更新模型。总之，本设计的目的就是节省材料、降低成本。通过本次毕业设计，加强了我对各项知识的学习深度，更培养了分析问题和解决问题的能力，教会我怎样才能按步骤有条不紊地进行工作。这些为我走上工作岗位奠定了坚实的基础。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方建军，刘仕良机械动态彷真与工程分析M北京：化学工业出版社，20043 张继春，徐斌Pro/ENGINEER Wildfire 结构分析M北京：机械工业出版社，20044 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，20065 吕金明，彭澎，曾辉藩. ProMECHAN
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