毕业设计（论文）-机车机械制动系统结构设计及有限元分析.doc

毕毕 业业 设设 计计 题 目：_ 机车机械制动系统结构设计及有限元分析 _ 院：_ _应用技术学院_ 专业：机械设计制造及其自动化 班级：0782 学号：200713090217 学生姓名：_唐 伟_ 导师姓名：_王_高_升_ 完成日期：_ _2011 年 6 月 10 日 _ 诚 信 声 明 本人声明： 1、本人所呈交的毕业设计（论文）是在老师指导下进行的研 究工作及取得的研究成果； 2、据查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业 设计（论文）中不包含其他人已经公开发表过的研究成果，也不包 含为获得其他教育机构的学位而使用过的材料； 3、我承诺，本人提交的毕业设计（论文）中的所有内容均真 实、可信。 作者签名： 日期： 年 月 日 毕毕业业 设设计计 任任务务书书 题目： 机车机械制动系统结构设计及有限元分析 姓名 唐伟 学院 应院 专业 机械设计制造及自动化 班级 0782 学号 200713090217 指导老师 王高升 职称 教研室主任 一、基本任务及要求： 1.查阅机车制动系统结构设计及有限元分析相关文献 15 篇以上，分析机车制动系统的现状,并写 出文献综述、开题报告。 2.分析制动系统工作特点和方式 3.设计机械制动系统结构并对主要零件进行计算分析 4. 建立制动系统三维模型、装配模型 5.建立制动系统虚拟样机 6.进行制动系统主要零件有限元分析，并进行结构优化，分析失效形式和原因 7.撰写毕业论文，字数 15000 以上。 二、进度安排及完成时间： 3.43.10：熟悉课题、查阅文献资料 3.113.24：撰写文献综述、开题报告 4.14.15：分析制动系统工作特点和方式 4.164.20：设计机械制动系统结构并对主要零件进行计算分析 4.215.11：建立制动系统三维模型，装配模型 （4 月份完成毕业实习） 5.125.19：建立制动系统虚拟样机模型 5.205.27：进行制动系统主要零件有限元分析，并进行结构优化，分析失效形式和原因 5.286.5：撰写毕业论文 6.66.9: 上交毕业论文，并根据评阅意见进行修改 6.76.14：毕业答辩 II 目目 录录 摘要 .1 ABSTRACT.3 第 1 章 绪 论 .1 1.1 引言 .1 1.2 设计背景与意义.1 1.3 机械制动系统的历史.2 1.4 机械制动系统的现状及发展趋势.2 1.4.1 机械制动系统的现状 .2 1.4.2 现代机车制动系统的发展趋势 .3 1.5 机车机械制动系统未来研究方向 .3 第 2 章 机车机械制动系统结构和主要零件设计计算 .4 2.1 单动型机车制动系统结构设计.4 2.1.1 设计前提条件.4 2.1.2 制动系统原理及要求 .4 2.1.3 制动性能评价指标.4 2.2 计算主要零件.5 2.2.1 设计参数的选定及应满足的要求.5 2.2.2 制动过程运动分析.5 2.2.3 制动系统的静力分析.5 2.2.4 机车制动力计算.6 2.3 主要零部件的计算分析 .7 2.3.1 制动杆和丝杆轴的选材及尺寸.7 2.3.2 闸瓦的结构选择.7 2.3.3 闸瓦的材料选择及技术要求 .8 第 3 章 建立系统三维模型 .11 3.1 三维建模软件 UG 的简介.11 3.2 三维建模软件 UG 的发展.11 3.2 机械制动系统的三维建模.12 III 3.2.1 拉杆的建模 .12 3.2.2 连杆的建模 .14 3.2.3 制动板的建模 .15 3.2.4 均衡梁的建模 .16 3.2.5 机械制动系统装配模型与虚拟样机模型 .16 第 4 章 系统主要零件有限元分析 .20 4.1 有限元概述.18 4.1.1 有限元分析特点.19 4.1.2 有限元法发展概况 .19 4.1.3 有限元分析的步骤.20 4.2 有限元分析过程 .21 4.3 结构优化，分析失效形式和原因 .21 4.3.1 失效的概念与形式.21 4.3.2 零件失效的原因及分析.22 4.3.3 主要零件的有限元分析.23 参考文献 .34 致 谢 .35 2 机车机械制动系统结构设计及有限元分析机车机械制动系统结构设计及有限元分析 摘要：课题以某机车为参考车型，运用 CAD 建模技术及有限元分析方法对机车机械制 动系统的执行机构进行了设计研究。首先对机车机械制动系统执行机构各零部件进行 设计计算，然后根据设计计算结果，在 UG 中建立其 CAD 模型，最后对主要零部件进 行有限元分析。同时，也对零件失效的形式和原因进行了分析。 关键词：机械制动系统；执行机构；有限元分析 3 Locomotive Mechanical Brake System Design and Finite Element Analysis Abstract:This paper refers to one locomotive model and studied Mechanical Braking system on the basis of CAD model technology and Finite element anlysis. First, the locomotive brake system actuator mechanical design of the components calculated, then according to the design calculations, in the UG CAD model to build its last, the finite element analysis of main components. Also in the form of component failure and the reasons were analyzed. Keywords: Mechanical Braking system; Implementing agency; Finite element anlysis 1 第第 1 1 章章 绪绪 论论 1.1 引言 电机车是我国主要的矿山运输机械，其制动装置有机械制动和电气制动2种。电气 制动是利用控制器改变电气线路进行制动，属于能耗制动；机械制动是利用制动器进 行制动。目前矿用电机车一般采用手动闸轮操作的闸瓦制动和电气动力制动装置，有 的也采用压气制动装置。但由于电气制动在停车制动时不能使机车完全停止，因此除 小型电机车外每台机车上都应装有机械制动装置。 安全规程规定，列车制动距离最大不得超过30m，这里的制动距离指的是从司 机开始制动到列车完全停止运行的距离。目前国内广泛应用的ZK一7型和ZK一10型架 线式电机车，其运行速度约为165 kmh，手动机械制动空行程时间按3 s计，则其制 动空行程约为14 m。实际允许制动距离，按规定的制动距离减去制动空行程距离计算， 仅为26 m。如果再考虑牵引温升，对列车实际运行速度限制更高。实际情况表明制 动技术已经成为限制电机车运输能力的急待解决的问题1。 1.2 设计背景与意义 机车制动系统伴随着机车工业迅速的发展，车辆制动的安全性能越来越高。目前 大部分机车的制动系统是采用主动的控制方式，这种制动的方式在机车行驶是处于正 常状态下是完全可靠的。但是，突然出现危险或判断失误时，机车就可能会发生意想 不到的交通事故。随着科学的发展，人们从正反方面的经验教训中认识到人机系统协 调关系的重要性，并使研究工作得以强化限随着近几年来国民经济的发展，人们不但 关注车的外型和整体性能，同时，也十分关注车辆行驶的安全性和方便性问题。从我 国高速公路上发生的大量事故的统计分析结果发现：由于车辆本身的技术问题导致交 通事故发生的已约达到 30左右。而其中主要诱因是车辆制动性能不足或制动操作不 当等而导致的车辆追尾、制动跑偏、甩尾等恶性交通事故。由此可见，改进车辆制动 性能、提高车辆制动系统的恒定性以及改进车辆制动系统的人机操作环境有很强的现 实意义，可以切实提高车辆行驶的安全性和方便性，减少由于车辆原因而导致的交通 事故的发生概率。随着人们对车辆制动性能影响车辆安全性的意识的提高，以及电子 技术的发展，车辆制动系统也历经了数次变迁和改进。近年来，机车机械制动系统作 为制动系统的发展方向，已经成为国内外研究的热点之一。 2 1.3 机械制动系统的历史 最原始的制动控制只是驾驶员操纵一组简单的机械装置向制动器施加作用力，这 时的车辆的质量比较小，速度比较低，机械制动虽已满足车辆制动的需要，但随着机 车自质量的增加，助力装置对机械制动器来说已显得十分必要。这时，开始出现真空 助力装置。1932 年生产的质量为 2860kg 的凯迪拉克 V16 车四轮采用直径 419.1mm 的鼓 式制动器，并有制动踏板控制的真空助力装置。林肯公司也于 1932 年推出 V12 轿车， 该车采用通过四根软索控制真空加力器的鼓式制动器。 随着科学技术的发展及汽车工业的发展，尤其是军用车辆及军用技术的发展，车 辆制动有了新的突破，液压制动是继机械制动后的又一重大革新。Duesenberg Eight 车率先使用了轿车液压制动器。克莱斯勒的四轮液压制动器于 1924 年问世。通用和福 特分别于 1934 年和 1939 年采用了液压制动技术。到 20 世纪 50 年代，液压助力制动 器才成为现实2.3。 1.4 机械制动系统的现状及发展趋势 1.4.11.4.1 机械制动系统的现状机械制动系统的现状 当考虑基本的制动功能量，液压操纵仍然是最可靠、最经济的方法。即使增加了 防抱制动(ABS)功能后，传统的“油液制动系统”仍然占有优势地位。但是就复杂性和 经济性而言，增加的牵引力控制、车辆稳定性控制和一些正在考虑用于“智能汽车” 的新技术使基本的制动器显得微不足道。 传统的制动控制系统只做一样事情，即均匀分配油液压力。当制动踏板踏下时， 主缸就将等量的油液送到通往每个制动器的管路，并通过一个比例阀使前后平衡。而 ABS或其他一种制动干预系统则按照每个制动器的需要时对油液压力进行调节。 目前，车辆防抱制动控制系统(ABS)已发展成为成熟的产品，并在各种车辆上得到 了广泛的应用，但是这些产品基本都是基于车轮加、减速门限及参考滑移率方法设计 的。方法虽然简单实用，但是其调试比较困难，不同的车辆需要不同的匹配技术，在 许多不同的道路上加以验证；从理论上来说，整个控制过程车轮滑移率不是保持在最 佳滑移率上，并未达到最佳的制动效果。 另外，由于编制逻辑门限ABS有许多局限性，所以近年来在ABS的基础上发展了车 辆动力学控制系统(VDC)。结合动力学控制的最佳ABS是以滑移率为控制目标的ABS，它 是以连续量控制形式，使制动过程中保持最佳的、稳定的滑移率，理论上是一种理想 的ABS控制系统4.5.6。 3 1.4.21.4.2 现代机车制动系统的发展趋势现代机车制动系统的发展趋势 现代机车制动系统的发展趋势摘要：从机车诞生时起，车辆制动系统在车辆的安 全方面就扮演着至关重要的角色。近年来，随着车辆技术的进步和机车行驶速度的提 高，这种重要性表现得越来越明显。众多的机车工程师在改进机车制动性能的研究中 倾注了大量的心血。目前关于机车制动的研究主要集中在制动控制方面。 经过了一百多年的发展，机车制动系统的形式已经基本固定下来。随着电子，特 别是大规模、超大规模集成电路的发展，机车制动系统的形式也将发生变化。如凯西- 海斯(K-H)公司在一辆实验车上安装了一种电-液(EH)制动系统，该系统彻底改变了制 动器的操作机理。通过采用 4 个比例阀和电力电子控制装置，K-H 公司的 EBM 就能考虑 到基本制动、ABS、牵引力控制、巡航控制制动干预等情况，而不需另外增加任何一种 附加装置。EBM 系统潜在的优点是比标准制动器能更加有效地分配基本制动力，从而使 制动距离缩短 5%。一种完全无油液、完全的电路制动 BBW （Brake-By-Wire)的开发使 传统的液压制动装置成为历史7 。 1.5 机车机械制动系统未来研究方向 作为全新的制动系统，机车防抱制动系统给机车带来了巨大变革，推动了机车智 能化控制的发展。为了加快机车机械制动系统发展和普及，未来机车机械制动系统的 研究将主要集中在以下几个方面： (1)制动系统的失效处理。需要一个备用制动控制系统保证制动安全； (2)系统容错的控制。车辆运行过程中会有各种各样的干扰信号，如何消除这些干 扰信号造成的影响，保证机车机械制动系统的安全性和可靠性，是需要解决的重要问 题： (3)电机的设计。对电机可靠性要求较高，而且机构必须小巧紧凑、易于安装布置， 能在各种恶劣的条件下可靠地工作； (4)机电一体化的集成。对于机车机械制动系统执行机构的研究已经有几家公司提 出了设计方案，目前的执行机构中机械零件较多、结构复杂。如何有效的增大转矩、 保证机构自动调节制动间隙、使结构小巧而且可靠，是设计中要考虑的问题； (5)驱动能源。采用全电制动控制系统，需要较多的电能，机车机械制动系统的应 用有赖于未来的大电压车载电源； (6)降低系统的使用成本也是要解决的问题8。 4 第 2 章 机车机械制动系统结构和主要零件设计计算 2.1 单动型机车制动系统结构设计 2.1.12.1.1 设计前提条件设计前提条件 （1）机车参数 车箱尺寸(长宽高)：28301100770，轴距为 1100mm，轮胎尺寸为 680mm。 （2）法规适应性 决定制动系统、构造和参数的最低要求是适合指定的法规。 根据上述两项最基本的前提条件，再加上市场的需求、使用条件等确定设计方案。 2.1.22.1.2 制动系统原理及要求制动系统原理及要求 制动系统主要由手轮、丝杆、连杆、杠杆，闸瓦等组成。机械制动是指通过司机 操作制动手轮实施电机车的制动和缓解（顺时针旋动手轮为制动，逆时针旋动手轮为 缓解。 ） 。当转动手轮时，手轮带动制动丝杆螺母副的丝杆旋转，丝杆旋转使螺母产生 直线运动，带动制动拉杆及制动杠杆动作，使制动闸瓦对车轮产生压力，从而使车轮 与闸瓦之间产生摩擦制动力，从而使电机车减速或停车。基础制动的四块闸瓦通过制 动杠杆之间的联接器来平衡闸瓦之间的压力，使电机车的四块闸瓦压力基本一致，同 时，联接器用于调节制动闸瓦与车轮的间隙，从而保证基础制动的可靠工作。 当制动缓解时，应根据闸瓦磨损程度经常调整联接器，使其保持闸瓦与车轮的间 隙为 2 mm3 mm，以获得最大制动效果。当手轮处于制动位置时，四块闸瓦均应与 车轮紧密贴合，并具有足够的正压力。当闸瓦厚度小于 10 mm 时，应更换新闸瓦。更 换新闸瓦后，相应调整同心和间隙。闸瓦和车轮踏面尽量处于同心位置，若偏移太大， 可调整弹簧。制动装置应经常检查：除去泥污、丝杆、销子、轴承等处常添加润滑油， 发现磨损严重的部件需及时更换，严禁凑合工作9。 2.1.32.1.3 制动性能评价指标制动性能评价指标 (1)制动效能，即制动距离与制动减速度。 (2)制动效能的恒定性，即抗热衰退性能。 (3)制动时机车的方向稳定性，即制动时机车不发生跑偏、侧滑以及失去转向能力 5 的性能10。 2.2 计算主要零件 2.2.12.2.1 设计参数的选定及应满足的要求设计参数的选定及应满足的要求 机车粘重：8t 车轮滚动圆直径：680mm 最小牵引速度为： 6.5km/h 最大牵引速度为：19.5km/h 制动距离：12m 2.2.22.2.2 制动过程运动分析制动过程运动分析 根据已知条件： 电机车的制动距离： a V S 2 2 制动速度： atV 式中：a：制动加速度， 2 sm t: 减速制动时间，s 表表 2.12.1 制动距离制动距离 根据国家的有关标准和法规对电机车制动系统的规定。依照上列各式计算，可以 得出：电机车制动时，其制动速度为 5.42m/s (制动初速度 v=19.5 km/h)；相应的最 大制动距离为 12 m,所需要的实际制动时间为 5.9s，空运行时间为 3s.总控制时间为 8.9s. 2.2.32.2.3 制动系统的静力分析制动系统的静力分析 作用在构件上的力可分为驱动力、阻力、运动副反力、重力、惯性力。 驱动力：凡是驱动机构产生的力成为驱动力。驱动力所作的功为正值，通常称为 输入功。制动机构中给手轮一个力通过丝杆轴传递到拉杆，这个力就是驱动力。它对 制动杆有一个向左的推力。 阻力：凡是阻止机构产生运动的力称为阻力。阻力所作的功为负值，通常称为阻 公称粘着质量 t2.55.08.012.016.020.0 制动距离m6.09.012.016.020.022.0 6 抗。阻力可以分为有效阻力和有害阻力两种。有效阻力称为工作阻力，是与生产直接 相关的阻力，所作的功称为有效功或输出功。有害阻力是阻力中除有效阻力外的无效 部分，所作功为损耗功，对运动有害。 F1 1 2 3 F21 F12 F23 4 图 2.1 制动时受力情况 机构力分析的目的有以下两个方面： （1） 确定运动副反力 即确定运动副两元素接触处彼此的作用力。这些力的大小和性质对于计算机构各 个零件的强度、决定机构中的摩擦力和机构效率以及计算运动副中的磨损和确定轴承 形式等，都是极为重要的资料。 （2） 确实为维持机构作给定运动而需要的平衡力 根据作用在机构上已知外力，可在维持机构给定运动规律工作的条件下求解与之 平衡的未知的外力。此待求的未知外力可以以力或力矩的形式出现，分别称之为平衡 力或平衡力矩。这对确定机械工作时所需的驱动功率或能承受的最大载荷等都是必需 的数据。 在对机械进行力分析时，对于低速机械，由于惯性力的影响不大，故可以忽略。 凡不计惯性力而只考虑静载荷的条件下对机械进行力分析称为静力分析。 对于高速及重型机械，由于机构的惯性力往往很大，有时甚至大大超过了其他静 载荷，所以必须考虑。凡是同时考虑惯性和惯性力而对机械进行的力学分析称为动力 分析。 2.2.42.2.4 机车制动力计算机车制动力计算 手动抱闸时，电机车能够产生的最大制动力（8t 电机车）11 n PB10000 max 式中： max B -机车能够产生的最大制动力，N； n P -整台机车制动时的粘着重量，t； 7 -制动状态的粘着系数，取 214. 0 N 则B 17120214.0810000 max 若闸瓦压力继续增加，以致于使整个电机车的制动力超过 max B 时（即把制动轮抱 死时） ，则制动车轮的轮缘沿轨面向前滑动。这时轨面对制动轮缘的切向摩擦力将变为 纯滑动摩擦力。即机车此时的制动力变为： fPB n 10000 式中： f -轨面与轮缘间的滑动摩擦系数。 由于 f ，所以B max B 。实践证明，机车制动车轮完全抱死时的制动力大约为 正常粘着条件下的最大制动力的 0.50%。 2.3 主要零部件的计算分析 2.3.12.3.1 制动杆和丝杆轴的选材及尺寸制动杆和丝杆轴的选材及尺寸 制动丝杠轴的材料选择 45 钢，其中 MPa s 353 ， MPa b 598 ， %16 5 （其 中 5 是指 dl5 的标准试样的伸长率） 。最小直径为 30mm，键连接处直径为 36mm， 直径最大处为 40mm，螺纹处直径为 35mm，丝杆轴的总长度为 545mm。 拉杆直径为 25mm，总长度为 670mm；制动杆和连杆的厚度为 22mm。选择 45 钢， 采用的热处理技术为淬火回火，充分发挥 45 钢的性质。淬火极大幅度地提高了材料的 硬度和强度，淬火后及时回火，获得稳定的回火组织。 2.3.22.3.2 闸瓦的结构选择闸瓦的结构选择 闸瓦的类别与图样 （1） 根据电机车车轮直径和闸瓦结构特征，将闸瓦类别标准化五种，其形状、 尺寸及其适用于车轮的直径。选择车轮直径为 680mm。 8 图 2.2 闸瓦结构图 （2） 图中未注明的铸造圆角半径均为 R3 （3） 闸瓦铸造尺寸公差按 JB2854，不低于 7 级精度。 2.3.32.3.3 闸瓦的材料选择及技术要求闸瓦的材料选择及技术要求 (1) 闸瓦构成 1）闸瓦由背和摩擦体组成。 2）瓦背采用机械性能不低于 Q235A 的冷轧钢板制造。瓦背取材的长度方向应与 钢板的轧制方向一致钢板技术条件应符合 GB/T 700 的规定。 3）摩擦体以金属或其合金为集体，加入摩擦、减摩或起某些特殊作用的其他金属、 非金属组分，用粉末冶金技术制成。 (2) 制作要求 闸瓦应符合本标准并按规定程序批准的产品图样制造。 (3) 外观 9 1）闸瓦瓦背不得存在裂纹，应进行防锈处理； 2）闸瓦瓦背外弧面和检验样板之间的局部间隙不大于 1.5mm; 3）闸瓦摩擦体不得存在裂纹、分层、疏松等粉末冶金烧结缺陷； 4）闸瓦厚度大的一侧垂直于摩擦面的方向，涂一道约 10mm 宽的白漆标记； 5）摩擦体除白漆标记外，其余部分不得涂漆。 (4) 使用性能 1）闸瓦使用限度（包括瓦背和摩擦体在内）：任何一处的剩余厚度不小于 14mm; 2）闸瓦在使用限度内，摩擦体不应产生片状或块状脱落，摩擦体脱落面积大于摩 擦面积的 20%时禁用； 3）闸瓦不得使车轮踏面产生局部过度磨耗、沟状磨耗和犁痕式磨耗，不得使踏面 产生热损伤（热斑、热裂纹、剥离等） ，不得因闸瓦原因造成摩擦体和车轮之间发生材 料转移。 (5) 物理、力学性能 闸瓦摩擦体的物理、力学性能应符合表 2.2 的规定 表表 2.22.2 物理、力学性能物理、力学性能 性能单位性能指标 密度g/cm3不超过给定值的5% 硬度HB100 横向断裂强度MPa30 抗压强度MPa90 拉剪强度MPa30 冲击韧性KJ/M25 (6)制动摩擦性能 1）瞬时摩擦系数 在紧急制动情况下，一次停车制动，其瞬时摩擦系数基准值由公式（1）计 算 式中 瞬时摩擦系数； V瞬时摩擦速度，Km/h。 2）平均摩擦系数 常温干燥状态，高闸瓦压力为 43KN,一次停车制动，平均摩擦系数变化范围符合表 2.4 的规定。 3）坡度匀速连续制动条件下的摩擦系数 10 坡度匀速连续制动条件下的摩擦系数在规定的制动时间内不低于 0.15。 4）静摩擦系数 静摩擦系数不低于 0.30。 表表 2 2 .3.3 瞬时摩擦系数变化范围瞬时摩擦系数变化范围 瞬时速度 v(Km/h)02040 瞬时摩擦系数0.2700.2450.231 瞬时速度 v(Km/h)6080100 瞬时摩擦系数0.220.2160.211 瞬时速度 v(Km/h)120140160 瞬时摩擦系数0.2080.2050.203 表 2.4 平均摩擦系数变化范围 制动初速(Km/h)6080100 平均摩擦系数0.2320.2260.221 制动初速(Km/h)120140160 平均摩擦系数0.2180.2140.212 5）磨耗量 闸瓦磨耗量不超过 1.0cm3/MJ。 6）熔结制动试验 在 1:1 制动动力试验台上进行熔结制动试验时，闸瓦摩擦体和车轮踏面局部瞬 时温度均不得超过 400。 11 第 3 章 建立系统三维模型 3.1 三维建模软件 UG 的简介 UG NX 是美国 UGS 公司推出的 CAD/CAE/CAM 一体化软件，是当今世界上最先进的计 算机辅助设计、分析和制造软件之一，广泛应用于航空、航天、汽车、造船、通用机 械和电子等工业领域。 UG 软件不仅具有强大的实体造型、曲面造型、虚拟装配和产生工程图等设计功能， 在设计过程中还可以进行有限元分析、机构运动分析、动力学分析，完成产品概念设 计、模型建立、性能分析和运动分析、加工刀路的生成等整个产品的生产过程，实现 真正意义上的无纸化生产。UG 面向过程驱动的技术是虚拟产品开发的关键技术，在面 向过程驱动技术的环境中，用户的全部产品以及精确的数据模型能够在产品开发全过 程的各个环节保持相关。由于系统采用统一的数据库，真正实现了 CAD/CAE/CAM 等各 模块之间的无数据交换的自我切换，完全共享零件和产品模型的数据，为协同工作提 供了基础。 UG 功能实现了目前制造行业中常规的工程分析、设计和绘图功能的自动化。用户 能够方便地绘出任何复杂的实体以及造型特征13。 3.2 三维建模软件 UG 的发展 在科技飞速发展的今天，产品设计已经进入到了一种全新的三维虚拟现实的设计 环境中，以二维平面设计模式为代表的设计方式正在逐渐淡出“历史舞台” ，取而代之 的是各种数字化的三维设计技术。UG(Unigraphics)软件是 EDS 公司原（Unigraphics Solutions 公司，后成为其中 UGS 部门）推出的集 CAD/CAE/CAM 为一体的三维参数化设 计软件之一，其最新的版本 UGNX 不但继承了原有 UG 软件的各种强大功能，而且与该 公司的另一产品 I-deas 软件功能相互结合，共同构建了功能更加全面的辅助设计环境。 UGNX 是当今最流行的 CAD/CAE/CAM 一体化软件，它内容丰富，功能强大，为用户提供 了集成最先进的技术和一流实践经验的解决方案，能够把任何产品构想付诸于实际。 UGNX 涵盖了工业设计中的制造、装配、加工、仿真和分析等领域14。 工程设计中的一项重要工作是利用分析工具计算零部件的强度和刚度，分析零部 件在一定载荷作用下产生的应力和应变，从而预知所设计的零部件是否满足要求，保 12 证设计的可靠性。对于大多数的工程技术问题，由于物体的几何形状比较复杂或者问 题的某些特征是非线性的，则很少有解析解。而借助于计算机获得满足工程要求的数 值解成为现代工程学重要方法之一。常用的分析工具是有限元分析（finite element analysis,简称 FEA） 。UG 软件是个集计算机辅助设计、制造和工程分析的三维参数化 软件，其结构(Structures)设计提供了有限元分析功能。在 UG-Modeling 应用中完成 零部件三维造型后，可以进入该模块进行结构分析和优化分析。在 UG 的有限元分析模 块中，用户可进行静态分析、模态分析、稳态热传导分析和热结构分析等工作。 3.2 机械制动系统的三维建模 3.2.13.2.1 拉杆的建模拉杆的建模 打开 UG 软件，进入新建模块界面，然后点击草图按钮，画出草图如图 3.1 所示。 图 3.1 拉杆草图 1 然后点击，拉伸、切割为实体如图 3.2 所示。 13 图 3.2 拉杆草图 2 在实体右侧平面上画 25 的圆，如图 3.3 所示。 图 3.3 拉杆草图 3 然后完成草图，拉伸为圆柱实体。再在圆柱体另一底面画拉杆一端，注意草图平 面的设置，然后求和得到整个拉杆的模型，如图 3.4 所示。 14 图 3.4 拉杆 3.2.23.2.2 连杆的建模连杆的建模 打开 UG 软件，进入新建模块界面，然后点击草图按钮，画出草图如图 3.5 所示。 图 3.5 连杆草图 然后点击，拉伸为实体如图 3.6 所示。 15 图 3.6 连杆 3.2.33.2.3 制动板的建模制动板的建模 打开 UG 软件，进入新建模块界面，然后点击草图按钮，画出草图如图 3.7 所示。 图 3.7 制动板草图 然后点击，拉伸为实体如图 3.8 所示。 16 图 3.8 制动板 3.2.43.2.4 均衡梁的建模均衡梁的建模 打开 UG 软件，进入新建模块界面，然后点击草图按钮，画出草图，然后经 过拉伸，切割，求和等步骤完成均衡梁的建模，如图 3.9 所示。 图 3.9 均衡梁 3.2.53.2.5 机械制动系统装配模型与虚拟样机模型机械制动系统装配模型与虚拟样机模型 在建模情况下点击按钮，打开建模界面，如图 3.10 所示。 17 图 3.10 装配界面 将整个模型装配完以后的装配模型如图 3.11 所示。 图 3.11 装配图 18 第第 4 章章 系统主要零件有限元分析系统主要零件有限元分析 4.1 有限元概述 有限元仿真分析在工程技术领域中具有重要的作用。有限元的建模需要经过确定 分析类型、实体建模(或导人模型)、定义单元类型、定义材料属性、网格划分、约束 施加和载荷施加等多个环节，耗时长、工作量大，而且已有的大量数据与信息难以重 用。如何提高有限元仿真分析的效率和质量，是国内外专家学者所重视的问题15。 有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多 称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然 后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件） ，从而得到问题的解。这个解不 是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题 难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行 之有效的工程分析手段。 有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。有限元的概念早在几 个世纪前就已产生并得到了应用，例如用多边形（有限个直线单元）逼近圆来求得圆 的周长，但作为一种方法而被提出，则是最近的事。有限元法最初被称为矩阵近似方 法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力 学研究的科学家的浓厚兴趣。经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和 普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成 为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。 UG 有限元分析有两个主要模块：UG/Scenario for Structures 和 UG/Scenario for ANSYS。其中 UG/Scenario for Structures 模块是集成的有限元分析工具，它使 用 MSC 划分网格，可用 StructuresP.E.NASTRAN 和 ANSYS 格式划分网格，并用 ANSYS 解算器计算。 UG/Scenario for Structures 是一个集成的 CAE 工具。它将几何模型转换成有限 元模型进行分析求解，并以图形方式显示分析结果。该模块是专门针对设计工程师和 用几何模型进行分析的专业人员而开发的，其功能强大，使用方便。概况起来， UG/Scenario for Structures 具有以下特点：（1）交互操作简单；（2）前置处理功 能强大；（3）支持多种解算器；（4）主模型与有限元数据的关联性好；（5）集成性 强；（6）后置处理功能强。 19 4.1.14.1.1 有限元有限元分析特点分析特点 有限元方法与其他求解边值问题近似方法的根本区别在于它的近似性仅限于相对 小的子域中。20 世纪 60 年代初首次提出结构力学计算有限元概念的克拉夫（Clough） 教授形象地将其描绘为：“有限元法=Rayleigh Ritz 法+分片函数” ，即有限元法是 Rayleigh Ritz 法的一种局部化情况。不同于求解（往往是困难的）满足整个定义域边 界条件的允许函数的 Rayleigh Ritz 法，有限元法将函数定义在简单几何形状（如二 维问题中的三角形或任意四边形）的单元域上（分片函数） ，且不考虑整个定义域的复 杂边界条件，这是有限元法优于其他近似方法的原因之一。 4.1.24.1.2 有限元法发展概况有限元法发展概况 有限元法基本思想的提出，可以追溯到 Courant 在 1943 年的工作，他第一次尝 试应用定义在三角形区域的分片连续函数和最小势能原理求解圣维男（st.Venant）扭 转问题。但由于当时没有计算机这一工具，没能用来分析工程实际问题，因而未得到 重视和发展。 现代有限元法第一个成功的尝试，是将刚架位移法推广应用于弹性力学平面问题， 这是 Turner、Clough 等人在分析飞机结构时于 1956 年得到的成果。他们第一次给出 了用三角形单元求平面应力问题的正确解答，他们的研究打开了计算机求解复杂问题 的新局面。1960 年 Clough 将这种方法命名为有限元法。 1963 至 1964 年，Besseling、Melosh、和 Jones 等人证明了有限元法是基于变分 原理的里兹(Ritz)法的另一种形式，从而使里兹法分析的所有理论基础都适用于有限 元法，确认了有限元法是处理连续介质问题的一种普遍方法。利用变分原理建立有限 元方程和经典里兹法的主要区别是，有限元法假设的近似函数不是在全求解域上规定 的，而是在单元上规定的，而且事先不要求满足任何边界条件，因此它可以用来处理 很复杂的连续介质问题。 有限元法在工程中应用的巨大成功，引起了数学界的关注。20 世纪 60 至 70 年代 数学工作者对有限元的误差、解的收敛性和稳定性等方面进行了卓有成效的研究，从 而巩固了有限元法的数学基础。我国数学家冯康，在 20 世纪 60 年代研究变分问题的 差分格式时，也独立地提出了分片插值的思想，为有限元法的创立做出了贡献。 四十多年来，有限元法的应用已由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题， 由静力平衡问题扩展到稳定问题、动力问题和波动问题。分析的对象从弹性材料扩展 到塑性、粘弹性、粘塑性和复合材料等，从固体力学扩展到流体力学、传热学等连续 介质力学领域。在工程分析中的作用已从分析和校核扩展到优化设计，并和计算机辅 20 助设计技术相结合。可以预计，随着现代力学、计算数学和计算机技术等学科的发展， 有限元法作为一个具有巩固理论基础和广泛应用效力的数值分析工具，必将在国民经 济建设和科学技术发展中发挥更大的作用，其自身亦将得到进一步的发展和完善16。 4.1.34.1.3 有限元分析的步骤有限元分析的步骤 对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元求解法的基本步骤是相同的，只是 具体公式推导和运算求解不同。有限元求解问题的基本步骤通常为： 第一步：问题及求解域定义：根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区 域。 第二步：求解域离散化：将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的 有限个单元组成的离散域，习惯上称为有限元网络划分。显然单元越小（网络越细） 则离散域的近似程度越好，计算结果也越精确，但计算量及误差都将增大，因此求解 域的离散化是有限元法的核心技术之一。 第三步：确定状态变量及控制方法：一个具体的物理问题通常可以用一组包含问 题状态变量边界条件的微分方程式表示，为适合有限元求解，通常将微分方程化为等 价的泛函形式。 第四步：单元推导：对单元构造一个适合的近似解，即推导有限单元的列式，其 中包括选择合理的单元坐标系，建立单元试函数，以某种方法给出单元各状态变量的 离散关系，从而形成单元矩阵（结构力学中称刚度阵或柔度阵） 。 第五步：总装求解：将单元总装形成离散域的总矩阵方程（联合方程组） ，反映对 近似求解域的离散域的要求，即单元函数的连续性要满足一定的连续条件。总装是在 相邻单元结点进行，状态变量及其导数（可能的话）连续性建立在结点处。 第六步：联立方程组求解和结果解释：有限元法最终导致联立方程组。联立方程 组的求解可用直接法、选代法和随机法。求解结果是单元结点处状态变量的近似值。 对于计算结果的质量，将通过与设计准则提供的允许值比较来评价并确定是否需要重 复计算17。 简言之，有限元分析可分成三个阶段，前处理、处理和后处理。前处理是建立有 限元模型，完成单元网格划分；后处理则是采集处理分析结果，使用户能简便提取信 息，了解计算结果。 21 4.2 有限元分析过程 开始 建立有限元模型 (PlaneFrameModel) 求解有限元模型 (SolveModel) 显示计算结果 (DisplayResults) 结束 计算单元刚度矩阵 (StiffnessMatrix) 集成整体刚度矩阵 (AssembleStiffnessMatrix) 计算等效结点力 (EquivalentNodeForce) 处理约束条件 求解方程组开始 图 4.1 有限元程序流程图18 4.3 结构优化，分析失效形式和原因 4.3.14.3.1 失效的概念与形式失效的概念与形式 失效是指零件在使用中，由于形状或尺寸的改变或内部组织及性能的变化而失去 原有的设计效能。一般机械零件在以下三种情况下可以认为已经失效：零件完全不能 工作；零件虽然能工作，但已经不能完成设计功能；零件已有严重损伤，不能再继续 安全使用19。 一般机械零件失效的常见形式有： （1）断裂失效 零件因承载过大或因疲劳损伤等发生断裂。 22 （2）磨损失效 零件因过度摩擦而造成过量磨损、表面龟裂及麻点剥落等表面损伤。 （3）变形失效 零件因承载过大而发生过量的弹性、塑性变形或高温下发生蠕变等。 （4）腐蚀失效 零件在腐蚀性环境下工作而造成表层腐蚀脱落或断裂等。 同一个零件可能有几种不同的失效