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挂钩 三维 仿真分析 设计 任务书 开题 翻译 有限元分析 挂钩模具

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南京理工大学泰州科技学院学生毕业设计（论文）中期检查表学生姓名张华亮 学 号0501510150指导教师黄新燕 张乐莹选题情况课题名称挂钩三维设计及仿真分析难易程度偏难适中偏易工作量较大合理较小符合规范化的要求任务书有无开题报告有无外文翻译质量优良中差学习态度、出勤情况好一般差工作进度快按计划进行慢中期工作汇报及解答问题情况优良中差中期成绩评定：良所在专业意见：该学生学习态度认真，能积极主动地完成布置的任务，达到所要求的工作进度。 负责人： 年 月 日 南京理工大学泰州科技学院毕业设计（论文）任务书系部：机械工程系专 业：机械工程及自动化学 生 姓 名：张华亮学 号：0501510150设计(论文)题目：挂钩三维设计及仿真分析起 迄 日 期:2009年 3月 9日 6月 14日设计(论文)地点:南京理工大学泰州科技学院指 导 教 师:黄新燕 张乐莹专业负责人:龚光容发任务书日期: 2009年 2月 26日任务书填写要求1毕业设计（论文）任务书由指导教师根据各课题的具体情况填写，经学生所在专业的负责人审查、系部领导签字后生效。此任务书应在第七学期结束前填好并发给学生；2任务书内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，不得随便涂改或潦草书写，禁止打印在其它纸上后剪贴；3任务书内填写的内容，必须和学生毕业设计（论文）完成的情况相一致，若有变更，应当经过所在专业及系部主管领导审批后方可重新填写；4任务书内有关“系部”、“专业”等名称的填写，应写中文全称，不能写数字代码。学生的“学号”要写全号；5任务书内“主要参考文献”的填写，应按照国标GB 77142005文后参考文献著录规则的要求书写，不能有随意性；6有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T 74082005数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2009年3月15日”或“2009-03-15”。毕 业 设 计（论 文）任 务 书1本毕业设计（论文）课题应达到的目的：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，并根据工程实际的要求解决工程实际问题的方法与能力，训练学生设计、分析能力，提高独立工作的能力，适应社会需求，同时锻炼学生收集资料、综述文献、应用技术工具以及分析软件和编制设计说明书的能力。2本毕业设计（论文）课题任务的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）：本设计要求学生根据挂钩实物，选择相应的方案，测绘零件图纸，并学习Pro/Engineer、UG或Solidworks等大型CAD软件在仿真设计中的应用，具体要求如下：1） 查阅资料（不少于15篇），翻译一定量的外文资料（不少于3000汉字），撰写开题报告及文献综述（不少于2000字）；2） 设计挂钩造型方案（要求提出三种方案）3） 完成CAD三维造型设计；4） 完成该挂钩的仿真分析；5） 结合仿真分析，完成挂钩造型的最终设计，测绘塑件图纸；6） 撰写设计说明书。毕 业 设 计（论 文）任 务 书3对本毕业设计（论文）课题成果的要求包括毕业设计论文、图表、实物样品等： 课题成果内容包括：1) 塑料件图纸；2) CAD三维数据模型；3) 仿真分析图；4) 毕业设计论文。4主要参考文献：1 蒋德军,唐开明.大锥角圆锥滚子轴承优化设计及有限元分析J.机械工程与自动化,2008,(4):6162.2 路海燕,杨兆建.二维轴承载荷传感器弹性体结构优化设计J.机械工程与自动化,2008,(4):2123.3 曾祥亮,李力.钢模台车箱梁受力分析及测试J.科学技术与工程,2008,8(14):40194021.4 张毅.基于Pro/E的斜齿轮建模和有限元分析J.机械工程与自动化,2008,(4):6973.5 连学通,王晓枫.基于Pro/E和ANSYS的两路阀优化设计J.机械制造与研究,2008,37(4):9697,107.6 贺庆平,张付英,沈晓斌.基于有限元分析的液压往复密封优化设计J.机械设计与制造,2008,(7):68.7 郑德超,魏心宽.矿用10m3挖掘机斗杆的有限元分析J.工程机械,2008,39:2023.8 杨英,赵广耀,孟凡亮.某轿车白车身结构灵敏度分析及优化设计J.东北大学学报(自然科学版),2008,29(8):11591163.9 吴志辉,蹇兴东,史庆春.Pro/E在结构分析中的运用J.工艺与装备,2005,(5):7577.10陈胜利,刘苇.基于Pro/E工程图中国标基准代号创建方法的应用研究J.现代制造技术与装备,2008,(3):2223.毕 业 设 计（论 文）任 务 书5本毕业设计（论文）课题工作进度计划：起 迄 日 期工 作 内 容2009年 3月 9日 3月18日 3月 19日 3月 29日3月30 日 4月5 日4月 6日 4月12日4月13日 5月8日5月 9日 5月21日5月22 日 5月 30日5月31 日 6月 8日6月9 日 6月 10日6月11日 6月14日熟悉课题，查阅有关资料，完成资料翻译完成文献综述，撰写开题报告，学习仿真分析方法，熟悉Pro/Engineer或其它三维CAD/CAE软件熟悉Pro/Engineer或其它三维CAD/CAE软件，进行挂钩结构方案设计完成塑件三维数据模型设计基本掌握CAD/CAE软件操作，利用Pro/Engineer或其它CAD软件进行挂钩塑件结构仿真分析得到最终方案并完成修改完善完成塑件三维造型、仿真分析图和工程图撰写设计说明书修改并打印设计说明书和图纸，整理相关资料，提交毕业设计成果论文答辩所在专业审查意见：负责人： 年 月 日系部意见：系部主任： 年 月 日南京理工大学泰州科技学院毕业设计(论文)前期工作材料学生姓名:张华亮学 号：0501510150系部:机械工程系专 业:机械工程及自动化设计(论文)题目:挂钩三维设计及仿真分析指导教师:黄新燕 副教授张乐莹 助教 材 料 目 录序号名 称数量备 注1毕业设计(论文)选题、审题表12毕业设计(论文)任务书13毕业设计(论文)开题报告含文献综述14毕业设计(论文)外文资料翻译含原文15毕业设计（论文）中期检查表12009年5月 毕业设计(论文)外文资料翻译系部： 机械工程系 专 业： 机械工程及自动化 姓 名： 学 号： (用外文写)外文出处：Hefele J , Dolin R M , Density effect of inspection data points in as-built model- -ing of partsR.CONF-980810,1998. 附 件： 1.外文资料翻译译文；2.外文原文。 指导教师评语：译文翻译基本准确，语句较通顺，基本能表述原文的意思，语句较能符合中文习惯。 签名： 年 月 日注：请将该封面与附件装订成册。附件1：外文资料翻译译文建模中检测数据点的密度效应摘要在洛斯阿拉莫斯国家实验室里，设计工程师和物理学家利用产品生命周期的各个阶段所生成的检测数据加以进行调查反馈和研究。通过分析这些数据，来确定如何优化装配，减轻标称的偏差，并解决产品老化的问题。这种“竣工”工程理念是利用他们在检测时所获取的数据形成的一个系统。在计算机辅助工程（CAE技术）软件中，利用复杂的图形建模技术就能够产生出实体模型，例如参数化技术软件Pro/Engineer TM。一旦这种固体模型建成后，那么该种软件就可以被用于各种分析，其目的包括大量复杂的计算、有限元素模型的创建和虚拟环境下变量的创建。在工程学中，用严格的分析方法来创建某些特征部件。为了能够提供出标准化定义，就要创建出各种假想部件以及对各种特征进行相关分析。通过比较质量特性而计算出的所建立模型理论中的检验数据有两种格式：手动收集数据，如从坐标测量机（特别是布朗和夏普）检查过程中所获得的数据；自动采集数据，如从谢菲尔德检查过程中获得的数据。使用Pro/Engineer建立的固体模型所需的大量特性计算也是一种标称定义。检查数据是来自一个软件包，这种软件包允许有特定条件约束的用户使用，如获取所需要的密度，输出相应的数据格式。该软件能够对点线面进行几何描述，这些点集被用来作为输入到Pro/Engineer CAE系统扫描工具模块中以便生成相应的实体模型，然后进行属性的分析与计算，并与以命名。Pro/Engineer中弯曲表面的选择能够用于所有检查数据格式类型的建模。在建立模型的大量计算中，计算的越精确，点的密度要求的就越高。从谢菲尔德格式的数据平滑表面产生的影响就可以看到这一点。洛斯阿拉莫斯国家实验室所采用的准确率为2.54 10 3英尺，该模型必须是一个数量级比这更准确的标准模型才可以。针对这种应用，我们预期的精度是0.00024 ，我们认为应该有密度CMMdata （ 5x 2，10x 2，与20x 2楔子）和密度数据（ 5x 5，1x 1，and2x 2切片 ）。为了进一步研究确定这一密度检测数据，就需要增强我们在制造过程中所使用“竣工”的工程模型的功能。关键词 产品特性 设计工程 CAE技术建模1.0 引言 “竣工”工程建模是一种方法，允许该产品在保证速度、价格的前提下，实现大规模生产制造。一旦价格部分被确定，那么偏差也是不可避免的会出现。用现行的办法来处理这些偏差，并确定是否是可以接受的一种方法，包括在设计过程中使用设定公差的名义。尽管这种制造技术是我们所希望拥有的，但是实际上并不能实现。在洛斯阿拉莫斯国家实验室，设计工程师和物理学家利用产品生命周期的各个阶段所生成的检测数据来进行调查反馈和研究。通过分析这些数据，以确定如何优化装配，减轻标称偏差，并解决产品老化问题。这种“竣工”工程理念利用检测所获取的数据形成一个系统。在计算机辅助工程（ CAE技术）软件中，利用复杂的图形建模技术会产生实体模型，如参数化技术软件Pro/Engineer TM。 一旦固体模型已经建成，该定义可以被用于各种分析，其目的包括大量复杂计算、有限元素模型的创建以及虚拟环境变量的创建。 在最后检查阶段，“竣工”模型包含了被调查的系统状态。通过这个阶段的检测任何细微的变化都可以被测量出来，而且通过这种跟踪变化能演化出一套“竣工”模式，工程师们就可以了解在不同的环境中，各个组成部分会产生什么样的影响。这个模型能够对各种操作日志进行记录，包括做基本的维护修理和更换。 “竣工”模式中的两个误差因素将被视为本文件中-1 ）的密度检查点和2 ）的类型，同时也被使用在检查过程中。为了检测数据点的密度，区分一个组件的当前状态，必须标明所使用的模型，而且这种具有收藏过量数据点的功能的模型是非常昂贵的。此外，在该类型的检查过程中使用了轴承的建模技术，因此，能够形成质量的实体模型。该复杂的跟踪历史系统也依赖于CAE系统来准确地建立模型。2.0 过程在特征部件的创建中，严格的分析方法被用在行使“竣工”的工程方法。在这个过程中，一个由半球壳假设部分和任意厚度的圆柱一起被制作成模型，然后进行大量的特征计算，并取得标称尺寸。这种定义是相对于较大规模特征计算的，并且作为建模检测数据能够生成两种形式。这两种形式包括人工数据采集格式，如从坐标测量机（特别是布朗和夏普）检查过程中获得的数据；自动采集数据，如从谢菲尔德检查过程中获得的数据。使用Pro/Engineer的建立的固体模型所需的大量特性计算也是一种标称定义。检查数据是来自一个软件包，这种软件包允许有特定条件约束的用户使用，如获取所需要的密度，输出相应的数据格式。该软件能够对点线面进行几何描述。这些点集被用来作为输入到Pro/Engineer系统扫描工具模块中生成实体模型。这个检测数据是来自于一个软件作者Dr.Ronald的洛斯阿拉莫斯国家实验室。这项工作中使用两种形式的检测数据的典型事例是在洛斯阿拉莫斯国家实验室。布朗和夏普使用了手动搜集数据，是运营商的强烈要求。这个方法通常是用于细小的部分，因为细小的部件如果使用自动采集数据便可能被损害。由于考虑到运营商的强烈要求，密度检测数据点通常小于使用一个自动化过程格式收集到的检测数据点。这项工作要求技术检验员的“眼球”必须直盯着路径检查探头和被定义的曲线。为了确保这项工作顺利进行，我们要求技术员要有一双非常灵巧的手和非凡的眼球。密度输出为 5 2，10 2，20 2（见图，我的一个事例） 。图1 三坐标测量机检测数据类型该图显示的是一个全自动进程的检测数据实体模型。谢菲尔德是一种能够检查数据汇聚和输出切片数据的自动程序。如果混合表面选所使用的新一代实体模型被用在这项工作中，那么这种切片数据格式要比楔子格式有着更好的适应性。自动采集数据这一进程允许点密度较高的输出检测数据点。这个密度输出的格式数据分别为0.5 5，1 1，and2 2（参见图2）。在所有情况下，圆柱体部分采用了“切片几何学”。图2 -谢菲尔德类型检查数据3.0 结果和结论表格1表明了这项工作能够产生的结果。正如预期的情况一样，点的密度越高，大量计算后所建的模型的准确度越高。然而这一趋势是无法准确仿照的。谢菲尔德格式的数据产生了一个平滑的表面，并影响大量计算的结果。洛斯阿拉莫斯使的检查标准，精度为2.54 * 10-3 英尺。这个模型必须是一个数量级比这个标准更准确的。因此，我们期望的精度为/r，其中， =标称偏差的计算r =气缸外半径或为数据0.00024 。表1-参数检测数据的研究结果配置体积部分示范点%不同的名义Pro/E固体模型156116.21N/A0.000005x5切片156104.922761660.007231x1切片156115.68815860.000342x2切片156115.45206340.000495x2 楔子156067.35232300.0313010x2楔子156002.02198820.0731420x2楔子155665.2959860.28883检测数据研究的结果在Pro/Engineer的商标型号的范围是：4.9MB至151.7 MB这个数据是不太准确的，但造型更感性化相关技术也正在审查中，以确定为什么55的结果比11的准确度低。与此同时，使用CAE软件包所产生的效果也正处于被进一步的审查中。附件2：外文原文（复印件）南京理工大学泰州科技学院本科生毕业设计（论文）选题、审题表系部机械工程系指导教师姓 名 黄新燕 张乐莹专业技术职 务副教授 助教课题名称挂钩三维设计及仿真分析适用专业机械工程及自动化课题性质ABCDE课题来源ABCD课题预计工作量大小大适中小课题预计难易程度难适中易课题简介塑料件在各行业及日常生活广泛使用，塑料件的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，并根据工程实际的要求解决工程实际问题的方法与能力，训练学生设计、分析能力，提高独立工作的能力，适应社会需求，同时锻炼学生收集资料、综述文献、应用技术工具以及分析软件和编制设计说明书的能力。课题应完成的任务和对学生的要求应完成的任务：课题调研，查阅资料，撰写开题报告及外文翻译； 总体方案论证及选择； 零件初步设计；对零件进行受力、位移等分析；绘制零件图和分析结果；撰写设计说明书。对学生的要求：先修课程包括：机械设计、机械制造、计算机应用技术及设计绘图软件的使用，如AutoCAD、Pro/Engineer等； 独立工作，善于思考； 勤奋向上，积极主动，认真负责。所在专业审定意见： 专业负责人(签名)： 年 月 日注：本课题由 张华亮 同学选定，学号： 0501510150 注：1该表由指导教师填写，经所在专业负责人签名后生效，作为该专业学生毕业设计（论文）选题使用；2有关内容的填写见背面的填表说明，并在表中相应栏内打“”； 3课题一旦被学生选定，此表须放在学生“毕业设计（论文）资料袋”中存档。填 表 说 明1该表的填写只针对1名学生做毕业设计（论文）时选择使用，如同一课题由2名及2名以上同学选择，应在申报课题的名称上加以区别（加副标题），并且在“设计（论文）要求”一栏中说明。2“课题性质”一栏：A产品设计；B工程技术研究；C软件开发；D研究论文或调研报告E其它。3“课题来源”一栏：A自然（社会）科学基金与省（部）、市级以上科研课题；B企、事业单位委托课题；C校、院（系）级基金课题；D自拟课题。4“课题简介”一栏：主要指该课题的背景介绍、理论意义或实用价值。毕业设计(论文)开题报告学 生 姓 名：学 号：专 业：机械工程及自动化设计(论文)题目：挂钩三维设计及仿真分析指 导 教 师:开题报告填写要求1开题报告（含“文献综述”）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效；2开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见；3“文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于15篇科技论文的信息量，一般一本参考书最多相当于三篇科技论文的信息量（不包括辞典、手册）；4有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T 740894数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2009年3月15日”或“2009-03-15”。毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2000字左右的文献综述：文 献 综 述摘要 本文介绍了计算机辅助设计（简称CAD）这一领域的发展概况，应用在此领域的各种软件如Pro/E、UG等，其中重点介绍了Pro/E软件的相关功能和应用领域、优化设计和计算机辅助设计及仿真分析（CAE)在国内、外的应用情况和未来发展趋势。关键词 Pro/E 挂钩 设计 仿真 分析 1 计算机辅助设计的发展概况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：ProEngineer、SolidWorks、Alias、UG、I-DEAS等1。2 各类三维CAD软件2.1 UG 软件简介Unigraphics 是美国UGS公司推出的新一代CAD/CAE/CAM软件，它是一个集成化的软件，其功能非常强大，利用它可以进行零件设计、产品装配、数控加工、铂金件设计、模具设计、机构分析、有限元分析和产品数据库管理、应力分析、逆向造型优化设计等2。Unigraphics(UG)是一套复杂产品设计制造的最佳系统，从概念设计到生产产品，UG广泛的军用汽车业、航天业、模具加工及设计业、医疗器、机械、仿真、数据管理、电路设计、电器、玩具等，近年来更将触角深及消费性市场产业中最复杂的领域工业设计。运用其功能强大的复合式建模工具，设计者可依工作的需求选择最适合的建模方式；关联性的单一数据库，使大量零件的处理更加稳定。除此之外，组立功能、2D出图功能、模具加工功能及与PDM之间的紧密结合，使得UG在工业界成为一套无可匹敌的高阶CAD/CAM系统3。2.2 Pro/E软件简介 Pro/E（Pro/Engineer操作软件）是美国参数技术公司（Parametric Technology Corporation，简称PTC）的重要产品。在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，并作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今最成功的CAD/CAM软件之一4。Pro/E第一个提出了参数化设计的概念，并且采用了单一数据库来解决相关性的问题。另外，它采用模块化方式，用户可以根据自身的需要进行选择，而不必安装所有模块。Pro/E的基于特征方式，能够将设计至生产全过程集成到一起，实现并行工程设计。它不但可以应用于工作站，而且也可以应用到单机上。Pro/E采用了模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用5。(1) 特征功能如钣金模块、模具、三维设计、工程仿真及结图、运动构分析等。(2) ProEngineer软件应用领域 ProEngineer软件已广泛应用于电子、机械、工业造型、航空航天、家电等领域。ProE集零件设计、装配、工程图、钣金件设计、模具设计、NC加工、造型设计、逆向工程、运动模拟、分析等于一体，基本覆盖了产品加工的全流程。其功能强大，参数化特征造型使其占据的三维设计领域的软件市场份额越来越大，尤其在我国的CADCAM研究所和工厂得到了广泛应用6。(3) 国内外应用及发展情况目前，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7。在国外，新加坡国立大学的Wynne Hsu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，而且早己应用于相关行业，故在其应用领域里的自主开发技术已经十分成熟和完善8。3 优化设计3.1 优化设计概况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6070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9。3.2 优化设计的概念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10。3.3 优化方法的选择根据优化设计问题的特点，恰当选择优化算法是一个重要的问题。一般要对优化问题数学模型的设计变量数、约束条件数、目标函数和约束函数的复杂程度等进行分析，并深人了解各种优化方法的特点，才能作出恰当的选择。正确选择优化算法依照实践经验和技巧，并遵循以下几个原则：(1) 可靠性要好:算法的可靠性是指在合理的精度要求下，在一定计算时间或一定迭代次数内，求解优化问题的成功率，越高则可靠性越好。(2) 效率要高:算法的效率是指解题的效率，一般可用算法所用计算时间或计算函数的次数来衡量。如果目标函数和约束函数的数值计算比较复杂时，最好选用不计算梯度与海色矩阵的优化方法，尽可能选用计算过程中调用函数值次数少的优化方法。(3) 稳定性要好:算法的稳定性指遇到高度非线性的偏心率大的函数时，不会因为计算机字长截断误差迭代过程正常运行，而中断计算过程11。 3.4 Pro/E在优化设计方面的应用（1）定义设计参数。设计参数是零件在敏感度或做佳化设计研究期间用来控制模型形状变更范围的变量，Pro/M通过变更设计参数来达到改变几何形状的目的。借助于Pro/E模型的全参数性、关联性及两者数据的无缝集成，Pro/M可以方便提取到Pro/E参数作为优化设计的设计参数12。（2）区域敏感度设计研究。Pro/E通过计算在两样本点之间敏感度曲线的斜率的方法，来绘制模型测量在跨越设计参数范围的近似结果的曲线图形13。（3）全域敏感度设计研究。在Pro/M此项研究用来分析模型测量对设计参数在一定范围内改变引起的敏感性。Pro/M通过计算在设计参数区间范围内的测量值来分析这种敏感效应14。（4）最佳化设计研究。在Pro/M中，最优化设计研究通过调整一个或多个参数以使指定的设计目标达到最优化，或者用来测试 一个设计方案在指定限制条件下的可行性15。（5）批处理操作。（6）解释最佳化设计研究结果。（7）更新零件。 4 我的研究课题挂钩在各行各业及日常生活广泛使用，本课题通过对挂钩进行三维设计及仿真分析，解决挂钩最优化设计的问题，以达到减轻重量，降低成本的目的。 参 考 文 献1 张秉森计算机辅助设计教程M北京：清华大学出版社，2005.15162 宋振会UG NX4.0工程制图基础教程M北京：清华大学出版社，2002. 10123 甘登岱UG基础与应用精品教程M北京：航空工业出版社，2007.564 黄传勇基于ProE的CADCAM 一体化技术研究J 机电产品开发与创新，2005，18(3)：1101125 詹友刚ProENGINEER中文野火版教程M北京：清华大学出版社，2003.86886 王凯，曹西京基于Pro/E 的机械产品机构运动的仿真设计J轻工机械，2006，18(5)：28307 李静锋，夏鲲，沈妍基于Pro /E零件参数化设计J机械研究与应用，2008，12(4) ：1641708 祝凌云，李斌ProENGINEER运动仿真和有限元分析M北京：人民邮电出版社，2004.6973.9 王科社机械优化分析M北京：国防工业出版社，2007.3610 高健机械优化设计基础M北京：科学出版社，2006.4511 路海燕,杨兆建二维轴承载荷传感器弹性体结构优化设计J机械工程与自动化，2008，14(4)：212312 张继春，徐斌Pro/ENGINEER Wildfire 结构分析M北京：机械工业出版社，2004.434713 詹友刚ProENGINEER中文野火版3.0高级应用教程M北京：机械工业出版社，2006.57458214 二代龙震工作室ProMechanismMECHANICA Wildifre2.0机构运动结构热力学分析M北京：电子工业出版社，2006.15 万启超，魏田和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，2006. 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：一、课题研究内容挂钩在各行各业及日常生活广泛使用，本课题通过对挂钩进行三维设计及仿真分析，解决挂钩最优化设计的问题，以达到减轻重量，降低成本的目的。二、研究途径1、查阅相关资料，搜集关于挂钩材料以及仿真分析的相关内容。2、采用Pro/E软件进行挂钩的三维设计及仿真分析。 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告指导教师意见：1对“文献综述”的评语：通过对文献资料的查询与总结，介绍了计算机辅助设计领域软件如Pro/E、UG等的概况，其中重点介绍了Pro/E软件的CAE模块功能在国内、外的应用情况和未来发展趋势。文献综述基本反映了我国结构设计业尤其是优化设计方面的情况，为课题的研究作了先期准备。2对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测：课题主要根据挂钩进行三维设计及仿真分析，从生产商的角度解决挂钩最优化设计的问题。另外结合众多企业已广泛采用的CAE技术，完成一定的设计和优化任务。 课题具有较强的工程训练性，塑件外形、结构不太复杂，但课题涉及三维设计以及CAE等方面，涉及面较广，有一定难度和工作量。根据该学生的现有基础，再加上后期对CAE软件的学习和设计期间的努力可以较好地完成课题设计任务。 指导教师： 年 月 日所在专业审查意见： 负责人： 年 月 日 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 I 页 共 38 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.21.3 PRO/ENGINEER 软件介.41.4 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.62 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.92.3 有限元分析模型的建立及结果分析.92.4 PRO/MECHANICA 中有限元分析的工作流程.93 主要零部件建模.123.1 挂钩的三维建模.123.2 理想化模型的建摸.134 挂钩的有限元分析.184.1 基本应力分析阶段.184.2 进行模型的灵敏度分析.204.3 优化设计分析.25结束语.32致谢.33参考文献.34 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 1 页 共 33 页1 1 引言引言 1.1 课题研究的背景及意义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。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 2 页 共 33 页 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：ProEngineer、Solidworks、Alias、UG、I-DEAS 等。1.2 常用仿真软件简介常用仿真软件简介 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。(1) EDS-UG UG 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（UG Scenario）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。(2) SOLID EDGESolid Edge 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。Solid Edge 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 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 3 页 共 33 页计需要，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 Solid Edge 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，从简单零件到包含上万个部零件的大型装配件。(3) CATIA Computer Aided Three & Two Dimensional Interaction Application System，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（Dassault Systems）正式发布第一个版本即 CATIA V5R1（CATIA Version 5 Release 1）以来，平均每年发布 23 个版本，到 2003 年 4 月发布的 CATIA V5R11（CATIA Version 5 Release 11） ，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 Windows NT 环境，99%以上的用户界面图标采用 MS-Office 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。CATIA V5 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。(4) PRO/ENGINEER Pro/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。1.31.3 PRO/ENGINEERPRO/ENGINEER 软件软件介绍介绍 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/ENGINEER WILDFIRE3.0。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。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 4 页 共 33 页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。1.3.1 Pro/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 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 5 页 共 33 页何建模功能比较弱, 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/MECHAN ICA 就利用参数化工具的优点对几何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/ENGINEER ( Pro/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 Mechanism Design Extension (MDX) 和 Pro/MECHANICA ( Pro /M) 。1.41.4 与本课题相关的国内外发展现状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 Wynne Hsu 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。1.51.5 优化设计工作流程及简介优化设计工作流程及简介 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 6 页 共 33 页 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 6070 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 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 7 页 共 33 页图 1 优化设计流程图 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 8 页 共 33 页2 2 有限元模拟分析有限元模拟分析2.12.1 有限元简介有限元简介目前在工程技术领域内常用的数值模拟方法主要有：有限单元法、边界元法、离散单元法和有限差分法，但就其实用性和应用的广泛性而言，主要还是有限元法。有限单元法基本思想是将问题的连续求解域离散为一系列单元，单元之间仅靠节点连接，即利用离散化将无限自由度连续体力学问题简化为有限单元节点参数计算。单元内部点的待求量可由单元节点量通过选定的函数关系插值求得。由于单元形状简单，易于由平衡关系或能量关系建立节点量之间的方程式，然后将各个单元方程“组集”在一起而形成总体代数方程组，计入边界条件后即可对方程组求解。单元划分越细，计算结果就越精确。有限元分析技术可以克服实验成本高、周期长的缺点，能够进行大量的模拟试验，在建立准确的有限元分析模型的基础上，再辅以少量试验修正，即可建立精确的数学模型。 ANSYS 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国 ANSYS 开发，它能与多数CAD 软件接口，实现数据的共享和交换，如 Pro/Engineer, NASTRAN, IDEAS, AutoCAD 等，是现代产品设计中的高级 CAD 工具之一。软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度 分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明 显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了 100 种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。该软件有多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如 PC，SGI，HP， SUN，DEC，IBM，CRAY 等。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 9 页 共 33 页2.1.1 有限元分析中材料特性参数 在有限元分析前，需要给模型指定材料的特性参数。在 Pro/MECHANICA 中，经常用到的材料特性主要有各向同性、泊松比、密度、扬氏模量、热扩散系数、指定热容量等。(1) 各向同性：指材料在各个方向上表现出相同的力学或热学性能。通常认为常用金属材料都是各向同性的，而木材是各向异性的。(2) 泊松比是物体受到得纵向应变（物体拉伸方向的应变）和物体横向应变之间的比值。泊松比是无量纲的量，其数值随材料而异，一般钢材的泊松比在 0.250.33之间。(3) 密度：每一种材料都有它自己的密度，单位是 Kg/mm3 或 tonne/mm3。特别要注意的是，Pro/MECHANICA 定义的密度为质量密度，而非重量密度，所以数值比较小。(4) 杨氏模量又称为弹性模量。对于弹性材料而言，在材料的屈服极限内，物体发生的应变与应力是成正比的。应力与应变的比值，就是弹性模量或杨氏模量。其数值随材料而异，弹性模量是有量纲的量，其单位与正应力的单位相同，常用 MPa 或GPa 表示。(5) 热扩散系数：指热膨胀系数，用于规定的材料受热的膨胀特性，标准单位1/k。(6) 指定热容量：指比热容，单位质量的物质温度升高一度所需要的热量。2.22.2 关于有限元方法的介绍关于有限元方法的介绍 有限元软件分析方法作为一种通用的数值分析方法，是目前研究复杂受力问题最为可靠和有效的手段。在产品设计过程中，根据提出的产品原形建立相应的计算机仿真模型和虚拟工作环境。利用计算机仿真程序检验产品的各种功能、特性，测试产品能否实现预期的功能。结构分析的有限元法已经成为必不可少的分析和优化技术，为产品的可靠性和高效性提供技术保证；同时避免大量试验验证过程，降低设计成本，提高设计效率，缩短开发周期，最终达到提高产品竞争力的目的。静强 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 10 页 共 33 页度分析计算在固定不变的载荷作用下结构和部件的效应。计算载荷作用引起的位移、应力和应变。2.32.3 有限元分析模型的建立及结果分析有限元分析模型的建立及结果分析有限元分析模型的建立及分析过程基本包括如下步骤： (1) 建立几何模型；(2) 选择材料模型；(3) 网格划分；(4) 添加约束； (5) 加载；(6) 求解；(7) 结果分析。 2.42.4 PRO/MECHANICAPRO/MECHANICA中有限元分析的工作流程中有限元分析的工作流程 优化设计是在指定研究目标、约束条件（包括几何约束和物性约束），设计参数、再在参数给定范围内求解出满足研究目标和约束。条件的最佳方案。Pro/MECHANICA 进行优化设计的一般流程如图2所示。 图2 有限元分析的工作流程创建模型分配材料定义约束、载荷荷建立模型分析模型灵敏度分析优化研究静态分析获取结果运行优化设计更新数据筛选参数指定变化范围 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 11 页 共 33 页 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 12 页 共 33 页(1) 标准分析：最基本，最简单的设计研究类型，至少包含一个分析任务。在此种设计研究中、用户需要指定几何模型、划分有限元网格、定义材料、定义载荷和约束、定义分析类型和计算收敛方法、计算并显示结果。(2) 灵敏度分析：有限元分析的最终目的是为了进行优化设计。在满足给定的约束条件下（如不超过许用应力），找到满足设计目标（如质量最轻）的值。(3) 优化设计分析：有限元分析的最终目的是为了进行优化设计。优化设计就是搜索满足给定约束条件下的目标函数的极大值。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 13 页 共 33 页3 3 主要零部件建模主要零部件建模3.13.1 挂钩的三维建模挂钩的三维建模3.1.1 建立模型 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。建立好的支架模型如图3所示。图3 挂钩模型图3.1.2 设置材料、定义约束 选择Applications/Mechanica/Continue 进入Pro/MECHANICA 模块，在MECHANICA 菜单中单击Structure，进入结构分析主界面。选用NYLON材料，将模型材料设置为NYLON，其密度为= 1.20014 10-9tonne/mm3 , 弹性模量E =4000.34MPa, 泊松比 = 0.4，施加约束使模型左端面固定，该端面6个自由度完全固定后的挂钩模型如图4所示。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 14 页 共 33 页图4 加材料及定义约束后的模型图3.23.2 理想模型的建理想模型的建模模3.2.1 简化过程 挂钩是生活中常用的悬挂工具，在使用过程中,通常是单一力的作用，所以可以将图4所示挂钩简化为图5。又因为在挂钩的受力过程中，力的作用方向是垂直向下，因此可以再简化为图6所示，这样更有利于灵敏度分析和优化设计。施加约束使模型左端面固定，该端面6个自由度完全固定，左端面的形状如何不影响不影响结构特性。通常做结构分析时，可以将比较小的特征去除，如小圆角特征 。但是有时将小圆角去掉也会遗漏一些比较重要的力。总而言之，模型简化应该建立在不改变发机构特性的前提下。挂钩在受力时，应力集中在支架右侧连接处，故对此处进行倒圆角。如图7所示。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 15 页 共 33 页图5 第一步简化处理图图6 第二步简化处理图 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 16 页 共 33 页图7 理想模型图3.2.2 问题分析 如图3所示为一挂钩模型,材料为NYLON，弹性模量 E=4000.3MPa,泊松比=0.4。由于挂钩侧面固定，只有右侧柱体承受向下的集中力，当前需要考虑的问题是(1) 挂钩能否承受200N垂直向下的力作用。(2) 挂钩在200N工作载荷作用下的最大应力和最大位移是多少。3.2.3 建立理想挂钩模型在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。建立好的支架模型如图8所示。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 17 页 共 33 页图8 支架模型图3.2.4 设置材料、定义约束和施加载荷 选择Applications/Mechanica/Continue 进入Pro/MECHANICA 模块，在MECHANICA 菜单中单击Structure，进入结构分析主界面。选用NYLON材料如图9所示，将模型材料设置为NYLON，其密度为= 1.20014 10-9tonne/mm3 , 弹性模量E =4000.34MPa, 泊松比 = 0.4，施加约束使模型左端面固定，该端面6个自由度完全固定，在支架右端两翼施加向下的总载荷为200 N 的均布载荷完成载荷定义后的挂钩如图10所示。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 18 页 共 33 页 图9 尼龙属性图图10 完成参数设置后的理想模型图 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 19 页 共 33 页4 4 挂钩的有限元分析挂钩的有限元分析4.14.1 基本应力分析阶段基本应力分析阶段 Pro/MECHANICA Structure 模块可以模拟真实环境为模型施加约束和载荷, 测算模型的应力、应变、位移参数, 实现静态分析。 在MEC STRUCT 菜单中选择Mechanica Analyses/Studies功能建立、运行静态分析任务，并显示静态分析结果。模型的应力和变形情况如图11、12所示。图 11 模型的应力图 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 20 页 共 33 页图 12 模型的变形图 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 11.67MPa，最大变形为 0.1551mm。分析模型可知，支架长度、宽度、高度及倒圆角的大小对模型应力和质量的大小都有影响，是需要分别研究的设计参数。 同时对模型的应力和变形有限元网格划分如图 13 所示。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 21 页 共 33 页图 13 优化前模型的应力及变形图的网格划分4.24.2 进行模型的灵敏度分析进行模型的灵敏度分析 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。Pro/MECHANICA 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。4.2.1 局部灵敏度分析 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。为了确定右侧柱体的长宽高及倒圆角主要设计参数对模型性能的影响程度，就必须 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 22 页 共 33 页进行局部灵敏度分析。横坐标表示模型各尺寸变化，单位为 mm，纵坐标表示模型应力变化，单位为 MPa。局部灵敏度的分析结果如图 14、15、16、17 所示。图14 倒圆角对模型应力的影响曲线图15 长度对模型应力的影响曲线 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 23 页 共 33 页图16 宽度对模型应力的影响曲线 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 24 页 共 33 页图 17 高度对模型应力的影响曲线4.2.2 全局灵敏度分析 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。通过局部灵敏度分析，确定模型上柱体的长宽高及倒圆角对模型应力影响均较大，是需要进一步研究的参数，因此需要对这四个参数进行全局灵敏度分析。运行结果如图 18、19、20、21 所示。图18 倒圆角对模型应力的影响曲线 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 25 页 共 33 页图19 长度对模型应力的影响曲线图20 宽度对模型应力的影响曲线 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 26 页 共 33 页图21 高度对模型应力的影响曲线 从全局灵敏度分析的结果图中可以更详细的了解到这四个参数变化时模型的最大应力的变化趋势和变化范围。进行最优设计，我们选择模型最大应力为19MPa。通过上述分析可以得出灵敏度分析的一般思路：(1) 进行局部灵敏度分析，确定主要参数对模型性能的影响程度。(2) 对于那些对模型性能影响大的参数，进行全局灵敏度分析。4.34.3 优化设计分析优化设计分析 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。优化设计包括三个要素：优化目标、优化约束和优化参数。4.3.1 确定支架优化设计的三要素 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 =19MPa，结合优化约束和灵敏度分析结果可确定优化参数。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 27 页 共 33 页4.3.2 优化结果分析(1) 对倒圆角的优化分析结果 优化前后模型上倒圆角的半径的取值及模型质量如图22、23所示。优化前倒圆角的半径为8mm，优化后最佳半径为8mm,说明8mm是倒圆角半径的最优值。图22 优化前结果图23 优化前后结果倒圆角优化后模型的应力和变形情况及总应力关系曲线图如图24、25、26。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 28 页 共 33 页图24 优化后应力图图25 优化后变形图 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 29 页 共 33 页图26 倒角优化后模型的总应力关系曲线图(2) 对柱体长度、高度、宽度的优化分析结果 优化前后支架板上长度、高度、宽度取值