CAD-CAE綜合運用實例

1、.cad/cae綜合應用課程題目 題目38物料供送機構(gòu)姓 名 學 號 班 級 指導教師 2015年6月精品.題目要求題目38.供送物料尺寸：120*200*300，供送效率35pcs/min精品.摘 要在現(xiàn)代產(chǎn)品開發(fā)過程中，cad/cae已成為基本工具。對于機械專業(yè)的本科生，cad/cae技術(shù)在機械工程及材料加工工程方面應用的重要實踐性環(huán)節(jié)，能提高我們使用軟件進行設(shè)計、分析能力。本文重點介紹了一種物料供送機構(gòu)，運用三維軟件ug進行三維建模，再通過第三方格式導入ansys，對關(guān)鍵零件進行結(jié)構(gòu)分析，得出相關(guān)結(jié)果，提出合理優(yōu)化結(jié)構(gòu)的建議。將ug所畫的裝配圖導入adams進行運動學仿真，觀察運動軌跡是

2、否合理，是否能很好地完成供送任務。關(guān)鍵字：cad/cae；ug；ansys；優(yōu)化；adams一、cad/cae介紹cad計算機輔助設(shè)計(cad-computer aided design)指利用計算機及其圖形設(shè)備幫助設(shè)計人員進行設(shè)計工作。 在設(shè)計中通常要用計算機對不同方案進行大量的計算、分析和比較，以決定最優(yōu)方案；各種設(shè)計信息，不論是數(shù)字的、文字的或圖形的，都能存放在計算機的內(nèi)存或外存里，并能快速地檢索；設(shè)計人員通常用草圖開始設(shè)計，將草圖變?yōu)楣ぷ鲌D的繁重工作可以交給計算機完成；由計算機自動產(chǎn)生的設(shè)計結(jié)果，可以快速做出圖形，使設(shè)計人員及時對設(shè)計做出判斷和修改；利用計算機可以進行與圖形的編輯、放大

3、、縮小、平移、復制和旋轉(zhuǎn)等有關(guān)的圖形數(shù)據(jù)加工工作。cad(computer aided design，計算機輔助設(shè)計）誕生于二十世紀60年代，是美國麻省理工學院提出的交互式圖形學的研究計劃，由于當時硬件設(shè)施昂貴，只有美國通用汽車公司和美國波音航空公司使用自行開發(fā)的交互式繪圖系統(tǒng)。二十世紀70年代，小型計算機費用下降，美國工業(yè)界才開始廣泛使用交互式繪圖系統(tǒng)。二十世紀80年代，由于pc機的應用，cad（計算機輔助設(shè)計）得以迅速發(fā)展，出現(xiàn)了專門從事cad系統(tǒng)開發(fā)的公司。當時versa cad是專業(yè)的cad制作02公司，所開發(fā)的cad軟件功能強大，但由于其價格昂貴，故得不到普遍應用。而當時的autod

4、esk（美國電腦軟件公司）公司是一個僅有員工數(shù)人的小公司，其開發(fā)的cad系統(tǒng)雖然功能有限，但因其可免費拷貝，故在社會得以廣泛應用。同時，由于該系統(tǒng)的開放性，該cad軟件升級迅速。設(shè)計者很早就開始使用計算機進行計算。有人認為（伊凡.薩瑟蘭郡）ivan sutherland在1963年在麻省理工學院開發(fā)的sketchpad（畫板）是一個轉(zhuǎn)折點。sketchpad的突出特性是它允許設(shè)計者用圖形方式和計算機交互：設(shè)計可以用一枝光筆在陰極射線管屏幕上繪制到計算機里。實際上，這就是圖形化用戶界面的原型，而這種界面是現(xiàn)代cad不可或缺的特性。cad最早的應用是在汽車制造、航空航天以及電子工業(yè)的大公司中。隨著

5、計算機變得更便宜，應用范圍也逐漸變廣。精品.cad的實現(xiàn)技術(shù)從那個時候起經(jīng)過了許多演變。這個領(lǐng)域剛開始的時候主要被用于產(chǎn)生和手繪的圖紙相仿的圖紙。計算機技術(shù)的發(fā)展使得計算機在設(shè)計活動中得到更有技巧的應用。如今，cad已經(jīng)不僅僅用于繪圖和顯示，它開始進入設(shè)計者的專業(yè)知識中更“智能”的部分。隨著電腦科技的日益發(fā)展，性能的提升和更便宜的價格，許多公司已采用立體的繪圖設(shè)計。以往，礙于電腦性能的限制，繪圖軟件只能停留在平面設(shè)計，欠缺真實感，而立體繪圖則沖破了這一限制，令設(shè)計藍圖更實體化，3d圖紙繪制也能夠表達出2d圖紙無法繪制的曲面，能夠更充分表達設(shè)計師的意圖。國產(chǎn)cad發(fā)展歷程中國cad技術(shù)起源于國外

6、cad平臺技術(shù)基礎(chǔ)上的二次開發(fā)，隨著中國企業(yè)對cad應用需求的提升，國內(nèi)眾多cad技術(shù)開發(fā)商紛紛通過開發(fā)基于國外平臺軟件的二次開發(fā)產(chǎn)品讓國內(nèi)企業(yè)真正普及了cad，并逐漸涌現(xiàn)出一批真正優(yōu)秀的cad開發(fā)商。在二次開發(fā)的基礎(chǔ)上，部分頂尖的國內(nèi)cad開發(fā)商也逐漸探索出適合中國發(fā)展和需求模式的cad，更加符合國內(nèi)企業(yè)使用的cad產(chǎn)品，他們的目的是開發(fā)最好的cad，甚至是為全球提供最優(yōu)的cad技術(shù)。至2014年除了提供優(yōu)秀的cad平臺軟件技術(shù)以外，一直以來積極推進國產(chǎn)cad技術(shù)的發(fā)展，聯(lián)合眾多國產(chǎn)cad二次開發(fā)商組成的國產(chǎn)cad聯(lián)盟，更是極大促進了國產(chǎn)cad的發(fā)展壯大，為中國企業(yè)提供真正適合中國國情及應用

7、需求的cad解決方案。對于專業(yè)企業(yè)，因為繪制目標不同，還常存在有多種cad系統(tǒng)并行的局面，那么就需要配置統(tǒng)一的、具備跨平臺能力的零部件數(shù)據(jù)資源庫，將標準件庫和外購件庫內(nèi)的模型數(shù)據(jù)以中間格式（比如通用的有igs、step等）導出到三維構(gòu)型系統(tǒng)當中去，如主流的autodesk inventor， solid works, catia,中望3d,pro/e, autocad, ug nx, solid edge, one space等。國外，這種網(wǎng)絡服務被稱為“零部件圖書館”或“數(shù)據(jù)資源倉庫”。航天航空領(lǐng)域使用較多的為pro/e，飛機和汽車等復雜產(chǎn)品制造領(lǐng)域則使用catia居多，而在中小企業(yè)使用so

8、lidworks較多。在歐美和日本的plm用戶中，基于互聯(lián)網(wǎng)的plm零部件數(shù)據(jù)資源平臺linkable partcommunity（簡稱pcom）的知名度一點都不亞于今天我們所熟知的blog和sns這樣的網(wǎng)絡平臺。cae指工程設(shè)計中的計算機輔助工程cae(computer aided engineering)，指用計算機輔助求解分析復雜工程和產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)力學性能，以及優(yōu)化結(jié)構(gòu)性能等。而cae軟件可作靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析，動態(tài)分析；研究線性、非線性問題；分析結(jié)構(gòu)（固體）、流體、電磁等。知名軟件ansys，很經(jīng)典的cae軟件，國內(nèi)應用最廣，客戶成熟度最高，尤其是在高校科研領(lǐng)域。2006年收購了fluent，

9、2008年收購了an-soft。fluent是應用最廣的流體分析軟件，an-soft是應用最廣的電磁分析軟件。在收購整合的過程中，ansys的多物理場耦合成為一大特色。精品.abaqus，被廣泛地認為是功能最強的有限元軟件，可以分析復雜的固體 力學結(jié)構(gòu)力學系統(tǒng) adina，強大的非線性功能、能做直接流固耦合。ls-dyna，強大的動態(tài)問題求解器，專門汽車分析模塊，nastran，線性問題求解器pam crash，專門的碰撞研究軟件moldflow，模流分析軟件autoform，鈑金沖壓，特別是拉深分析軟件madymo，汽車安全系統(tǒng)，如氣囊，安全帶整車碰撞性能分析軟件相對歐美國家，由于技術(shù)及仿真

10、軟件的價格限制，國內(nèi)cae技術(shù)要落后一些，雖然這個技術(shù)得到了普遍的認可，但是普及程度不高。主要是因為cae技術(shù)使用門檻較高，需要專業(yè)的cae研發(fā)人員。此外安世亞太與cadfem在中國合資的安世中德可以提供cae項目的咨詢服務。二、機構(gòu)說明題目要求中的機構(gòu)為一個連桿機構(gòu)。連桿機構(gòu)優(yōu)缺點如下：優(yōu)點：連桿機構(gòu)為低副機構(gòu)，運動副為面接觸，壓強小，承載能力大，耐沖擊； 運動副元素的幾何形狀多為平面或圓柱面，便于加工制造； 在原動件運動規(guī)律不變情況下，通過改變各構(gòu)件的相對長度可以使從動件得到不同的運動規(guī)律；可以連桿曲線可以滿足不同運動軌跡的設(shè)計要求.缺點：由于運動積累誤差較大，因而影響傳動精度；由于慣性力

11、不好平衡而不適于高速傳動；設(shè)計方法比較復雜。本機構(gòu)是一個曲柄帶動四連桿機構(gòu)，從而實現(xiàn)運輸構(gòu)件實現(xiàn)往復運動，進而推動物料前進的機構(gòu)。軸承c為固定不動的約束，連接兩個軸承的搖桿互相平行，并且保證尺寸完全相等。軸d通過搖動多孔構(gòu)件，實現(xiàn)連桿機構(gòu)的往復運動。運輸構(gòu)件與連桿相連接，實現(xiàn)往復運動。運輸構(gòu)件為雙層推送板，在長方體物料兩側(cè)推送，導軌a夾在運輸構(gòu)件中間，以便物料沿著導軌前進。運輸構(gòu)件的連續(xù)往復運動，實現(xiàn)了本物料輸送機構(gòu)連續(xù)供送物料的功能。精品.三、建模過程首先，根據(jù)物料的尺寸設(shè)計各個構(gòu)件的尺寸，前期設(shè)計的合理的尺寸，可以保證構(gòu)件實現(xiàn)既定的功能。主要零件繪制過程如下：（1）軸承選定坐標系，基準平面

12、，草繪，拉伸命令，陣列。得到如圖所示零件圖3-1 軸承的建模（2）連接搖桿步驟同為，選定基準坐標系，基準平面，草圖，拉伸。圖3-2 搖桿建模（3）另一連接搖桿由于本供送機構(gòu)運動時左右兩邊為平行運轉(zhuǎn)，所以此構(gòu)件左側(cè)三個孔之間的距離應該與上一個構(gòu)件相同，這樣才能保證機構(gòu)正常運轉(zhuǎn)，否則可能出現(xiàn)卡死的情況。精品.圖3-3 搖桿建模（4）運輸構(gòu)件構(gòu)件的具體建模過程和上述幾個構(gòu)件類似，只是運輸構(gòu)件是由三個拉伸組合在一起的，所以運用布爾運算求和。此外，由于推送物件需要穩(wěn)定性，所以此運輸構(gòu)件分居導軌兩側(cè)，以保證物料的平穩(wěn)推送。圖3-4 運輸構(gòu)件建模零件的裝配：（1）調(diào)入零件軸承，設(shè)為絕對原點（由二維圖可知，軸

13、承為固定約束）；（2）調(diào)入軸d，通過距離移動，將d放置于距離坐標原來（0，700，-700）的位置，通過固定約束將軸d固定；（3）通過接觸對其等命令將其他構(gòu)件，裝配在一起。兩個搖桿之間加平行約束，確保裝配后的零件相協(xié)調(diào)；（4）調(diào)入導軌，通過距離移動，移動到運輸構(gòu)件兩板之間合適的位置，通過固定約束將其精品.固定。（5）添加物料，裝配完成。截圖如下：圖3-5 裝配圖圖3-6 帶物料裝配圖四、有限元分析題目給出的物料的尺寸為120mm200mm300mm，假設(shè)物料密度為=5.0103kg/m3，由m=v，物料的質(zhì)量為m=v=5.0103kg/m3100200300mm3/109=30kg由g=mg，

14、得物料所受的重力為g=mg=30kg9.8n/kg=294n考慮物料與導軌之間的摩擦，不潤滑時假定摩擦系數(shù)=0.15，計算摩擦力。精品.由f=n=g，得物料的摩擦力f=g=0.15294n=44.1n每塊物料與推送板接觸的面積為s=60120mm2=7.210-3m2物料對推送板接觸部分形成的均布壓力計算為p=f推/s=f/s=44.1n/7.210-3m2=6125pa=6.12510-3mpa考慮到初始接觸物件時由于動量定理，均布壓力為平時的兩倍。所以最大均布壓力為p=1.22510-2mpa。對運輸構(gòu)件單板進行有限元分析，運輸構(gòu)件如下圖所示，該構(gòu)件的運動過程中，推送物料的某一瞬時，接觸均

15、布壓力為1.22510-2mpa，構(gòu)件材料的彈性模量為210000mpa，泊松比為0.3。通過有限元軟件ansys計算該構(gòu)件的剛度和強度。1.有限元模型的建立cae軟件雖然也包含一些簡單的建模功能，但是相對于cad軟件還是相對薄弱。所以cad可以導出為cae無需建模，直接用來分析的格式，不同的cad軟件導出時采用的格式也不一樣，格式選用不當可能造成無法分析，或者分析結(jié)果偏離正確結(jié)果很遠。本題對于ug，采用parasolid 中的*.x_t格式，這個是最適合的。（1）導入幾何模型。(fileimportpara.)（首先需要在ug中將機架模型進行簡化，去掉對分析影響很小的特征，以簡化模型，并將模

16、型保存為parasolid的格式，文件名為*.x_t。）圖4-1 導入零件精品.選中需要導入的*.x_t文件，點擊ok。（2）設(shè)置單元類型ansys main menupreprocessorelement typeadd/edit/delete選取10node187單元圖4-2 設(shè)置單元（3）設(shè)置材料屬性ansys main menupreprocessormaterial props material models各向同性線彈性材料：彈性模量e=2.1e5，泊松比v=0.3圖4-3 設(shè)置材料屬性（4）網(wǎng)格劃分ansys main menupreprocessormeshtool選擇smar

17、tsize,設(shè)置網(wǎng)格疏密程度6級，點擊mesh。精品.圖4-4 劃分網(wǎng)格選中要劃分的體（亦可點擊pick all），點擊ok。2.施加載荷（1）施加接觸壓力pressureansys main menusolutiondefine loadsstructuralpressureon areas選定運輸構(gòu)件與物料接觸的部分施加壓力；選定5個接觸面，施加計算好的載荷。圖4-5 施加接觸載荷（2）構(gòu)件與連桿連接端施加固定位移約束ansys main menusolutiondefine loadsstructuraldisplacement -on areas選取構(gòu)件連接端的兩個面，點擊ok。精品.

18、圖4-6 施加固定載荷3.求解：ansys main menusolutionsolvecurrent ls圖4-7 求解4.讀取結(jié)果（1）變形以后的形狀精品.圖4-8 輸送構(gòu)件變形量（2）x、y、z方向位移云圖如下所示圖4-9 x方向位移精品.圖4-10 y方向位移.圖4-11 z方向位移由變形結(jié)果和x、y、z三個方向的位移結(jié)果可以看出，y方向變形最大，z方向次之，x方向變形量最小，運輸構(gòu)件發(fā)生了變形和扭曲，模擬的結(jié)果符合工作的實際情況，具有參考價值。由于變形量均較小，均在10-4以下，故所設(shè)計的運輸構(gòu)件的尺寸符合強度要求。（3）米塞斯等效應力云圖精品.圖4-12 米塞斯等效應力由圖可以大致

19、看出應力集中于與物料接觸部分的圓角位置，還有與連桿接觸的孔的位置。將應力集中部分的應力放大截圖如下。圖4-13 應力集中區(qū)域精品.圖4-14 應力集中區(qū)域由以上兩圖可以看出與物料接觸部分的應力值更大，高于連桿接觸部分，因為該處雖然所受的接觸力小一些，但構(gòu)件的尺寸也很小，因此產(chǎn)生的應力值很大，此處最易發(fā)生疲勞破壞。因此在設(shè)計運輸構(gòu)件的時候建議加大一些尺寸，把圓角半徑設(shè)置得大一些。五、運動學分析（1）導入模型，將ug中裝配好的模型轉(zhuǎn)換成x_t格式，導入adams中。如下圖所示圖5-1 導入模型精品.（2）添加約束在各個關(guān)節(jié)結(jié)合處添加轉(zhuǎn)動副。單擊工具欄中的旋轉(zhuǎn)副按鈕，并將創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)副的選項設(shè)置為2bo

20、d-1loc和pick geometry feature，然后在圖形區(qū)單擊軸承和大地，之后需要選擇一個作用點，按下鼠標左鍵后就可以創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)副，注意調(diào)整方向。然后用同樣的方法創(chuàng)建其他關(guān)節(jié)之間的旋轉(zhuǎn)副。圖5-2 添加旋轉(zhuǎn)副在導軌和大地之間添加固定副，以固定導軌6個自由度。圖5-3 添加固定副（3）添加驅(qū)動。在運動副joint1上添加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動。單擊主工具欄的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動按鈕 ，然后在選擇上面創(chuàng)建的旋轉(zhuǎn)副1，然后在圖形區(qū)單擊鼠標右鍵，在快捷菜單中中選擇modify，在編輯對話框中將驅(qū)動函數(shù)設(shè)置為30d*sin(time)，如圖精品.5-4所示。圖5-4 添加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動（4）運行仿真計算。單擊主工具欄的仿真計算按鈕，將仿真類型設(shè)置為kinematic，仿真時間end time設(shè)置為20，仿真步數(shù)steps設(shè)置為500，然后單擊運行按鈕進行仿真計算。（5）繪制運動軌跡。單擊菜單【review】【create trace spline】，然后選擇part3左端點marker52，再選擇軸d與大地的鉸接點，鼠標移動軸d處，單擊鼠標右鍵，在彈出對話框中選擇ground，單擊ok創(chuàng)建運動軌跡，如圖5-5所示。圖5-5 關(guān)鍵點的運動軌跡所得軌跡與題目給出的軌跡曲線基本吻合，說明運動是合理的。可行的。精品.（6）結(jié)果后處理。按下鍵盤上的f8鍵，界面將從view模塊直接進入