三維實體建模與有限元分析在機械設計中的應用

1、三維實體建模與有限元分析在機械設計中的應用在傳統(tǒng)的機械設計過程中，一般要經(jīng)過設計-試制-改進等多次循環(huán)，很多關(guān)鍵零件均為經(jīng)驗設計，一直沒給出系統(tǒng)的準確的設計，即使產(chǎn)品定型，也存在設計上的問題。隨著計算機的軟件的開發(fā)和應用，在設計中，可對零件進行三維實體建模，了解實體的真實形狀，對關(guān)鍵零件進行有限元分析。這樣，不僅縮短了設計所用時間，提高設計效率，而且優(yōu)化零部件的結(jié)構(gòu)、材料性能，提高了所設計的可靠性。  1.機械設計技術(shù)路線的研究    在設計過程中，首先建立軟硬件平臺。其次，完成零部件三維結(jié)構(gòu)設計，虛擬裝配分析（干涉檢查零部件的準確性和裝配合理性），關(guān)鍵

2、零件有限元分析，總體設計，最后形成工程圖樣，機械設計技術(shù)路線。本文主要介紹三維實體建模和有限元分析部分。 2.設計過程應用舉例    現(xiàn)以壓槽機為例介紹三維實體建模和有限元分析方法。  2.1壓槽機的工作原理    如圖1所示，壓槽機通過電機帶動主軸，主軸帶動滾輪轉(zhuǎn)動，工件套在滾輪上一起轉(zhuǎn)動。同時，通過液壓系統(tǒng)傳動對壓輥施加壓力，對工件完成壓槽過程。本壓槽機可加工直徑為83102mm、厚5mm的鋼管，能壓出深34mm溝槽。 2.2三維實體建模    三維實體建模的軟

3、件很多，現(xiàn)采用SolidWorks軟件進行建模。SolidWorks可以從三維模型自動轉(zhuǎn)換出二維工程圖，SolidWorks支持的三維數(shù)據(jù)有STEP、IGES、VRML、STL格式；支持的二維數(shù)據(jù)格式有：DWG、DXF格式；支持的圖象文件格式有TIF格式。因此SolidWorks與分析軟件COSMOS/Works和ANSYS、三維實體的運動分析軟件MotionWorks、數(shù)控加工軟件CAMWorks等作了無縫連接或是中間格式轉(zhuǎn)化連接。  2.3關(guān)鍵零件的有限元分析    有限元分析是將一個形狀復雜的連續(xù)體的求解區(qū)域分解為有限個形狀簡單的子區(qū)，即

4、將一個連續(xù)體簡化為由有限個單元組成的等效組合體，通過連續(xù)體的離散化，把求解連續(xù)體的場變量（應力、應變、位移和溫度）問題簡化為有限單元節(jié)點上的場變量，求解系列代數(shù)方程組，得到近似的數(shù)值解。    在壓槽機的設計中，主軸和液壓缸為關(guān)鍵部件，其強度能否達到要求，直接關(guān)系到整體機器的可靠性，現(xiàn)以液壓缸為例介紹COSMOS軟件有限元分析方法。    計算機輔助有限元分析系統(tǒng)工作的技術(shù)流程一般為：零部件有限元模型的建立、載荷及邊界條件的處理、模型網(wǎng)格的劃分、運算處理和運算結(jié)果的分析和輸出。 液壓缸有限元模型的創(chuàng)建液壓缸有限元分析的力學模型是由液壓

5、系提供的壓力作用，通過活塞的截面面積和工作載荷可以得出液壓缸壓力    P=F/S   式中P為液壓缸工作壓強（MPa），F(xiàn)為工作載荷（N），S為活塞截面面積（mm2）。F=2000N，S=2500mm2；P=29.93MPa。    壓力作用于液壓缸整個內(nèi)表面，液壓缸底部與側(cè)板相連接固定，為一個約束條件；四個螺栓孔是用來將液壓缸和液壓缸壓蓋固定在一起的，因此成為另一個約束條件。此有限元分析模型在設計基礎上添加載荷和約束特征即可。液壓缸的有限元執(zhí)行過程      &

6、#160; （1）添加材料屬性。油缸的材料為35鑄造合金鋼；其彈性模量E=190Gpa；泊松比=0.26；屈服極限s=241MPa，密度=7300kg/m3。    （2）載荷及邊界處理。邊界約束及載荷分布在分析結(jié)果中可顯示。     （3）網(wǎng)格劃分。液壓缸的網(wǎng)格劃分參數(shù)為：節(jié)點（Nodes）32986個；單元（Elements）16453個。其網(wǎng)格劃分如圖3所示。      （4）運行計算。根據(jù)載荷及邊界條件，在壓力的作用下，其有限元分析結(jié)果如圖 4、5、6 所示。 有限元結(jié)果分析    （1）根據(jù)液壓缸有限元分析結(jié)果可知：液壓缸的最大節(jié)點應力為20.5MPa，位于缸體中間部分，根據(jù)強度校核公式，其安全系數(shù)n=620/20.5=30.24，其強度完全符合設計要求。最大節(jié)點位移為13.66m，而且應變非常小，材料很適合。   （2）根據(jù)液壓缸的應力、位移、應變云圖分析：由于安全系數(shù)比較大，相對來說是大材小用了，所以，可以考慮更換一些更適合的材料，這樣可以降低成本。