1結構零件仿真分析及孔型的優(yōu)化設計摘要本論文根據(jù)畢業(yè)設計的要求和工程實際的需要完成了結構零件仿真分析及孔型的優(yōu)化設計。介紹了有限元分析模塊Pro/MECHANICA和Pro/MECHANICAStructure結構分析模塊進行有限元分析的工作流程。采用Pro/E的軟件分析模塊ProMECHANICA對支架進行靜力分析、靈敏度分析和優(yōu)化設計。對其仿真分析后可以做到用料最省的同時強度等機械性能仍能達到規(guī)定的標準，對于大批量生產(chǎn)來說，能夠大大降低生產(chǎn)成本，順利完成了結構零件仿真分析及孔型的優(yōu)化設計所要求的各項工作。關鍵字Pro/MECHANICA有限元分析優(yōu)化設計在當今市場客戶對產(chǎn)品要求越來越高，競爭日益激烈的情況下，如何研發(fā)出更好的產(chǎn)品尤其是優(yōu)化設計產(chǎn)品中的關鍵零部件，顯得極為重要。任何產(chǎn)品的設計都是一個漸進的過程。產(chǎn)品的設計過程一般先經(jīng)過功能需求分析，然后根據(jù)需求分析結果提出概念模型。這樣的概念模型往往有幾種，即多種設計方案。因此，接下來需要對現(xiàn)有的幾種設計方案進行綜合評估，選擇最優(yōu)的設計方案1。公司選擇最優(yōu)的設計方案是希望能以最少的投資能給公司帶來巨大的利潤空間。例如聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）這種塑料材質，“PET的價格是1.2歐元/千克,一年生產(chǎn)1億個瓶,每個瓶節(jié)省1g,制造商每年就能節(jié)省2萬歐元”。本例說明了減輕飲料瓶重量既環(huán)保又省成本。如何節(jié)省材料降低成本呢？這就涉及到了結構設計優(yōu)化的問題。ProMECHANICA能對Pro/E中建立的零件進行靈敏度分析和優(yōu)化設計。畢業(yè)設計中的支架是一種廣泛應用于建筑、電力、汽車等行業(yè)的支撐類零件,對支架進行靜力分析、靈敏度分析、優(yōu)化設計。最后得出最優(yōu)數(shù)據(jù)，能在滿足支架強度要求的情況下，達到節(jié)省材料、降低成本的目的，對實際生產(chǎn)有重要的指導意義。1ProMECHANICA2美國PTC公司推出的ProMECHANICA可以完全實現(xiàn)幾何建模和結構分析的無縫集成2。用戶在ProE環(huán)境下完成零件的幾何建模后，無需退出設計環(huán)境就能進行結構分析，這是目前絕大多數(shù)軟件所不能做到的。在此之前，機械設計工程師進行分析時，首先需要使用幾何建模功能強的軟件進行建模，然后利用IGES或者STEP格式將數(shù)據(jù)導入其它分析軟件進行分析。在這種情況下，最大弊端是數(shù)據(jù)的丟失，分析人員常常需要花費大量的時間和精力進行幾何模型的修復。使用ProMECHANICA恰好可以克服這一點，該軟件可以直接利用Pro/ENGINEER的幾何模型進行有限元分析。因此，ProMECHANICA可以讓結構工程師將精力集中在設計，在設計初期就能因為結合了分析，從而縮短了整個設計周期并降低開發(fā)費用。此外利用ProMECHANICA還可以進行模型的靈敏度分析和優(yōu)化設計,具體地說，當模型的一個或多個參數(shù)在一定范圍內變化時，可以求解出滿足給定設計（如質量小，應力最小等）的最佳幾何模型，可以進行設計產(chǎn)品的靈敏度分析和優(yōu)化設計任務，完善產(chǎn)品設計。1.1ProMECHANICA模塊簡介ProMECHANICA是PTC公司強大的有限元軟件，其主要模塊可以分為以下3個部分。（1)ProMECHANICAStructure：結構分析模塊，可以進行機械零件、汽車結構、橋梁和航空結構等的結構分析和優(yōu)化設計。它能夠完成的分析種類有靜態(tài)分析、模態(tài)分析、屈曲分析、疲勞分析、非線性大變形分析等3。（2)ProMECHANICAThermal：溫度分析模塊，可以進行零件的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)溫度場分析。其分析數(shù)據(jù)可以返回到結構分析模塊，進行靈敏度分析和優(yōu)化設計。（3）ProMECHANICAMotion：運動分析模塊，可以進行機構的運動學分析、動力學分析、三維靜態(tài)分析、逆向動力學分析及干涉檢驗分析等。1.2ProMECHANICAStructure模塊簡介ProMECHANICAStructure是集靜態(tài)、動態(tài)結構分析于一體有限元分析模塊。通過指定設計參數(shù)，能夠在給出變化范圍內進行靈敏度分析，并借助優(yōu)化分析為模型尋找到最佳參數(shù)。在設計階段就對設計模型進行優(yōu)化，及時發(fā)現(xiàn)錯誤，提高產(chǎn)品設計質量，降低設計成本。3它的設計研究種類主要有三種：標準分析（Standard）、靈敏度分析（Sensitivity）和優(yōu)化設計分析（Optimization）4。概括的說，ProMECHANICAStructure模塊的分析任務為兩類，第一類為設計驗證或設計校核，例如進行設計模型的應力應變檢驗，和其他有限元分析軟件一樣，須通過創(chuàng)建幾何模型、簡化模型、設定單位和材料屬性、定義約束、定義載荷、定義分析任務、運行分析、顯示評價計算結果這樣的工作流程；第二類為模型的設計優(yōu)化，這是ProMECHANICA區(qū)別其他有限元軟件最顯著的特征。它的工作流程圖如圖1所示5。圖1ProMECHANICA優(yōu)化設計工作流程圖2基于ProMECHANICA環(huán)境下的支架模型優(yōu)化設計本課題擬研究一種適合于工程應用、低成本、重量輕的支架，對其進行有限元分析和優(yōu)化設計對實際生產(chǎn)有重要的指導意義。2.1有限元模型的建立在對支架進行有限元分析時,首先要建立精確的幾何模型,此項工作在Pro/ENGINEER中進行。在Pro/ENGINEER工作環(huán)境下按照支架模型各個參數(shù)的初始值建立模型，并將單位設置為毫米牛頓秒（mmNs）形式。建立好的簡化支架模型如圖2所示。設定單位和材料屬性定義約束、載荷定義設計參數(shù)運行靈敏度分析運行優(yōu)化設計根據(jù)結果改變模型創(chuàng)建幾何模型4圖2支架模型圖進入ProMECHANICA模塊的結構分析主界面6。將模型材料設置為Q235，它是一種常用的碳素結構鋼。這種材質的屈服值在235MPa左右，并會隨著材質的厚度的增加而使其屈服值減小。其密度為q=7.8610-9tonne/mm3,彈性模量E=206000N/mm2,泊松比=0