1結(jié)構(gòu)零件仿真分析及孔型的優(yōu)化設(shè)計(jì)摘要本論文根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)的要求和工程實(shí)際的需要完成了結(jié)構(gòu)零件仿真分析及孔型的優(yōu)化設(shè)計(jì)。介紹了有限元分析模塊Pro/MECHANICA和Pro/MECHANICAStructure結(jié)構(gòu)分析模塊進(jìn)行有限元分析的工作流程。采用Pro/E的軟件分析模塊ProMECHANICA對(duì)支架進(jìn)行靜力分析、靈敏度分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)其仿真分析后可以做到用料最省的同時(shí)強(qiáng)度等機(jī)械性能仍能達(dá)到規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)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(jié)構(gòu)零件仿真分析及孔型的優(yōu)化設(shè)計(jì)所要求的各項(xiàng)工作。關(guān)鍵字Pro/MECHANICA有限元分析優(yōu)化設(shè)計(jì)在當(dāng)今市場(chǎng)客戶對(duì)產(chǎn)品要求越來越高，競(jìng)爭(zhēng)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(shè)計(jì)產(chǎn)品中的關(guān)鍵零部件，顯得極為重要。任何產(chǎn)品的設(shè)計(jì)都是一個(gè)漸進(jìn)的過程。產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程一般先經(jīng)過功能需求分析，然后根據(jù)需求分析結(jié)果提出概念模型。這樣的概念模型往往有幾種，即多種設(shè)計(jì)方案。因此，接下來需要對(duì)現(xiàn)有的幾種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行綜合評(píng)估，選擇最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案1。公司選擇最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案是希望能以最少的投資能給公司帶來巨大的利潤(rùn)空間。例如聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）這種塑料材質(zhì)，“PET的價(jià)格是1.2歐元/千克,一年生產(chǎn)1億個(gè)瓶,每個(gè)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的問題。ProMECHANICA能對(duì)Pro/E中建立的零件進(jìn)行靈敏度分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。畢業(yè)設(shè)計(jì)中的支架是一種廣泛應(yīng)用于建筑、電力、汽車等行業(yè)的支撐類零件,對(duì)支架進(jìn)行靜力分析、靈敏度分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)。最后得出最優(yōu)數(shù)據(jù)，能在滿足支架強(qiáng)度要求的情況下，達(dá)到節(jié)省材料、降低成本的目的，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)有重要的指導(dǎo)意義。1ProMECHANICA2美國(guó)PTC公司推出的ProMECHANICA可以完全實(shí)現(xiàn)幾何建模和結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)環(huán)境就能進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，這是目前絕大多數(shù)軟件所不能做到的。在此之前，機(jī)械設(shè)計(jì)工程師進(jìn)行分析時(shí)，首先需要使用幾何建模功能強(qiáng)的軟件進(jìn)行建模，然后利用IGES或者STEP格式將數(shù)據(jù)導(dǎo)入其它分析軟件進(jìn)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(fèi)大量的時(shí)間和精力進(jìn)行幾何模型的修復(fù)。使用ProMECHANICA恰好可以克服這一點(diǎn)，該軟件可以直接利用Pro/ENGINEER的幾何模型進(jìn)行有限元分析。因此，ProMECHANICA可以讓結(jié)構(gòu)工程師將精力集中在設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)初期就能因?yàn)榻Y(jié)合了分析，從而縮短了整個(gè)設(shè)計(jì)周期并降低開發(fā)費(fèi)用。此外利用ProMECHANICA還可以進(jìn)行模型的靈敏度分析和優(yōu)化設(shè)計(jì),具體地說，當(dāng)模型的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，可以求解出滿足給定設(shè)計(jì)（如質(zhì)量小，應(yīng)力最小等）的最佳幾何模型，可以進(jìn)行設(shè)計(jì)產(chǎn)品的靈敏度分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)任務(wù)，完善產(chǎn)品設(shè)計(jì)。1.1ProMECHANICA模塊簡(jiǎn)介ProMECHANICA是PTC公司強(qiáng)大的有限元軟件，其主要模塊可以分為以下3個(gè)部分。（1)ProMECHANICAStructure：結(jié)構(gòu)分析模塊，可以進(jìn)行機(jī)械零件、汽車結(jié)構(gòu)、橋梁和航空結(jié)構(gòu)等的結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。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(jìn)行零件的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)溫度場(chǎng)分析。其分析數(shù)據(jù)可以返回到結(jié)構(gòu)分析模塊，進(jìn)行靈敏度分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。（3）ProMECHANICAMotion：運(yùn)動(dòng)分析模塊，可以進(jìn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、動(dòng)力學(xué)分析、三維靜態(tài)分析、逆向動(dòng)力學(xué)分析及干涉檢驗(yàn)分析等。1.2ProMECHANICAStructure模塊簡(jiǎn)介ProMECHANICAStructure是集靜態(tài)、動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)分析于一體有限元分析模塊。通過指定設(shè)計(jì)參數(shù)，能夠在給出變化范圍內(nèi)進(jìn)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(shè)計(jì)階段就對(duì)設(shè)計(jì)模型進(jìn)行優(yōu)化，及時(shí)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量，降低設(shè)計(jì)成本。3它的設(shè)計(jì)研究種類主要有三種：標(biāo)準(zhǔn)分析（Standard）、靈敏度分析（Sensitivity）和優(yōu)化設(shè)計(jì)分析（Optimization）4。概括的說，ProMECHANICAStructure模塊的分析任務(wù)為兩類，第一類為設(shè)計(jì)驗(yàn)證或設(shè)計(jì)校核，例如進(jìn)行設(shè)計(jì)模型的應(yīng)力應(yīng)變檢驗(yàn)，和其他有限元分析軟件一樣，須通過創(chuàng)建幾何模型、簡(jiǎn)化模型、設(shè)定單位和材料屬性、定義約束、定義載荷、定義分析任務(wù)、運(yùn)行分析、顯示評(píng)價(jià)計(jì)算結(jié)果這樣的工作流程；第二類為模型的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)工作流程圖2基于ProMECHANICA環(huán)境下的支架模型優(yōu)化設(shè)計(jì)本課題擬研究一種適合于工程應(yīng)用、低成本、重量輕的支架，對(duì)其進(jìn)行有限元分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)實(shí)際生產(chǎn)有重要的指導(dǎo)意義。2.1有限元模型的建立在對(duì)支架進(jìn)行有限元分析時(shí),首先要建立精確的幾何模型,此項(xiàng)工作在Pro/ENGINEER中進(jìn)行。在Pro/ENGINEER工作環(huán)境下按照支架模型各個(gè)參數(shù)的初始值建立模型，并將單位設(shè)置為毫米牛頓秒（mmNs）形式。建立好的簡(jiǎn)化支架模型如圖2所示。設(shè)定單位和材料屬性定義約束、載荷定義設(shè)計(jì)參數(shù)運(yùn)行靈敏度分析運(yùn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)根據(jù)結(jié)果改變模型創(chuàng)建幾何模型4圖2支架模型圖進(jìn)入ProMECHANICA模塊的結(jié)構(gòu)分析主界面6。將模型材料設(shè)置為Q235，它是一種常用的碳素結(jié)構(gòu)鋼。這種材質(zhì)的屈服值在235MPa左右，并會(huì)隨著材質(zhì)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