畢俊喜，任 昭，王舒瑋

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機械學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010051)

0 引言

隨著虛擬設(shè)計技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了各專業(yè)的有限元分析軟件如ANSYS、ABAQUS等，但是他們的實體建模能力都比較弱，如果要分析稍微復(fù)雜的機械零件就必須通過.stp格式或者.igs格式導(dǎo)入［1］，在數(shù)據(jù)交換的過程中可能導(dǎo)致拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)生錯誤，不能生成有效模型。Pro/Engineer5.0軟件集CAD/CAE功能一體化，直接可在Pro/Mechanical環(huán)境下設(shè)定材料及施加約束和載荷，進行靜態(tài)、模態(tài)及靈敏度分析［2］。

1 三維建模

該數(shù)控實驗平臺根據(jù)實驗室已有絲杠、導(dǎo)軌等進行設(shè)計，再準確測量相關(guān)參數(shù)后，以1:1比例在Proe環(huán)境下對其建模。由于Z軸為垂直地面放置的，且電機、絲杠、軸承座等對支撐板的負荷需要加強筋來分擔(dān)，如圖1。

2 靜態(tài)受力分析

從應(yīng)用程序進入Mechanical模塊后，首先定義模型的材料，選中所有零件，選擇steel，將密度設(shè)為7.82708g/，應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)為線性，泊松比為0.27，楊氏模量為210GPa，失效準則選為畸變能(von Mises)，即第四強度理論，最后將拉伸屈服應(yīng)力設(shè)為350MPa。然后添加約束，首先將底板自由度設(shè)為0，用緊固件、焊縫等連接形式將其余零件約束。對整個裝配體施加重力載荷，即Z方向加速度設(shè)置為－9.18 m/S2。在AutoGEM［3］中進行P網(wǎng)格設(shè)置及其劃分，為使分析結(jié)果更加準確，在設(shè)置中將最大邊和最大角設(shè)為150，最大長寬比設(shè)為10，最大邊翻轉(zhuǎn)度設(shè)為30，隨后進行P網(wǎng)格劃分，其網(wǎng)格及摘要如圖2。

圖1 自制實驗平臺Z軸三維模型

在分析和設(shè)計研究界面新建靜態(tài)分析，運行過程中會將裝配體理想化，其等效應(yīng)力圖和位移變形如圖3;其最大應(yīng)力為6.318 MPa發(fā)生在底板和加強筋連接處，最大位移為0.012 25 mm，發(fā)生在電機部分。其最大應(yīng)力遠遠小于許用應(yīng)力，不需要考慮。

圖2 網(wǎng)絡(luò)模型及摘要

圖3 等效應(yīng)力和等效位移圖

3 敏感度分析

由于該實驗平臺必須保證較高的平行度，一般將最大位移偏差限制在0.01 mm左右，需要重新對加強筋的尺寸進行敏感度分析，研究加強筋底端的長度的大小對整體變形的影響，故要進行全局敏感度分析。

在靜力分析的基礎(chǔ)上，選中d1為加強筋的底端長度，其變化范圍見表1;其結(jié)果如圖4。

圖4 敏感度分析結(jié)果

由結(jié)果得知當d1為220 mm時，其位移變化最小，為0.0112 mm，依舊不能滿足要求，故對其進行優(yōu)化分析。

表1 加強筋尺寸變化范圍 /mm

4 優(yōu)化設(shè)計

優(yōu)化目標為total_mass最小化，即質(zhì)量最小，設(shè)計極限為max_disp_mag＜0.01 mm，即最大等效位移小于0.01 mm，D1的變化范圍為100～400 mm，最大迭代次數(shù)為20，并在每次形狀更新后進行網(wǎng)格重劃，找到最優(yōu)尺寸D1=379.147 mm，其形狀更新后的靜態(tài)分析如圖5:可以看到其最大位移下降到0.010 5 mm，考慮到整個模型的質(zhì)量也隨著最大位移變小而增大，且允許有3%的偏差［4］，故此時D1的尺寸是可以接受的。

圖5 優(yōu)化后的靜態(tài)分析

5 結(jié)語

本文利用Pro/Mechanical模塊對自制運動平臺的關(guān)鍵部位進行一系列有限元分析，找到滿足位移變形條件下的加強筋的最優(yōu)尺寸，提高了設(shè)計效率，對相關(guān)設(shè)計有一定參考意義。

［1］ 魏效玲.基于Pro_MECHANICA的連桿機構(gòu)應(yīng)力工況分析［J］.制造業(yè)自動化，2011(11):65－73.

［2］ 劉祖良.CAD_CAE代表軟件集成接口技術(shù)淺析［J］.機械研究與應(yīng)用，2007(8):104－106.

［3］ 喬建軍.Pro ENGINEER 5.0動力學(xué)與有限元分析從入門到精通［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2010.

［4］ 吳正佳.基于Pro/E Mechanica的挖掘機關(guān)鍵部位結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化［J］.煤礦機械，2012(2):35－37.