吳小亞（廣州東芝白云菱機(jī)電力電子有限公司，廣東廣州510460）

Pro/MECHANICA在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

吳小亞
（廣州東芝白云菱機(jī)電力電子有限公司，廣東廣州510460）

近年來(lái)，各種CAE(計(jì)算機(jī)輔助分析)軟件異軍突起，各主流三維設(shè)計(jì)軟件公司都推出了各自的CAE應(yīng)用模塊，Pro/ME?CHANICA以其與三維建模模塊的無(wú)縫集成——建模模塊中的模型無(wú)需任何轉(zhuǎn)換即可直接用于Pro/MECHANICA分析而廣為稱(chēng)道。以作者多年的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，并結(jié)合一個(gè)較簡(jiǎn)單的實(shí)例對(duì)Pro/MECHANICA的應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

Pro/MECHANICA；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；計(jì)算機(jī)輔助分析

0　引言

CAE（計(jì)算機(jī)輔助分析）技術(shù)的興起，計(jì)算機(jī)能越來(lái)越多地替人們完成復(fù)雜的計(jì)算工作，并得出設(shè)計(jì)優(yōu)化方案，從而降低設(shè)計(jì)工作強(qiáng)度、提高工作效率，加快產(chǎn)品開(kāi)發(fā)速度和增強(qiáng)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。

1　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的任務(wù)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的任務(wù)可概括為：以最低的成本，最快的速度，設(shè)計(jì)出符合產(chǎn)品預(yù)定功能要求、壽命要求和安全要求的產(chǎn)品。

如設(shè)計(jì)不當(dāng)，在產(chǎn)品中就會(huì)發(fā)生構(gòu)件失效的情況，如某個(gè)零件因?yàn)閺?qiáng)度不足而發(fā)生變形、斷裂等。構(gòu)件的失效直接導(dǎo)致產(chǎn)品功能的失效，是非常嚴(yán)重的設(shè)計(jì)缺陷。在設(shè)計(jì)階段有必要對(duì)關(guān)鍵零部件的強(qiáng)度進(jìn)行校驗(yàn)，從而防止失效的發(fā)生。手工計(jì)算工作量很大，且對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)要求較高，而一般的工程技術(shù)人員并不具備進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算的能力；做樣機(jī)試驗(yàn)又成本高，周期長(zhǎng)。所以最好的解決之道就是通過(guò)CAE軟件進(jìn)行分析，在設(shè)計(jì)之初即找出問(wèn)題點(diǎn)加以解決，并找出最優(yōu)方案，降低成本。Pro/MECHANICA與Pro/E無(wú)縫集成，在Pro/E中創(chuàng)建的模型可直接用于Pro/MECHANI?CA中進(jìn)行分析，因而使用非常方便。

一般通過(guò)以下幾個(gè)要素來(lái)評(píng)價(jià)一個(gè)構(gòu)件的合理性：

（1）強(qiáng)度：構(gòu)件抵抗破壞的能力，即構(gòu)件在工作載荷下不會(huì)被破壞；

（2）剛度：構(gòu)件抵抗變形的能力，即構(gòu)件在工作載荷下不會(huì)發(fā)生過(guò)大變形而失效；

（3）穩(wěn)定性：構(gòu)件保持原來(lái)平衡狀態(tài)的能力，即構(gòu)件在工作載荷下保持原有平衡狀態(tài)，細(xì)長(zhǎng)壓桿一般要考慮穩(wěn)定性的問(wèn)題；

（4）成本：成本要低，不能為了滿足前面三個(gè)要素而一味地增大尺寸或選用高性能的優(yōu)質(zhì)材料，從而增加成本。

2　Pro/MECHANICA的分析流程

分析前需獲取的信息：構(gòu)件的詳細(xì)尺寸和構(gòu)件所使用的材料的各項(xiàng)力學(xué)性能，實(shí)際應(yīng)用中的裝配和受力情況等。

Pro/MECHANICA的分析流程：1.創(chuàng)建模型→2.定義單位→3.定義材料→4.定義約束→5.定義載荷→6.創(chuàng)建分析→7.運(yùn)行分析→8.獲取結(jié)果→9.優(yōu)化分析并找出最佳方案。

創(chuàng)建模型：按1∶1比例創(chuàng)建模型并簡(jiǎn)化模型，刪除對(duì)分析結(jié)果影響不大或無(wú)關(guān)的特征，如倒圓角等。簡(jiǎn)化特征的優(yōu)點(diǎn)是在不影響計(jì)算結(jié)果的情況下加快MECHANICA分析的運(yùn)行速度，節(jié)省工作時(shí)間，提高工作效率。

定義單位：為了便于讀解分析結(jié)果，推薦把單位設(shè)置為毫米牛頓秒（mm·N·s），這樣得出的應(yīng)力單位為兆帕（MPa）。

定義材料：根據(jù)設(shè)計(jì)構(gòu)件所選用的材料來(lái)定義材料，如果Pro/E自帶材料庫(kù)中沒(méi)有的材料，需要自行定義。

定義約束和定義載荷：此兩步最為關(guān)鍵，因?yàn)榧s束和載荷的設(shè)置，直接影響到計(jì)算結(jié)果的真實(shí)性，所以，約束和載荷的設(shè)置，務(wù)必接近構(gòu)件的真實(shí)工作狀態(tài)，否則，分析結(jié)果會(huì)失真。

創(chuàng)建分析：創(chuàng)建所需的分析。利用Pro/ME?CHANICA可進(jìn)行靜態(tài)、動(dòng)態(tài)、模態(tài)、失穩(wěn)、疲勞等多種分析。

運(yùn)行分析：一般情況下使用系統(tǒng)的缺省設(shè)置建立靜態(tài)分析，為了使計(jì)算機(jī)快速完成分析任務(wù)，要為分析合理分配內(nèi)存，分配內(nèi)存大小不要超過(guò)計(jì)算物理內(nèi)存容量的一半。

獲取結(jié)果：可以根據(jù)需要獲取應(yīng)力、應(yīng)變、位移等參數(shù)，并可通過(guò)云紋圖、等值線等顯示方式查看結(jié)果。

優(yōu)化分析并找出最佳方案：可以利用Pro/ME?CHANICA的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究功能獲得最佳解決方案。

3　Pro/MECHANICA分析實(shí)例

本例對(duì)具體的操作步驟不做敘述，主要針對(duì)困擾一般技術(shù)人員的結(jié)果解讀部份做比較詳細(xì)的介紹，如對(duì)具體操作步驟有興趣的讀者可以參考參考文獻(xiàn)[1]或其他相關(guān)書(shū)籍。

下面，以一個(gè)額定載荷為10 t（約100 000 N）的吊機(jī)的支柱為例，對(duì)Pro/MECHANI?CA的應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。吊機(jī)支柱為鋼結(jié)構(gòu)，材料為碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235-A。其屈服強(qiáng)度σs≥235 MPa，抗拉強(qiáng)度σb≥400 MPa。要求吊機(jī)支柱安全系數(shù)大于4，位移不超過(guò)10mm。其尺寸如圖1所示。

圖1　吊機(jī)支柱外形

建模并定義材料為鋼，約束為底部完全固定，由于吊機(jī)兩邊都有支柱，故單邊支柱載荷為50 000N（施加載荷前定義好載荷區(qū)域）。定義好約束和載荷后的模型如圖2。以系統(tǒng)默認(rèn)方式建立靜態(tài)分析并運(yùn)行分析，分析時(shí)間的長(zhǎng)短視分析類(lèi)型、模型的復(fù)雜程度和計(jì)算機(jī)的配置而定。短則幾十秒，長(zhǎng)則幾個(gè)小時(shí)。

分析完成后獲取結(jié)果如圖3和圖4所示。

在本實(shí)例中，需要獲取的數(shù)據(jù)是范氏等效應(yīng)力和位移。從分析結(jié)果可以看出，此吊機(jī)支柱的最大應(yīng)力為65.06MPa（可以通過(guò)信息菜單→模型最大值進(jìn)行查看），主要集中在載荷施加區(qū)域，柱身的最大應(yīng)力為16.64MPa，而其他大部分區(qū)域的應(yīng)力小于16.64MPa，各部分最大應(yīng)力都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Q235-A鋼的抗拉強(qiáng)度400 MPa。安全系數(shù)=400/ 65.06≈6.1。最大位移為5.905mm，位于吊機(jī)支柱的支撐部位。從分析結(jié)果可以得出結(jié)論：安全系數(shù)大于4，位移不超過(guò)10mm，完全滿足設(shè)計(jì)預(yù)期要求。

由于本吊機(jī)支柱屬于較典型的壓桿，有必要對(duì)其穩(wěn)定性（Buckling）進(jìn)行分析。穩(wěn)定性分析的關(guān)鍵是找出失穩(wěn)臨界載荷和構(gòu)件發(fā)生屈曲時(shí)的模態(tài)形狀。Pro/MECHANICA通過(guò)求解“失穩(wěn)載荷因子”，通過(guò)下式來(lái)計(jì)算失穩(wěn)臨界載荷：

失穩(wěn)臨界載荷=失穩(wěn)載荷因子×靜態(tài)分析中施加的載荷大小

圖2　約束和載荷的施加

圖3　應(yīng)力云紋圖

圖4　位移云紋圖

在失穩(wěn)分析中，通常只需著重關(guān)注一階失穩(wěn)即可。下面來(lái)求解并解讀其穩(wěn)定性方面的數(shù)據(jù)。

分析結(jié)果如圖5所示。

從分析結(jié)果中可知，失穩(wěn)載荷因子等于6.155，由于靜態(tài)分析中施加的載荷大小為50 000 N，從而可得失穩(wěn)臨界載荷等于6.155×50 000= 307 750N，也就是說(shuō)，當(dāng)載荷超過(guò)307 750N時(shí)，此構(gòu)件會(huì)失穩(wěn)，工作中必須確保最大載荷不超過(guò)307 750 N，并留有一定的安全余量。圖5中的變形形狀即是一階失穩(wěn)后的變形形狀。

圖5　一階失穩(wěn)分析結(jié)果

4　結(jié)束語(yǔ)

從上面的介紹可知，只需要一些基本的力學(xué)知識(shí)，就可以利用Pro/MECHANICA來(lái)完成一些復(fù)雜零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析工作。原本非常專(zhuān)業(yè)的計(jì)算工作變的如此簡(jiǎn)單、快捷，且計(jì)算結(jié)果能直觀地在圖形上反映，方便實(shí)用。

［1］二代龍震工作室.Pro/MECHANICAWildfire 3.0/4.0結(jié)構(gòu)/熱力分析［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2008.

(編輯：向飛)

Application of Pro/MECHANICA in Structure Design

WU Xiao-ya
（Guangzhou TOSHIBA Baiyun RYOKIPower Electronics Co.，Ltd.，Guangzhou510460，China）

In recentyears，various CAE(Computer Aided Engineering)software rose，eachmainstream of 3D design software companies have launched their own CAE applicationmodules，Pro/MECHANICA known as its seam less integration with 3Dmodelingmodule，that model inmodelingmodulewithoutany transformation isapplied to the analysisof Pro/MECHANICA directly.Based on yearsofexperience in applications，combined with a simpleexample，this paperbriefly described theapplication of Pro/MECHANICA.

Pro/MECHANICA；structure design；computer aided engineering

TP391.7

A

1009－9492(2015)06－0121－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.06.033

2015－01－17

吳小亞，男，1981年生，湖南婁底人，大學(xué)本科。研究領(lǐng)域：變頻器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。已發(fā)表論文1篇。