CADCAE綜合運用實例

1、燕山大學(xué)本科生課程CAD/CAE綜合應(yīng)用CAD/CAE綜合應(yīng)用課程題目 題目38物料供送機構(gòu)姓 名 學(xué) 號 班 級 指導(dǎo)教師 2015年6月題目要求題目38.供送物料尺寸：120*200*300，供送效率35pcs/min摘 要在現(xiàn)代產(chǎn)品開發(fā)過程中，CAD/CAE已成為基本工具。對于機械專業(yè)的本科生，CAD/CAE技術(shù)在機械工程及材料加工工程方面應(yīng)用的重要實踐性環(huán)節(jié)，能提高我們使用軟件進行設(shè)計、分析能力。本文重點介紹了一種物料供送機構(gòu)，運用三維軟件UG進行三維建模，再通過第三方格式導(dǎo)入ANSYS，對關(guān)鍵零件進行結(jié)構(gòu)分析，得出相關(guān)結(jié)果，提出合理優(yōu)化結(jié)構(gòu)的建議。將UG所畫的裝配圖導(dǎo)入ADAMS進行

2、運動學(xué)仿真，觀察運動軌跡是否合理，是否能很好地完成供送任務(wù)。關(guān)鍵字：CAD/CAE；UG；ANSYS；優(yōu)化；ADAMS一、CAD/CAE介紹CAD計算機輔助設(shè)計(CAD-Computer Aided Design)指利用計算機及其圖形設(shè)備幫助設(shè)計人員進行設(shè)計工作。 在設(shè)計中通常要用計算機對不同方案進行大量的計算、分析和比較，以決定最優(yōu)方案；各種設(shè)計信息，不論是數(shù)字的、文字的或圖形的，都能存放在計算機的內(nèi)存或外存里，并能快速地檢索；設(shè)計人員通常用草圖開始設(shè)計，將草圖變?yōu)楣ぷ鲌D的繁重工作可以交給計算機完成；由計算機自動產(chǎn)生的設(shè)計結(jié)果，可以快速做出圖形，使設(shè)計人員及時對設(shè)計做出判斷和修改；利用計算機

3、可以進行與圖形的編輯、放大、縮小、平移、復(fù)制和旋轉(zhuǎn)等有關(guān)的圖形數(shù)據(jù)加工工作。CAD(Computer Aided Design，計算機輔助設(shè)計）誕生于二十世紀60年代，是美國麻省理工學(xué)院提出的交互式圖形學(xué)的研究計劃，由于當時硬件設(shè)施昂貴，只有美國通用汽車公司和美國波音航空公司使用自行開發(fā)的交互式繪圖系統(tǒng)。二十世紀70年代，小型計算機費用下降，美國工業(yè)界才開始廣泛使用交互式繪圖系統(tǒng)。二十世紀80年代，由于PC機的應(yīng)用，CAD（計算機輔助設(shè)計）得以迅速發(fā)展，出現(xiàn)了專門從事CAD系統(tǒng)開發(fā)的公司。當時Versa CAD是專業(yè)的CAD制作02公司，所開發(fā)的CAD軟件功能強大，但由于其價格昂貴，故得不到普

4、遍應(yīng)用。而當時的Autodesk（美國電腦軟件公司）公司是一個僅有員工數(shù)人的小公司，其開發(fā)的CAD系統(tǒng)雖然功能有限，但因其可免費拷貝，故在社會得以廣泛應(yīng)用。同時，由于該系統(tǒng)的開放性，該CAD軟件升級迅速。設(shè)計者很早就開始使用計算機進行計算。有人認為（伊凡.薩瑟蘭郡）Ivan Sutherland在1963年在麻省理工學(xué)院開發(fā)的Sketchpad（畫板）是一個轉(zhuǎn)折點。SKETCHPAD的突出特性是它允許設(shè)計者用圖形方式和計算機交互：設(shè)計可以用一枝光筆在陰極射線管屏幕上繪制到計算機里。實際上，這就是圖形化用戶界面的原型，而這種界面是現(xiàn)代CAD不可或缺的特性。CAD最早的應(yīng)用是在汽車制造、航空航天以

5、及電子工業(yè)的大公司中。隨著計算機變得更便宜，應(yīng)用范圍也逐漸變廣。CAD的實現(xiàn)技術(shù)從那個時候起經(jīng)過了許多演變。這個領(lǐng)域剛開始的時候主要被用于產(chǎn)生和手繪的圖紙相仿的圖紙。計算機技術(shù)的發(fā)展使得計算機在設(shè)計活動中得到更有技巧的應(yīng)用。如今，CAD已經(jīng)不僅僅用于繪圖和顯示，它開始進入設(shè)計者的專業(yè)知識中更“智能”的部分。隨著電腦科技的日益發(fā)展，性能的提升和更便宜的價格，許多公司已采用立體的繪圖設(shè)計。以往，礙于電腦性能的限制，繪圖軟件只能停留在平面設(shè)計，欠缺真實感，而立體繪圖則沖破了這一限制，令設(shè)計藍圖更實體化，3D圖紙繪制也能夠表達出2D圖紙無法繪制的曲面，能夠更充分表達設(shè)計師的意圖。國產(chǎn)CAD發(fā)展歷程中國

6、CAD技術(shù)起源于國外CAD平臺技術(shù)基礎(chǔ)上的二次開發(fā)，隨著中國企業(yè)對CAD應(yīng)用需求的提升，國內(nèi)眾多CAD技術(shù)開發(fā)商紛紛通過開發(fā)基于國外平臺軟件的二次開發(fā)產(chǎn)品讓國內(nèi)企業(yè)真正普及了CAD，并逐漸涌現(xiàn)出一批真正優(yōu)秀的CAD開發(fā)商。在二次開發(fā)的基礎(chǔ)上，部分頂尖的國內(nèi)CAD開發(fā)商也逐漸探索出適合中國發(fā)展和需求模式的CAD，更加符合國內(nèi)企業(yè)使用的CAD產(chǎn)品，他們的目的是開發(fā)最好的CAD，甚至是為全球提供最優(yōu)的CAD技術(shù)。至2014年除了提供優(yōu)秀的CAD平臺軟件技術(shù)以外，一直以來積極推進國產(chǎn)CAD技術(shù)的發(fā)展，聯(lián)合眾多國產(chǎn)CAD二次開發(fā)商組成的國產(chǎn)CAD聯(lián)盟，更是極大促進了國產(chǎn)CAD的發(fā)展壯大，為中國企業(yè)提供真

7、正適合中國國情及應(yīng)用需求的CAD解決方案。對于專業(yè)企業(yè)，因為繪制目標不同，還常存在有多種CAD系統(tǒng)并行的局面，那么就需要配置統(tǒng)一的、具備跨平臺能力的零部件數(shù)據(jù)資源庫，將標準件庫和外購件庫內(nèi)的模型數(shù)據(jù)以中間格式（比如通用的有IGS、STEP等）導(dǎo)出到三維構(gòu)型系統(tǒng)當中去，如主流的Autodesk Inventor， Solid Works, CATIA,中望3D,Pro/E, AutoCAD, UG NX, Solid Edge, One space等。國外，這種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)被稱為“零部件圖書館”或“數(shù)據(jù)資源倉庫”。航天航空領(lǐng)域使用較多的為Pro/E，飛機和汽車等復(fù)雜產(chǎn)品制造領(lǐng)域則使用Catia居多，

8、而在中小企業(yè)使用Solidworks較多。在歐美和日本的PLM用戶中，基于互聯(lián)網(wǎng)的PLM零部件數(shù)據(jù)資源平臺LinkAble PARTcommunity（簡稱PCOM）的知名度一點都不亞于今天我們所熟知的BLOG和SNS這樣的網(wǎng)絡(luò)平臺。CAE指工程設(shè)計中的計算機輔助工程CAE(Computer Aided Engineering)，指用計算機輔助求解分析復(fù)雜工程和產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，以及優(yōu)化結(jié)構(gòu)性能等。而CAE軟件可作靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析，動態(tài)分析；研究線性、非線性問題；分析結(jié)構(gòu)（固體）、流體、電磁等。知名軟件Ansys，很經(jīng)典的CAE軟件，國內(nèi)應(yīng)用最廣，客戶成熟度最高，尤其是在高?？蒲蓄I(lǐng)域。2006年

9、收購了Fluent，2008年收購了AN-SOFT。Fluent是應(yīng)用最廣的流體分析軟件，AN-SOFT是應(yīng)用最廣的電磁分析軟件。在收購整合的過程中，Ansys的多物理場耦合成為一大特色。ABAQUS，被廣泛地認為是功能最強的有限元軟件，可以分析復(fù)雜的固體 力學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)系統(tǒng) ADINA，強大的非線性功能、能做直接流固耦合。LS-DYNA，強大的動態(tài)問題求解器，專門汽車分析模塊，Nastran，線性問題求解器Pam crash，專門的碰撞研究軟件Moldflow，模流分析軟件AutoForm，鈑金沖壓，特別是拉深分析軟件Madymo，汽車安全系統(tǒng)，如氣囊，安全帶整車碰撞性能分析軟件相對歐美國家，

10、由于技術(shù)及仿真軟件的價格限制，國內(nèi)CAE技術(shù)要落后一些，雖然這個技術(shù)得到了普遍的認可，但是普及程度不高。主要是因為CAE技術(shù)使用門檻較高，需要專業(yè)的CAE研發(fā)人員。此外安世亞太與CADFEM在中國合資的安世中德可以提供CAE項目的咨詢服務(wù)。二、機構(gòu)說明題目要求中的機構(gòu)為一個連桿機構(gòu)。連桿機構(gòu)優(yōu)缺點如下：優(yōu)點：連桿機構(gòu)為低副機構(gòu)，運動副為面接觸，壓強小，承載能力大，耐沖擊； 運動副元素的幾何形狀多為平面或圓柱面，便于加工制造； 在原動件運動規(guī)律不變情況下，通過改變各構(gòu)件的相對長度可以使從動件得到不同的運動規(guī)律；可以連桿曲線可以滿足不同運動軌跡的設(shè)計要求.缺點：由于運動積累誤差較大，因而影響傳動精

11、度；由于慣性力不好平衡而不適于高速傳動；設(shè)計方法比較復(fù)雜。本機構(gòu)是一個曲柄帶動四連桿機構(gòu)，從而實現(xiàn)運輸構(gòu)件實現(xiàn)往復(fù)運動，進而推動物料前進的機構(gòu)。軸承C為固定不動的約束，連接兩個軸承的搖桿互相平行，并且保證尺寸完全相等。軸D通過搖動多孔構(gòu)件，實現(xiàn)連桿機構(gòu)的往復(fù)運動。運輸構(gòu)件與連桿相連接，實現(xiàn)往復(fù)運動。運輸構(gòu)件為雙層推送板，在長方體物料兩側(cè)推送，導(dǎo)軌A夾在運輸構(gòu)件中間，以便物料沿著導(dǎo)軌前進。運輸構(gòu)件的連續(xù)往復(fù)運動，實現(xiàn)了本物料輸送機構(gòu)連續(xù)供送物料的功能。三、建模過程首先，根據(jù)物料的尺寸設(shè)計各個構(gòu)件的尺寸，前期設(shè)計的合理的尺寸，可以保證構(gòu)件實現(xiàn)既定的功能。主要零件繪制過程如下：（1）軸承選定坐標系，

12、基準平面，草繪，拉伸命令，陣列。得到如圖所示零件圖3-1 軸承的建模（2）連接搖桿步驟同為，選定基準坐標系，基準平面，草圖，拉伸。圖3-2 搖桿建模（3）另一連接搖桿由于本供送機構(gòu)運動時左右兩邊為平行運轉(zhuǎn)，所以此構(gòu)件左側(cè)三個孔之間的距離應(yīng)該與上一個構(gòu)件相同，這樣才能保證機構(gòu)正常運轉(zhuǎn)，否則可能出現(xiàn)卡死的情況。圖3-3 搖桿建模（4）運輸構(gòu)件構(gòu)件的具體建模過程和上述幾個構(gòu)件類似，只是運輸構(gòu)件是由三個拉伸組合在一起的，所以運用布爾運算求和。此外，由于推送物件需要穩(wěn)定性，所以此運輸構(gòu)件分居導(dǎo)軌兩側(cè)，以保證物料的平穩(wěn)推送。圖3-4 運輸構(gòu)件建模零件的裝配：（1）調(diào)入零件軸承，設(shè)為絕對原點（由二維圖可知，

13、軸承為固定約束）；（2）調(diào)入軸D，通過距離移動，將D放置于距離坐標原來（0，700，-700）的位置，通過固定約束將軸D固定；（3）通過接觸對其等命令將其他構(gòu)件，裝配在一起。兩個搖桿之間加平行約束，確保裝配后的零件相協(xié)調(diào)；（4）調(diào)入導(dǎo)軌，通過距離移動，移動到運輸構(gòu)件兩板之間合適的位置，通過固定約束將其固定。（5）添加物料，裝配完成。截圖如下：圖3-5 裝配圖圖3-6 帶物料裝配圖四、有限元分析題目給出的物料的尺寸為120mm×200mm×300mm，假設(shè)物料密度為=5.0×103kg/m3，由m=V，物料的質(zhì)量為m=V=5.0×103kg/m3×

14、;100×200×300mm3/109=30kg由G=mg，得物料所受的重力為G=mg=30kg×9.8N/kg=294N考慮物料與導(dǎo)軌之間的摩擦，不潤滑時假定摩擦系數(shù)=0.15，計算摩擦力。由f=N=G，得物料的摩擦力f=G=0.15×294N=44.1N每塊物料與推送板接觸的面積為S=60×120mm2=7.2×10-3m2物料對推送板接觸部分形成的均布壓力計算為P=F推/S=f/S=44.1N/7.2×10-3m2=6125Pa=6.125×10-3MPa考慮到初始接觸物件時由于動量定理，均布壓力為平時的兩倍

15、。所以最大均布壓力為P=1.225×10-2MPa。對運輸構(gòu)件單板進行有限元分析，運輸構(gòu)件如下圖所示，該構(gòu)件的運動過程中，推送物料的某一瞬時，接觸均布壓力為1.225×10-2MPa，構(gòu)件材料的彈性模量為210000MPa，泊松比為0.3。通過有限元軟件ANSYS計算該構(gòu)件的剛度和強度。1.有限元模型的建立CAE軟件雖然也包含一些簡單的建模功能，但是相對于CAD軟件還是相對薄弱。所以CAD可以導(dǎo)出為CAE無需建模，直接用來分析的格式，不同的CAD軟件導(dǎo)出時采用的格式也不一樣，格式選用不當可能造成無法分析，或者分析結(jié)果偏離正確結(jié)果很遠。本題對于UG，采用parasolid 中

16、的*.x_t格式，這個是最適合的。（1）導(dǎo)入幾何模型。(File>Import>Para.)（首先需要在UG中將機架模型進行簡化，去掉對分析影響很小的特征，以簡化模型，并將模型保存為parasolid的格式，文件名為*.x_t。）圖4-1 導(dǎo)入零件選中需要導(dǎo)入的*.x_t文件，點擊ok。（2）設(shè)置單元類型ANSYS Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete選取10node187單元圖4-2 設(shè)置單元（3）設(shè)置材料屬性ANSYS Main Menu>Preprocessor>Material

17、Props> Material Models各向同性線彈性材料：彈性模量E=2.1e5，泊松比v=0.3圖4-3 設(shè)置材料屬性（4）網(wǎng)格劃分ANSYS Main Menu>Preprocessor>Meshtool選擇Smartsize,設(shè)置網(wǎng)格疏密程度6級，點擊mesh。圖4-4 劃分網(wǎng)格選中要劃分的體（亦可點擊Pick All），點擊ok。2.施加載荷（1）施加接觸壓力pressureANSYS Main Menu>Solution>Define Loads>Structural>Pressure>on Areas選定運輸構(gòu)件與物料接觸的部分

18、施加壓力；選定5個接觸面，施加計算好的載荷。圖4-5 施加接觸載荷（2）構(gòu)件與連桿連接端施加固定位移約束ANSYS Main Menu>Solution>Define Loads>Structural>Displacement ->on Areas選取構(gòu)件連接端的兩個面，點擊ok。圖4-6 施加固定載荷3.求解：ANSYS Main Menu>Solution>Solve>Current LS圖4-7 求解4.讀取結(jié)果（1）變形以后的形狀圖4-8 輸送構(gòu)件變形量（2）x、y、z方向位移云圖如下所示圖4-9 x方向位移圖4-10 y方向位移.圖4-

19、11 z方向位移由變形結(jié)果和x、y、z三個方向的位移結(jié)果可以看出，y方向變形最大，z方向次之，x方向變形量最小，運輸構(gòu)件發(fā)生了變形和扭曲，模擬的結(jié)果符合工作的實際情況，具有參考價值。由于變形量均較小，均在10-4以下，故所設(shè)計的運輸構(gòu)件的尺寸符合強度要求。（3）米塞斯等效應(yīng)力云圖圖4-12 米塞斯等效應(yīng)力由圖可以大致看出應(yīng)力集中于與物料接觸部分的圓角位置，還有與連桿接觸的孔的位置。將應(yīng)力集中部分的應(yīng)力放大截圖如下。圖4-13 應(yīng)力集中區(qū)域圖4-14 應(yīng)力集中區(qū)域由以上兩圖可以看出與物料接觸部分的應(yīng)力值更大，高于連桿接觸部分，因為該處雖然所受的接觸力小一些，但構(gòu)件的尺寸也很小，因此產(chǎn)生的應(yīng)力值很

20、大，此處最易發(fā)生疲勞破壞。因此在設(shè)計運輸構(gòu)件的時候建議加大一些尺寸，把圓角半徑設(shè)置得大一些。五、運動學(xué)分析（1）導(dǎo)入模型，將UG中裝配好的模型轉(zhuǎn)換成x_t格式，導(dǎo)入ADAMS中。如下圖所示圖5-1 導(dǎo)入模型（2）添加約束在各個關(guān)節(jié)結(jié)合處添加轉(zhuǎn)動副。單擊工具欄中的旋轉(zhuǎn)副按鈕，并將創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)副的選項設(shè)置為2Bod-1Loc和Pick Geometry Feature，然后在圖形區(qū)單擊軸承和大地，之后需要選擇一個作用點，按下鼠標左鍵后就可以創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)副，注意調(diào)整方向。然后用同樣的方法創(chuàng)建其他關(guān)節(jié)之間的旋轉(zhuǎn)副。圖5-2 添加旋轉(zhuǎn)副在導(dǎo)軌和大地之間添加固定副，以固定導(dǎo)軌6個自由度。圖5-3 添加固定副（3）

21、添加驅(qū)動。在運動副joint1上添加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動。單擊主工具欄的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動按鈕 ，然后在選擇上面創(chuàng)建的旋轉(zhuǎn)副1，然后在圖形區(qū)單擊鼠標右鍵，在快捷菜單中中選擇Modify，在編輯對話框中將驅(qū)動函數(shù)設(shè)置為30d*sin(time)，如圖5-4所示。圖5-4 添加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動（4）運行仿真計算。單擊主工具欄的仿真計算按鈕，將仿真類型設(shè)置為Kinematic，仿真時間End Time設(shè)置為20，仿真步數(shù)Steps設(shè)置為500，然后單擊運行按鈕進行仿真計算。（5）繪制運動軌跡。單擊菜單【Review】【Create Trace Spline】，然后選擇part3左端點Marker52，再選擇軸D與大地的鉸接點，鼠標移動軸D處，單擊鼠標右鍵，在彈出對話框中選擇ground，單擊OK創(chuàng)建運動軌跡，如圖5-5所示。圖5-5 關(guān)鍵點的運動軌跡所得軌跡與題目給出的軌跡曲線基本吻合，說明運動是合理的。