利用UG有限元优化设计机械结构[1]

部件一
部件二
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D ig ital D es ign
数字化设计
划分， 取全局单元尺寸大小为 ２７．６， 进
基于 Ｐ Ｄ Ｍ 的 ３ Ｄ － Ｃ Ａ Ｐ Ｐ 系统从 ３Ｄ 产品模型入手，以工艺技术为核心，以三维 Ｕ Ｇ ／
行自动网格划分，生成有限元网格模 型，共有 １００８９２ 个单元和 １７９０１９ 个节 点，如图 １０ 所示。 然后对有限元模型施加表１中工况 二的载荷，材料属性不变，在 Ｕ Ｇ ／ Ｓｃｅｎａｒｉｏ ｆｏｒ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ＋中进行运算和求 解， 绘制出应力等值线图， 如图１１所示。
二、有限元分析解算
１．静力分析计算结果 根据上面建立的部件有限元分析模 型， 通过ＵＧ／Ｓｃｅｎａｒｉｏ ｆｏｒ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ＋的 ＰＥ ｓｏｌｖｅｒ解算器， 计算了部件在表１载荷 条件下的位移和应力，两种部件在不同 的工况载荷条件下计算结果见表２。
大应力结果 ： σ ｍａｘ ＝ ２６４．５Ｎ／ｍｍ ２
某企业在其石油机械产品关键部件 设计开发中，使用常规手段进行强度计 算，该部件在使用过程中发生失效断裂 的情况， 为此， 他们委托新疆科力先进制 造技术有限责任公司对该部件设计方案 进行有限元静力分析，来验证其设计方 案是否合理，并希望得到该部件优化设 计的改进依据。科力公司采用 ＵＧ ＮＸ 作 为有限元分析软件，对该部件进行了静 力分析。采用的硬件平台是联想补天 １１００ 工作站，ＣＰＵ／Ｐ４（１．８Ｇ）， 内存 ／ ５１ ２ＭＢ 。
也是先进制造系统的重要支撑技术之一。 造业企业在 Ｃ Ａ Ｐ Ｐ 系统开发（自行或联 ＣＡＰＰ 系统作为产品设计／制造一体化的 桥梁，是 Ｃ Ａ Ｄ ／ Ｃ Ａ Ｍ 系统与 Ｐ Ｄ Ｍ、Ｍ Ｒ Ｐ、
图１０ 改进后部件二的有限元模型
合） 、应用方面给予了相当大的投入， ＣＡＰＰ的初步应用已给企业带来了明显效 益。 在肯定成绩的同时， 我们必须清醒认 识到大多数 Ｃ Ａ Ｐ Ｐ 系统还徘徊在填表格 和甩图版的工作层面，ＣＡＰＰ 在企业信息 集成方面还存在较严重的信息 “孤岛” 问 题：其一，不少企业 ＣＡＤ 设计和 ＣＡＭ 设 计是基于 ３Ｄ 实体， 而在工艺设计方面采 用的是基于二维的 ＣＡＰＰ 系统，３Ｄ ＣＡＤ／ ＣＡＭ 与 ２Ｄ ＣＡＰＰ 无法实现信息共享；其 二，工艺规程中工序间的加工图形信息 彼此不相关联 其三， ； 工序中所需要的工 装夹具、 刀具、 量具和机床都采用工艺设 计的文字属性进行描述，无法用 ３Ｄ 实体 的装配形式阐述它们之间的关系。 孤立的 Ｃ Ａ Ｐ Ｐ 系统常常会产生比
ＥＲＰ 等其他企业管理软件实现集成的关 键， 是企业管理信息化的基础。 近年来， 随着计算机集成制造系统（ＣＩＭＳ）、 并行 工程（ＣＥ）、智能制造系统（ＩＭＳ）、虚拟 制造系统（ＶＭＳ）、敏捷制造（ＡＭ）等先进 制造系统的发展，对 ＣＡＰＰ 技术从应用 的广度与深度上，都提出了更高、更新
图１１ 工况二条件下改进后 部件二的应力等值线图
表１ 部件的加载数据 工况条件 载荷 Ｆｘ［ｍＮ］ Ｆｙ［ｍＮ］ Ｆｚ［ｍＮ］ Ｗ Ｐ Ｆ Ｗ 工况二 Ｐ Ｆ ４１１３７０８０ ３９３０７２９０ ６１０６５２０ ４１０５０７９０ ４０１９４７７０ ６１０６５２０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ５１９３９００ ２１７８８３９０ ７７１００ ５１８３０００ ２２２８０３２０ ７７１０００
Ｃ Ａ Ｄ、Ｕ Ｇ ／ Ｃ Ａ Ｍ 系统和 Ｍ Ｐ Ｐ 为工具，以 Ｐ Ｄ Ｍ 为集成平台，实现产品全过程的信息集成。 通过它，企业在以产品结构树（ＢＯＭ）为核心的数据管理平台上，开展产品设计、工艺优 化、数控编程、机床资源管理、现场管理及生产准备管理，建立起设计 ／ 制造一体化的快 速、柔性的生产体系。
行自动网格划分，建立了两种部件的有 限元网格模型。部件一有限元网格模型
图１ 部件一的三维模型
有 ５４５５２ 个单元和 １０００１６ 个节点 （见图
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根据部件实际安装的特点，下底板 用螺栓和轴承座固定连接，然后和支架 铰接。 因此， 在有限元分析模型中， 可认 为部件下底板的下表面的所有节点在 Ｘ、 Ｙ、Ｚ 方向上的滑移和旋转自由度都受到 约束。 ＵＧ／Ｓｃｅｎａｒｉｏ ｆｏｒ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ＋不能在 有限元模型外部加载。 因此， 在不影响分 析结果的前提下，在该部件有限元模型 的两个端头上附加了两个延长节，部件 的两头端面与延长节固定连接。 将表１中 两种工况下的三种载荷分别施加在延长 节一的端面上、轴承座垫板的底面和延 长节二的端面上，两种部件施加的约束 和载荷如图 ５、图 ６ 所示。这样，部件的 有限元分析模型就建立起来了。
三、有限元静力分析结论
根据以上对两种部件的静力计算结 果和检验分析，可以得出以下结论。 （１）两种部件均在工况二的载荷条 件下产生的位移和应力最大，部件一最 大等效应力为 ２．６４５Ｅ＋８Ｐａ， 部件二最大 等效应力为 １．５１３Ｅ＋８Ｐａ， 远大于材料的 最大许用应力，因此两种部件不具有足 够的稳定性和强度。 在实际使用中， 部件 一也发生了断裂或失效的情况。 （２）两种部件的最大应力值均集中 在下底板 Ｚ 向的两头附近和部件的中间 部分，而不是在部件的两个端头与延长 节相连接的附近。
四、优化设计改进建议
根据上述分析可知，两种部件最大 等效应力都大于材料的最大许用应力， 无法满足实际需要。我们在部件二的结 构上进行一些改进，并保持其材料用量 基本不变，取得 了预期的效果。 改进后部件 二的三维模型如 图９所示。 对此三 维模型进行网格
图６ 工况二载荷条件下部件一的应力等值线图
（１） 部件一根据实际计算的节点的最
的要求。 在国外， 经过十多年的努力， 特别是 以美国、 法国为代表的西方制造厂商， 如 Ｂｏｅｉｎｇ、 Ｌｏｃｋｈｅａｄ、 Ａｉｒｂｕｓ等著名公司在
显然， 改进后部件二的最大应力计 算结果为 ： σ ｍａｘ ＝ １０５．３ Ｎ／ｍｍ ＜［σ］
２
工艺与过程管理集成及优化方面，开发 和集成了大量的 Ｃ Ａ Ｐ Ｐ 工程应用软件和 制造数据管理软件，建立了各类工程数
基于 Ｐ Ｄ Ｍ 的 ３ Ｄ － Ｃ Ａ Ｐ Ｐ 系统研究与实践
【 华中科技大学机械学院 杨 蒙 中国空空导弹研究院 丁来军 】
图９ 改进后部件二的三维实体模型
一、Ｃ Ａ Ｐ Ｐ 技术与制造业
ＣＡＰＰ 技术作为制造业信息化的重 要组成部分， 是产品制造信息的集成地，
大提高了设计质量、 缩短了研制周期、 降 低了开发成本。 在国内， 随着信息化的不断深入， 制
在ＵＧ／Ｓｃｅｎａｒｉｏ ｆｏｒ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ＋的后 处理模块中绘制出了两种部件的应力等 值线图。其中部件一如图 ５ 和图 ６ 所示； 部件二如图 ７ 和图 ８ 所示。 ２．静强度校核 检验条件 ［σ］ ＞ σ ｍａｘ ： ［σ］ ＝ σ ｓ ／ｎ 其中 ［σ］ —— 材料的许用应力 ： ； σ ｍａｘ ——实际计算出的节点的最
表２ 部件的静力分析结果 编号 载荷条件 最大位移 最小等效应力ＳＭＮ 最大等效应力ＳＭＸ ＤＭＸ（ｍｍ） （Ｎ／ｍｍ２） （Ｎ／ｍｍ２） 工况一 ５．７６３ ０．００４３０５ ２５９．５ 工况二 ５．９０５ ０．００４３０６ ２６４．５ 工况一 ３．６６７ ０．００７１０８ １４８．０ 工况二 ３．７４６ ０．００７０５８ １５１．３
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种工艺信息相互封闭；沟通和反馈基于 纸介质， 同一数据经常被多次重复输入 ； 制造工程师往往需要花费 ５０％ 的工作时 间用来查找数据 数据信息查询难、 ； 利用 难。表现为：彼此没有联系、本地存放、
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图２ 部件二的三维模型
３）部件二有限元网格模型有６６３３１个单 ； 元和 １２００８３ 个节点（见图 ４） 。
图３ 部件一的有限元模型
完成三维建模后，可以直接进入 ＵＧ／Ｓｃｅｎａｒｉｏ ｆｏｒ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ＋ ＵＧ结构分 （ 析模块） 中进行静力分析， 建立部件有限 元分析模型的相关属性， ： 包括 单元大小 及类型、材料属性等。 由于部件三维模型中的细节将影响 整个结构的网格分布， 增加网格的数量， 使模型过于复杂。 因此， 为了减少有限元 模型网格划分的复杂程度，加快有限元 分析的速度，对部件三维模型进行了适 当简化，去掉那些对分析影响不大的特 征（如倒角、圆角等）和一些小孔。 对两种部件三维模型简化处理后， 即可进行网格划分，划分网格时选用四 面体 １０ 节点单元 （四面体 １０节点单元具 有较高的刚度以及较高计算精度） 两种 ， 部件都统一全局单元尺寸大小为３３．２， 进
从上述计算可知， 改进后的部件二 在结构复杂性和材料用量基本不变的情 况下，其最大应力σ ｍａｘ 小于材料的许 用应力［σ］， 因此改进后的部件二具有 足够的稳定性和强度。■
据库、材料库、 设计和制造特征数据库、 ＣＡＤ 数据多十倍、百倍的数据量，且各 典型工艺库、 典型零件库等， 初步解决了 产品技术准备阶段的信息集成与共享问 题（如 ＣＡＤ／ＣＡＰＰ／ＣＡＭ 集成） ，制定了 相应的企业标准规范，并成功地应用于 新型飞机的研制和型号技术改造中，大
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数字化设计
利用 Ｕ Ｇ 有限元优化设计 机械结构
【 新疆科力先进制造技术有限责任公司 新疆工业设计与快速成型生产力促进中心 李力 张科 程新平 鞠俭 】
机械设计中的一项重要工作是利用有限元分析软件计算零部件的强度和刚度， 分析零部 件在一定载荷作用下产生的应力和应变， 从而预知所设计的零部件是否满足要求， 保证设计的 可靠性， 并达到优化设计的目的。 本文以某石油机械产品的关键部件为例， 介绍了利用ＵＧ的 有限元分析功能对机械结构进行优化设计的方法。
在国外经过十多年的努力特别是以美国法国为代表的西方制造厂商如boeinglockheadairbus等著名公司在工艺与过程管理集成及优化方面开发和集成了大量的app工程应用软件和制造数据管理软件建立了各类工程数据库材料库设计和制造特征数据库典型工艺库典型零件库等初步解决了产品技术准备阶段的信息集成与共享问cadcappcam集成制定了相应的企业标准规范并成功地应用于大提高了设计质量缩短了研制周期降低了开发成本
图５ 工况一载荷条件下部件一的应力等值线图
大应力 ； ｎ —— 材料的安全系数， （安 ｎ＝２ 全系数取 ２） 。 在此部件的静力载荷检验中，应力 最大的区域是在下底板 Ｚ 反向的两个端 头处。 部件的材料为Ｑ２３５， 查表可知， 材 料的屈服极限为 ２３５Ｎ／ｍｍ２，则其许用应 力为 ： ［σ］ ＝ σ ｓ ／ ｎ ＝２３５／２＝１１７．５ Ｎ／ｍｍ２
图８ 工况二载荷条件下部件二的应力等值线图 图７工况一载荷条件下部件二的应力等值线图
故 ［σ］ ＜ σ ｍａｘ ： 可见部件一在下底板处的应力最大 处计算的应力结果σ ｍａｘ远大于材料的 许用应力［σ］ ， 因此部件一不具有足够 的稳定性和强度。 （２） 部件二根据实际计算的节点的最 大应力结果 ： σ ｍａｘ ＝ １５１．３ Ｎ／ｍｍ２ 故 ［σ］ ＜ σ ｍａｘ ： 可见部件二在下底板处的应力最大 处计算的应力结果σ ｍａｘ大于材料的许 用应力［σ］ ， 因此部件二不具有足够的 稳定性和强度。
工况一 图４ 部件二的有限元模型
一、有限元分析模型准备
１．有限元网格的建立 首先， 要建立该部件的三维模型。 此 部件提供了两种不同的设计方案。根据 部件两种设计方案的二维工程图， 在ＵＧ／ ＣＡＤ 中对此部件进行三维造型，并编号 为部件一和部件二。部件的三维模型结 构如图 １ 和图 ２ 所示。
部件的材料为 Ｑ２３５， 定义材料的弹 性模量 Ｅ ＝ ２０６ＭＰａ， 泊松比γ＝ ０．３， 密 度ρ＝７８５０ｋｇ／ｍ３。 ２．施加约束和载荷 两种表 １ 部件静力载荷检验所采用 的加载数据如表 １ 所示。