扳手零件的优化设计

【例19-3】扳手零件的优化设计

【问题描述】如图1所示为一个扳手简易图，长度为length，扳手小端宽度为width，扳手

大端圆角半径为fillet。已知零件厚度为5mm，材料弹性模量

5

210

MPa，泊松比0.3，屈服

强度200MPa。使用时大端内六边形固定，载荷通过小端圆弧与上边的切点，大小500N。现对其长度（范围为150-250mm）、小端宽度（范围为20-40mm）、大端圆角半径（范围为5-15mm）等尺寸进行优化，使零件用料最省，并且最大应力不超过屈服应力200MPa。

图1

问题分析：设置三个尺寸变量，分别为长度length，小端宽度width和大端圆角半径fillet；目标为零件用料最省，即体积最小化，且满足最大应力不超过屈服应力200MPa。

优化前处理

新建模型

(1)在电脑开始菜单单击【ANSYS 15.0】-【Workbench】，进入【workbench】工作界面。点

击【File】-【Save】，保存文件至指定的目录位置并输入项目名称。

(2)菜单栏单击【Units】，选择【Metric(tonne，mm，s，℃，mA，N，mV)】。

(3)单击打开工作界面左部工具箱中【Analysis Systems】的下拉列表，将其中【Static structure】

左键点住拖动到项目管理区，项目管理区中出现Static Structure模块A，如图2。

图2

定义材料属性

(1)双击模块A中的【Engineering Date】，进入材料定义模块。

(2)添加材料。单击工作区域左上角的“Outline of Schematic B2: Engineering Data”模块底

部的“Click here to add a new material”添加新材料，输入材料名称“banshou”。然后单击展开左侧的“Liner Elastic”栏双击选择其中的第一项“Isotropic Elasticity”如图3。

接下来在右侧“Properties of Outline Row 4:banshou”模块中填写杨氏模量“Young’s Modulus”200000Mpa，此时应注意单位为Mpa。同时填写泊松比“Poisson’s Ratio”为

0.3如图4。

(3)完成材料定义，返回到Workbench工作界面。

图3

图4

建立二维模型

(1)双击模块A的【Geometry】进入DM子程序进行建模。点击【unit】设置单位，选择毫

米【Milimeter】。

(2)创建草绘平面。单击选中导航树目录的【XYPlane】，单击工具栏中创建草绘按钮创建一

个草绘平面，此时导航树目录中【XYPlane】下会多出一个名为【Sketch1】的草绘平面如图5。

图5 图6

(3)创建草图。单击选中导航树目录的【Sketch1】草图，然后单击树形目录下端的【Sketching】

标签，打开草绘制图工具窗格。单击工具栏中【正视】按钮，切换为XY平面正视图。

(4)绘制草图。打开草图绘制工具箱默认展开绘图栏【Draw】，单击选定【Circle】在绘图窗

口绘圆，在工具箱【Constraints】栏内点击【concentric】点击坐标系原点与草图中圆心定位。之后在绘图栏【Draw】中点击画弧【Arc By Center】，在绘图区画一个半圆弧，同时点击【Constraints】栏内点击【Coincident】点击弧中心和坐标系X轴定位。之后【Draw】中点击绘画直线【line】，连接弧端点与圆，如图6。

(5)标注草图。展开草图绘制工具箱中【Dimensions】栏内的直径标注【Diameter】命令，

标注圆和圆弧尺寸。接下来应用【Length/Distance】命令标注右侧圆弧中心和Y轴中心线之间的距离。此时草图中所绘制的轮廓线由绿色变为蓝色，表示草图中所有元素均为完全约束。

(6)修改尺寸。对以上步骤绘制出的草图进行尺寸定义，包括大端直径，小端直径和长度，

标注完成后，左下方属性窗口出现各个尺寸大小如图7，对其进行修改。将D1的参数修改为50mm，D3的参数修改为30mm，L4修改为200mm，修改后如图8。

图7 图8

(7)修剪草图。点击展开草图绘制工具箱中【Modify】栏内的修剪【Trim】对草图进行修剪，

修建如图9。

图9 图10

(8)创建倒角特性。点击展开草图绘制工具箱中【Modify】栏内【Fillet】命令并在【Radius】

中更改倒圆角半径为10mm。打开【Dimensions】中【Radius】命令对倒圆角进行标注，在绘图区域单击需要改的角；点击【Constraint】栏内【Equal Radius】将两个倒角设置相同。修剪并创建倒圆角特性后的草图如图11。

(9)绘制六边形。单击选定绘图工具箱中【Draw】的【Polygon】命令，取n=6，绘制正六边

形。绘制完成后，展开草图绘制工具箱的【Dimensions】栏选中【General】命令，选取正六边形底边长进行尺寸标注。最后在属性窗格中修改正六边形的尺寸将H6设为15mm。

图11 图12

(10)创建二维模型。点击左上角“Concept”>“Surface From Sketches”如图八所示。随后随

便选取模型上的一条线，点击“Details View”栏里的“Apply”。随后设置模型厚度为5mm如图12。随后点击“Generate”，生成模型实体，如图13所示。此时生成的模型实体是二维的。

图13

(11)设定参数，为之后的优化做准备。单击设计树中【XYPlane】下的【Sketch1】，在出现的

参数设置列表中单击参数L4前的方框，弹出对话框，在对话框中输入【length】如图14。单击参数D3前的方框，弹出命名对话框，在该对话框中输入【width】。单击参数R5前的方框，弹出对话框，在对话框中输入【fillet】。最终定义的三个参数前方框出现D，表示完成参数化定义，如图15。

图14 图15

(12)退出DM，回到workbench。

划分网格

(1)双击Model栏，进入“Mechanical”窗口。在树形目录中单击选择“Mesh”。此时“Context”

工具条显示为“Mesh”工具条，如图16。在工具条中可以对模型进行网格划分。单击“Mesh Control ”，在弹出的下拉列表中选择“Sizing”来控制划分的网格的大小。