CAD-CAE综合运用实例

1、.cad/cae综合应用课程题目 题目38物料供送机构姓 名 学 号 班 级 指导教师 2015年6月精品.题目要求题目38.供送物料尺寸：120*200*300，供送效率35pcs/min精品.摘 要在现代产品开发过程中，cad/cae已成为基本工具。对于机械专业的本科生，cad/cae技术在机械工程及材料加工工程方面应用的重要实践性环节，能提高我们使用软件进行设计、分析能力。本文重点介绍了一种物料供送机构，运用三维软件ug进行三维建模，再通过第三方格式导入ansys，对关键零件进行结构分析，得出相关结果，提出合理优化结构的建议。将ug所画的装配图导入adams进行运动学仿真，观察运动轨迹是

2、否合理，是否能很好地完成供送任务。关键字：cad/cae；ug；ansys；优化；adams一、cad/cae介绍cad计算机辅助设计(cad-computer aided design)指利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作。 在设计中通常要用计算机对不同方案进行大量的计算、分析和比较，以决定最优方案；各种设计信息，不论是数字的、文字的或图形的，都能存放在计算机的内存或外存里，并能快速地检索；设计人员通常用草图开始设计，将草图变为工作图的繁重工作可以交给计算机完成；由计算机自动产生的设计结果，可以快速做出图形，使设计人员及时对设计做出判断和修改；利用计算机可以进行与图形的编辑、放大

3、、缩小、平移、复制和旋转等有关的图形数据加工工作。cad(computer aided design，计算机辅助设计）诞生于二十世纪60年代，是美国麻省理工学院提出的交互式图形学的研究计划，由于当时硬件设施昂贵，只有美国通用汽车公司和美国波音航空公司使用自行开发的交互式绘图系统。二十世纪70年代，小型计算机费用下降，美国工业界才开始广泛使用交互式绘图系统。二十世纪80年代，由于pc机的应用，cad（计算机辅助设计）得以迅速发展，出现了专门从事cad系统开发的公司。当时versa cad是专业的cad制作02公司，所开发的cad软件功能强大，但由于其价格昂贵，故得不到普遍应用。而当时的autod

4、esk（美国电脑软件公司）公司是一个仅有员工数人的小公司，其开发的cad系统虽然功能有限，但因其可免费拷贝，故在社会得以广泛应用。同时，由于该系统的开放性，该cad软件升级迅速。设计者很早就开始使用计算机进行计算。有人认为（伊凡.萨瑟兰郡）ivan sutherland在1963年在麻省理工学院开发的sketchpad（画板）是一个转折点。sketchpad的突出特性是它允许设计者用图形方式和计算机交互：设计可以用一枝光笔在阴极射线管屏幕上绘制到计算机里。实际上，这就是图形化用户界面的原型，而这种界面是现代cad不可或缺的特性。cad最早的应用是在汽车制造、航空航天以及电子工业的大公司中。随着

5、计算机变得更便宜，应用范围也逐渐变广。精品.cad的实现技术从那个时候起经过了许多演变。这个领域刚开始的时候主要被用于产生和手绘的图纸相仿的图纸。计算机技术的发展使得计算机在设计活动中得到更有技巧的应用。如今，cad已经不仅仅用于绘图和显示，它开始进入设计者的专业知识中更“智能”的部分。随着电脑科技的日益发展，性能的提升和更便宜的价格，许多公司已采用立体的绘图设计。以往，碍于电脑性能的限制，绘图软件只能停留在平面设计，欠缺真实感，而立体绘图则冲破了这一限制，令设计蓝图更实体化，3d图纸绘制也能够表达出2d图纸无法绘制的曲面，能够更充分表达设计师的意图。国产cad发展历程中国cad技术起源于国外

6、cad平台技术基础上的二次开发，随着中国企业对cad应用需求的提升，国内众多cad技术开发商纷纷通过开发基于国外平台软件的二次开发产品让国内企业真正普及了cad，并逐渐涌现出一批真正优秀的cad开发商。在二次开发的基础上，部分顶尖的国内cad开发商也逐渐探索出适合中国发展和需求模式的cad，更加符合国内企业使用的cad产品，他们的目的是开发最好的cad，甚至是为全球提供最优的cad技术。至2014年除了提供优秀的cad平台软件技术以外，一直以来积极推进国产cad技术的发展，联合众多国产cad二次开发商组成的国产cad联盟，更是极大促进了国产cad的发展壮大，为中国企业提供真正适合中国国情及应用

7、需求的cad解决方案。对于专业企业，因为绘制目标不同，还常存在有多种cad系统并行的局面，那么就需要配置统一的、具备跨平台能力的零部件数据资源库，将标准件库和外购件库内的模型数据以中间格式（比如通用的有igs、step等）导出到三维构型系统当中去，如主流的autodesk inventor， solid works, catia,中望3d,pro/e, autocad, ug nx, solid edge, one space等。国外，这种网络服务被称为“零部件图书馆”或“数据资源仓库”。航天航空领域使用较多的为pro/e，飞机和汽车等复杂产品制造领域则使用catia居多，而在中小企业使用so

8、lidworks较多。在欧美和日本的plm用户中，基于互联网的plm零部件数据资源平台linkable partcommunity（简称pcom）的知名度一点都不亚于今天我们所熟知的blog和sns这样的网络平台。cae指工程设计中的计算机辅助工程cae(computer aided engineering)，指用计算机辅助求解分析复杂工程和产品的结构力学性能，以及优化结构性能等。而cae软件可作静态结构分析，动态分析；研究线性、非线性问题；分析结构（固体）、流体、电磁等。知名软件ansys，很经典的cae软件，国内应用最广，客户成熟度最高，尤其是在高校科研领域。2006年收购了fluent，

9、2008年收购了an-soft。fluent是应用最广的流体分析软件，an-soft是应用最广的电磁分析软件。在收购整合的过程中，ansys的多物理场耦合成为一大特色。精品.abaqus，被广泛地认为是功能最强的有限元软件，可以分析复杂的固体 力学结构力学系统 adina，强大的非线性功能、能做直接流固耦合。ls-dyna，强大的动态问题求解器，专门汽车分析模块，nastran，线性问题求解器pam crash，专门的碰撞研究软件moldflow，模流分析软件autoform，钣金冲压，特别是拉深分析软件madymo，汽车安全系统，如气囊，安全带整车碰撞性能分析软件相对欧美国家，由于技术及仿真

10、软件的价格限制，国内cae技术要落后一些，虽然这个技术得到了普遍的认可，但是普及程度不高。主要是因为cae技术使用门槛较高，需要专业的cae研发人员。此外安世亚太与cadfem在中国合资的安世中德可以提供cae项目的咨询服务。二、机构说明题目要求中的机构为一个连杆机构。连杆机构优缺点如下：优点：连杆机构为低副机构，运动副为面接触，压强小，承载能力大，耐冲击； 运动副元素的几何形状多为平面或圆柱面，便于加工制造； 在原动件运动规律不变情况下，通过改变各构件的相对长度可以使从动件得到不同的运动规律；可以连杆曲线可以满足不同运动轨迹的设计要求.缺点：由于运动积累误差较大，因而影响传动精度；由于惯性力

11、不好平衡而不适于高速传动；设计方法比较复杂。本机构是一个曲柄带动四连杆机构，从而实现运输构件实现往复运动，进而推动物料前进的机构。轴承c为固定不动的约束，连接两个轴承的摇杆互相平行，并且保证尺寸完全相等。轴d通过摇动多孔构件，实现连杆机构的往复运动。运输构件与连杆相连接，实现往复运动。运输构件为双层推送板，在长方体物料两侧推送，导轨a夹在运输构件中间，以便物料沿着导轨前进。运输构件的连续往复运动，实现了本物料输送机构连续供送物料的功能。精品.三、建模过程首先，根据物料的尺寸设计各个构件的尺寸，前期设计的合理的尺寸，可以保证构件实现既定的功能。主要零件绘制过程如下：（1）轴承选定坐标系，基准平面

12、，草绘，拉伸命令，阵列。得到如图所示零件图3-1 轴承的建模（2）连接摇杆步骤同为，选定基准坐标系，基准平面，草图，拉伸。图3-2 摇杆建模（3）另一连接摇杆由于本供送机构运动时左右两边为平行运转，所以此构件左侧三个孔之间的距离应该与上一个构件相同，这样才能保证机构正常运转，否则可能出现卡死的情况。精品.图3-3 摇杆建模（4）运输构件构件的具体建模过程和上述几个构件类似，只是运输构件是由三个拉伸组合在一起的，所以运用布尔运算求和。此外，由于推送物件需要稳定性，所以此运输构件分居导轨两侧，以保证物料的平稳推送。图3-4 运输构件建模零件的装配：（1）调入零件轴承，设为绝对原点（由二维图可知，轴

13、承为固定约束）；（2）调入轴d，通过距离移动，将d放置于距离坐标原来（0，700，-700）的位置，通过固定约束将轴d固定；（3）通过接触对其等命令将其他构件，装配在一起。两个摇杆之间加平行约束，确保装配后的零件相协调；（4）调入导轨，通过距离移动，移动到运输构件两板之间合适的位置，通过固定约束将其精品.固定。（5）添加物料，装配完成。截图如下：图3-5 装配图图3-6 带物料装配图四、有限元分析题目给出的物料的尺寸为120mm200mm300mm，假设物料密度为=5.0103kg/m3，由m=v，物料的质量为m=v=5.0103kg/m3100200300mm3/109=30kg由g=mg，

14、得物料所受的重力为g=mg=30kg9.8n/kg=294n考虑物料与导轨之间的摩擦，不润滑时假定摩擦系数=0.15，计算摩擦力。精品.由f=n=g，得物料的摩擦力f=g=0.15294n=44.1n每块物料与推送板接触的面积为s=60120mm2=7.210-3m2物料对推送板接触部分形成的均布压力计算为p=f推/s=f/s=44.1n/7.210-3m2=6125pa=6.12510-3mpa考虑到初始接触物件时由于动量定理，均布压力为平时的两倍。所以最大均布压力为p=1.22510-2mpa。对运输构件单板进行有限元分析，运输构件如下图所示，该构件的运动过程中，推送物料的某一瞬时，接触均

15、布压力为1.22510-2mpa，构件材料的弹性模量为210000mpa，泊松比为0.3。通过有限元软件ansys计算该构件的刚度和强度。1.有限元模型的建立cae软件虽然也包含一些简单的建模功能，但是相对于cad软件还是相对薄弱。所以cad可以导出为cae无需建模，直接用来分析的格式，不同的cad软件导出时采用的格式也不一样，格式选用不当可能造成无法分析，或者分析结果偏离正确结果很远。本题对于ug，采用parasolid 中的*.x_t格式，这个是最适合的。（1）导入几何模型。(fileimportpara.)（首先需要在ug中将机架模型进行简化，去掉对分析影响很小的特征，以简化模型，并将模

16、型保存为parasolid的格式，文件名为*.x_t。）图4-1 导入零件精品.选中需要导入的*.x_t文件，点击ok。（2）设置单元类型ansys main menupreprocessorelement typeadd/edit/delete选取10node187单元图4-2 设置单元（3）设置材料属性ansys main menupreprocessormaterial props material models各向同性线弹性材料：弹性模量e=2.1e5，泊松比v=0.3图4-3 设置材料属性（4）网格划分ansys main menupreprocessormeshtool选择smar

17、tsize,设置网格疏密程度6级，点击mesh。精品.图4-4 划分网格选中要划分的体（亦可点击pick all），点击ok。2.施加载荷（1）施加接触压力pressureansys main menusolutiondefine loadsstructuralpressureon areas选定运输构件与物料接触的部分施加压力；选定5个接触面，施加计算好的载荷。图4-5 施加接触载荷（2）构件与连杆连接端施加固定位移约束ansys main menusolutiondefine loadsstructuraldisplacement -on areas选取构件连接端的两个面，点击ok。精品.

18、图4-6 施加固定载荷3.求解：ansys main menusolutionsolvecurrent ls图4-7 求解4.读取结果（1）变形以后的形状精品.图4-8 输送构件变形量（2）x、y、z方向位移云图如下所示图4-9 x方向位移精品.图4-10 y方向位移.图4-11 z方向位移由变形结果和x、y、z三个方向的位移结果可以看出，y方向变形最大，z方向次之，x方向变形量最小，运输构件发生了变形和扭曲，模拟的结果符合工作的实际情况，具有参考价值。由于变形量均较小，均在10-4以下，故所设计的运输构件的尺寸符合强度要求。（3）米塞斯等效应力云图精品.图4-12 米塞斯等效应力由图可以大致

19、看出应力集中于与物料接触部分的圆角位置，还有与连杆接触的孔的位置。将应力集中部分的应力放大截图如下。图4-13 应力集中区域精品.图4-14 应力集中区域由以上两图可以看出与物料接触部分的应力值更大，高于连杆接触部分，因为该处虽然所受的接触力小一些，但构件的尺寸也很小，因此产生的应力值很大，此处最易发生疲劳破坏。因此在设计运输构件的时候建议加大一些尺寸，把圆角半径设置得大一些。五、运动学分析（1）导入模型，将ug中装配好的模型转换成x_t格式，导入adams中。如下图所示图5-1 导入模型精品.（2）添加约束在各个关节结合处添加转动副。单击工具栏中的旋转副按钮，并将创建旋转副的选项设置为2bo

20、d-1loc和pick geometry feature，然后在图形区单击轴承和大地，之后需要选择一个作用点，按下鼠标左键后就可以创建旋转副，注意调整方向。然后用同样的方法创建其他关节之间的旋转副。图5-2 添加旋转副在导轨和大地之间添加固定副，以固定导轨6个自由度。图5-3 添加固定副（3）添加驱动。在运动副joint1上添加旋转驱动。单击主工具栏的旋转驱动按钮 ，然后在选择上面创建的旋转副1，然后在图形区单击鼠标右键，在快捷菜单中中选择modify，在编辑对话框中将驱动函数设置为30d*sin(time)，如图精品.5-4所示。图5-4 添加旋转驱动（4）运行仿真计算。单击主工具栏的仿真计算按钮，将仿真类型设置为kinematic，仿真时间end time设置为20，仿真步数steps设置为500，然后单击运行按钮进行仿真计算。（5）绘制运动轨迹。单击菜单【review】【create trace spline】，然后选择part3左端点marker52，再选择轴d与大地的铰接点，鼠标移动轴d处，单击鼠标右键，在弹出对话框中选择ground，单击ok创建运动轨迹，如图5-5所示。图5-5 关键点的运动轨迹所得轨迹与题目给出的轨迹曲线基本吻合，说明运动是合理的。可行的。精品.（6）结果后处理。按下键盘上的f8键，界面将从view模块直接进入