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文档简介
#实验(I)现代设计方法实践一带孔矩形板CAD/CAE分析一、实验目的掌握三维CAD仿真设计软件的基本使用方法。掌握CAE分析的基本过程。二、实验内容一个承受单向拉伸620mmx380mmx50mm的带孔矩形板,其中孔的直径为150mm,两侧短边一边完全固定,另一边承受50MPa拉力,材料为普通碳钢,其许用应力为200MPa。试完成以下内容:独立完成带孔矩形板的造型过程。独立完成带孔矩形板的静强度设计。独立完成带孔矩形板的疲劳强度设计。独立完成带孔矩形板的优化设计。三、CAD造型1、零件建模秘诀(1)零件建模过程:绘草图一造特征一制零件草绘门道O选平面:先已有、后默认、次插入。一定顺序:先已知、后中间、再连接。一绘草图:绘形状、定位置、设大小。特征门道O先基础:选草图,定起点,取路径,设目标。一后附加:选位置、定方式、设参数、添附加。-再操作:选对象、定方式、设参数、加操作。零件门道分特征、达意图、造基础、添特征(2)零件建模原则❖草图尽量简,特征须关联;❖造型要仿真,别只顾眼前。2、带孔矩形板的造型过程从SolidWorks创建一个620mmx380mmx50mm的带孔矩形板,其中孔的直径为150mm。并保存为“带孔矩形板.sldprt”。建模过程如下:
7*V/、、■7*V/、、■620,(d)图1-1带孔矩形板的造型过程四、静强度分析1、有限元原理基本思想:化整为零,积零为整分析过程:三步曲-前处理:定类型,画模型,设属性,分网格。-求解:添约束,加载荷,查错误,求结果。-后处理:列结果,绘图形,显动画,下结论。2、带孔矩形板静强度分析本部分内容包括:全面了解Simulation界面应用、通过粗网格、精细网格、位移加载、对称性的利用等算例研究建模方法及其影响。[步骤1]打开Simulation插件在CommandManager中的“办公室产品”卡下选择“SolidWorksSimulation"项。[步骤2]创建“静强度”算例在CommandManager中的L卡下选择“算例”'•中的“新算例”。在算例对话框的“名称”下面键入“静强度'',在类型下,单击“static”,单击。[步骤3]分配材料属性在CommandManager中的I;|||!|0'|:|卡下选择“应用材料”,在材料对话框中选中“SolidWorksmaterials”中的“1023”材料,单击“确定”按钮。
[步骤4]创建网格在CommandManager中的卡下选择“运行”:中的“生成网格”曉,单击使用默认网格划分。右单击网格选择隐藏网格或选择显示网格可控制网格可见或不可见。[步骤5]消除刚体运动在CommandManager中的I:沙’卡单击“夹具顾问”中的“固定几何体”,选择模型左面,单击。[步骤6]定义作用力在CommandManager中的卡单击“外部载荷”_中的“力”。如图1-2所示,选择模型右面,设置力值为50e6N/mA2,反向,单击。在设计树中“外部载荷”下生成成名称为力-1的图标。[步骤7]运行分析在CommandManager中的|泊.闻:「卡下单击“运行”題,开始计算,并显示算例的节点、单元和自由度数。计算结束后,在设计树中添加“结果”文件夹,其中包括应力等3个默认图解,且自动显示应力图解,如图1-3所示。可见vonMises应力最大值为190.7MPa。图1-2带孔矩形板图图1-2带孔矩形板图1-3应力分布图解[步骤8]观查结果应力动画位移图解显示的情况下,在CommandManager中的I:汀「中单击時龄」一中的“动画”。安全系数图安全系数向导可帮助用三个步骤评估设计的安全性。第一步,设定安全标准,决定使用何种应力度量以作为对所选的应力极限值的比较。第二步,选择应力极限值,把应力结果与所分配的材料破坏强度值来决定安全系数。第三步,可以指定观察安全系数区域。要查看模型的安全系数分布:在CommandManager中的卡下,单击“结果”中的“新图解”-“安全系数”菜单,显示安全系数对话框,在强度判据中选第四强度理论“最大vonMises应力”,单击下一步,在“设定应力极限到”中选许用应力为“屈服力”,单击下一步。选中查看方式为“安全系数以下的区域”,并输入1,显示安全系数低于1分布图解。单击,显示安全系数图解。
五、疲劳分析1.理论基础图1-4零件的S-N曲线疲劳破坏的主要因素为:载荷的循环次数、每一个循环的应力幅值和平均应力、局部应力集中。使用较早寿命估算方法是名义应力法,其设计思想是从材料的S-N曲线出发,再考虑各种因素的影响,得出零件的S-N曲线(如图1-4图1-4零件的S-N曲线2.带孔矩形板疲劳寿命估算[步骤1]完成静强度分析见前面第四部分中的“带孔矩形板静强度分析”[步骤2]生成疲劳算例在CommandManager中的^1"'11卡下选择“算例"■中的“新算例"。在PropertyManager的名称下面:键入“疲劳”;在类型下单击疲劳宓。最后,单击按钮。[步骤3]设置算例属性在Simulation设计树中,右单击“疲劳”图标,然后选择“属性”,疲劳对话框出现。在计算交替应力的手段框内,单击对等应力(vonMises)。在疲劳强度缩减因子(冏框内,键入0.5。单击“确定”。[步骤4]定义疲劳事件在“疲劳”算例的设计树中,右单击“负载”图标,然后选择“添加事件”,添加事件(恒定)PropertyManager出现。将循环数设定为1000。设定负载类型为浣全反转(LR=-1)”,在算例:框内选择“静强度”,单击。[步骤5]定义S-N曲线右单击“疲劳”的设计树中的“带孔板”文件夹,并选择“应用/编辑疲劳数据”。在材料对话框中选择“疲劳S-N曲线”标签。在源框中,单击“从材料弹性模量派生”和“基于ASME奥氏体钢曲线”。该曲线图形将出现在预览区域,并且在表格内显示出数据组,单击“确定”。[步骤6]运行疲劳研究在Simulation设计树中,右单击“疲劳”图标,然后选择“运行”。[步骤7]查看生命图解在Simulation设计树的“结果”文件夹中,双击“结果2(-生命-)”图标,将显示生命图解,由此生命图解可见,寿命最短为29270。六、优化设计优化设计原理什么是优化?下面通过一个例子进行理解。如图1-5所示的普通水杯,仔细观察一下,会发现比较老式的水杯有一个共同特点:底面直径=水杯高度。为什么是这样呢?这是因为只有满足这个条件,才能在原料耗费最少的情况下使杯子的容积最大。在材料一定的情况下,如果水杯的底面积大,其高度必然就要小;如果高度变大了,底面积又大不了,如何调和这两者之间的矛盾?其实这恰恰就反应了一个完整的优化过程。图1-5水杯的简化模型在这里,所要优化的变量就是杯子底面的半径r和杯子的高度h,叫做设计变量;一个水杯的材料是一定的,,这些限制条件在优化中叫约束条件,由于水杯材料直接喝水杯的表面积有关系,这里假设水杯表面积不能大于100,这样就有S=2nRH+2nR2<100;优化的目标是要使整个水杯的容积V=nR2H最大,这个目标在优化过程里叫目标函数。在优化设计的数学模型中,目标函数、设计变量和约束函数称为设计模型的三要素。在确定了目标函数、设计变量和约束函数后,就可以得到优化设计的数学模型。则该问题可以用数学表达式表示为:设计变量:r和h目标函数:MaxV=nR2H约束条件:S=2nRH+2nR2<100带孔矩形板优化设计在本节主要学习以下内容:生成优化算例,定义目标、设计变量和约束,观察优化流程。问题描述带孔矩形板的结构、支撑和载荷情况与第四部分中的“带孔矩形板静强度分析”完全相同。根据功能要求,带孔矩形板的尺寸中仅板宽可在200mm〜400mm之间变化,试确定VonMises应力。不得超过200MPa条件下,带孔矩形板的质量m最小时的板宽。其数学模型为:设计变量:板宽B目标函数:Min(m)=f1(B)约束条件:。=£(B)W200MPa分析步骤[步骤1]优化分析准备进行优化设计之前,必须完成约束条件相关的各种分析,本例中须完成静态分析以获得应力。进行静态分析具体步骤见前面第四部分中的“带孔矩形板静强度分析”。显示特征尺寸右单击SolidWorks的FeatureManager设计树啪中的“注释"(Annotations),选中“显示
特征尺寸”,在图形内显示特征尺寸。[步骤2]生成优化算例在CommandManager中的亦11茁:.「卡下选择“算例”2中的“新算例”。在PropertyManager的名称下输入“优化设计”。在类型下,单击优化1日,然后单击。[步骤3]定义优化三要素a)定义设计变量在图1-6所示的定义优化三要素界面中的“变量”行中,选择“添加参数”,在添加变量对话框的名称栏中输入“板宽”在图形区域中选择板宽对应的尺寸。设定最小为200mm,最大为400mm,步长为20mm。b)定义vonMises应力约束在图1-6所示的定义优化三要素界面中的“约束”行中,选择“添加传感器”,在传感器对话框中依次选择Simulation数据〉应力〉vonises应力〉N/mmA2,然后单击心。设定:应力1小于,最大为200牛顿/mmA2,静力分析。c)定义目标函数□目忙在图1-6所示的定义优化三要素界面中的“目标”行中,选择“添加传感器”,在传感器对话框中依次选择质量特性〉质量,然后单击。设定:质量1□目忙板竞|Rangewthstep审量小:20Gimm;丨強K:图1-6定义优化三要素[图1-6定义优化三要素[步骤4]运行优化研究在图1-6所
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