实验(I)-现代设计方法实践

实验〔I〕现代设计方法实践—带孔矩形板CAD/CAE分析实验目的掌握三维CAD仿真设计软件的根本使用方法。掌握CAE分析的根本过程。实验内容一个承受单向拉伸620mm×380mm×50mm的带孔矩形板，其中孔的直径为150mm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。CAD造型1、零件建模秘诀〔1〕零件建模过程：绘草图→造特征→制零件草绘门道○选平面：先已有、后默认、次插入。→定顺序：先、后中间、再连接。→绘草图：绘形状、定位置、设大小。特征门道○先根底：选草图，定起点，取路径，设目标。→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、造根底、添特征〔2〕零件建模原那么草图尽量简，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创立一个620mm×380mm×50mm的带孔矩形板，其中孔的直径为150mm。并保存为(a)(b)(c)(d)图1-SEQ图4_-\*ARABIC1带孔矩形板的造型过程静强度分析1、有限元原理〔1〕根本思想：化整为零，积零为整〔2〕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局部内容包括：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。翻开Simulation插件在CommandManager中的“办公室产品〞卡下选择“SolidWorksSimulation〞项。创立“静强度〞算例在CommandManager中的卡下选择“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。分配材料属性在CommandManager中的卡下选择“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。创立网格在CommandManager中的卡下选择“运行〞中的“生成网格〞，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。消除刚体运动在CommandManager中的卡单击“夹具参谋〞中的“固定几何体〞，选择模型左面，单击。定义作用力在CommandManager中的卡单击“外部载荷〞中的“压力〞。如图1-2所示，选择模型右面，设置压力值为50e6N/m^2，反向，单击。在设计树中“外部载荷〞下生成成名称为压力-1的图标。运行分析在CommandManager中的卡下单击“运行〞，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-SEQ图4_-\*ARABIC2带孔矩形板图1-SEQ图4_-\*ARABIC3应力分布图解观查结果应力动画位移图解显示的情况下，在CommandManager中的中单击中的“动画〞。平安系数图平安系数向导可帮助用三个步骤评估设计的平安性。第一步，设定平安标准，决定使用何种应力度量以作为对所选的应力极限值的比拟。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平安系数。第三步，可以指定观察平安系数区域。要查看模型的平安系数分布：在CommandManager中的卡下，单击“结果〞中的“新图解〞→“平安系数〞菜单，显示平安系数对话框，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“平安系数以下的区域〞，并输入1，显示平安系数低于1分布图解。单击，显示平安系数图解。疲劳分析理论根底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所示〕。用水平段，可进行无限寿命设计；用斜线段，可进行有限寿命设计，即根据零件的S-N曲线在己知应力水平时可以估计寿命，假设给定了设计寿命那么可估计可以使用的应力水平。图1-SEQ图4_-\*ARABIC4零件的S-N曲线带孔矩形板疲劳寿命估算完成静强度分析见前面第四局部中的“带孔矩形板静强度分析〞。生成疲劳算例在CommandManager中的卡下选择“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。最后，单击按钮。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(Kf)框内，键入0.5。单击“确定〞。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“完全反转(LR=-1)〞，在算例框内选择“静强度〞，单击。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〞。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〞。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。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，会发现比拟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，才能在原料消耗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？其实这恰恰就反响了一个完整的优化过程。图1-SEQ图4_-\*ARABIC5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外表积有关系，这里假设水杯外表积不能大于100，这样就有S＝2πRH＋2πR2<100；优化的目标是要使整个水杯的容积V＝πR2H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。那么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＝πR2H约束条件：S＝2πRH＋2πR2<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局部中的“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σ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：σ＝f2(B)≤200MPa分析步骤优化分析准备进行优化设计之前，必须完成设计参数显示、约束条件分析等内容。本例中须完成静态分析以获得应力。显示特征尺寸右单击SolidWorks的FeatureManager设计树中的“注释〞〔Annotations〕，选中“显示特征尺寸〞，在图形内显示特征尺寸。进行静态分析具体步骤见前面第四局部中的“带孔矩形板静强度分析〞。生成优化算例在左下角的“静强度〞卡，选择“生成新设计〞，即弹出定义优化三要素界面，见图1-6。定义优化三要素定义设计变量在图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。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/mm^2，然后单击。设定：应力1小于，最大为200牛顿/mm^2，静力分析。定义目标函数在图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