1、.cad/cae綜合應用課程題目 題目38物料供送機構姓 名 學 號 班 級 指導教師 2015年6月精品.題目要求題目38.供送物料尺寸：120*200*300，供送效率35pcs/min精品.摘 要在現代產品開發過程中，cad/cae已成為基本工具。對于機械專業的本科生，cad/cae技術在機械工程及材料加工工程方面應用的重要實踐性環節，能提高我們使用軟件進行設計、分析能力。本文重點介紹了一種物料供送機構，運用三維軟件ug進行三維建模，再通過第三方格式導入ansys，對關鍵零件進行結構分析，得出相關結果，提出合理優化結構的建議。將ug所畫的裝配圖導入adams進行運動學仿真，觀察運動軌跡是

2、否合理，是否能很好地完成供送任務。關鍵字：cad/cae；ug；ansys；優化；adams一、cad/cae介紹cad計算機輔助設計(cad-computer aided design)指利用計算機及其圖形設備幫助設計人員進行設計工作。 在設計中通常要用計算機對不同方案進行大量的計算、分析和比較，以決定最優方案；各種設計信息，不論是數字的、文字的或圖形的，都能存放在計算機的內存或外存里，并能快速地檢索；設計人員通常用草圖開始設計，將草圖變為工作圖的繁重工作可以交給計算機完成；由計算機自動產生的設計結果，可以快速做出圖形，使設計人員及時對設計做出判斷和修改；利用計算機可以進行與圖形的編輯、放大

3、、縮小、平移、復制和旋轉等有關的圖形數據加工工作。cad(computer aided design，計算機輔助設計）誕生于二十世紀60年代，是美國麻省理工學院提出的交互式圖形學的研究計劃，由于當時硬件設施昂貴，只有美國通用汽車公司和美國波音航空公司使用自行開發的交互式繪圖系統。二十世紀70年代，小型計算機費用下降，美國工業界才開始廣泛使用交互式繪圖系統。二十世紀80年代，由于pc機的應用，cad（計算機輔助設計）得以迅速發展，出現了專門從事cad系統開發的公司。當時versa cad是專業的cad制作02公司，所開發的cad軟件功能強大，但由于其價格昂貴，故得不到普遍應用。而當時的autod

4、esk（美國電腦軟件公司）公司是一個僅有員工數人的小公司，其開發的cad系統雖然功能有限，但因其可免費拷貝，故在社會得以廣泛應用。同時，由于該系統的開放性，該cad軟件升級迅速。設計者很早就開始使用計算機進行計算。有人認為（伊凡.薩瑟蘭郡）ivan sutherland在1963年在麻省理工學院開發的sketchpad（畫板）是一個轉折點。sketchpad的突出特性是它允許設計者用圖形方式和計算機交互：設計可以用一枝光筆在陰極射線管屏幕上繪制到計算機里。實際上，這就是圖形化用戶界面的原型，而這種界面是現代cad不可或缺的特性。cad最早的應用是在汽車制造、航空航天以及電子工業的大公司中。隨著

5、計算機變得更便宜，應用范圍也逐漸變廣。精品.cad的實現技術從那個時候起經過了許多演變。這個領域剛開始的時候主要被用于產生和手繪的圖紙相仿的圖紙。計算機技術的發展使得計算機在設計活動中得到更有技巧的應用。如今，cad已經不僅僅用于繪圖和顯示，它開始進入設計者的專業知識中更“智能”的部分。隨著電腦科技的日益發展，性能的提升和更便宜的價格，許多公司已采用立體的繪圖設計。以往，礙于電腦性能的限制，繪圖軟件只能停留在平面設計，欠缺真實感，而立體繪圖則沖破了這一限制，令設計藍圖更實體化，3d圖紙繪制也能夠表達出2d圖紙無法繪制的曲面，能夠更充分表達設計師的意圖。國產cad發展歷程中國cad技術起源于國外

6、cad平臺技術基礎上的二次開發，隨著中國企業對cad應用需求的提升，國內眾多cad技術開發商紛紛通過開發基于國外平臺軟件的二次開發產品讓國內企業真正普及了cad，并逐漸涌現出一批真正優秀的cad開發商。在二次開發的基礎上，部分頂尖的國內cad開發商也逐漸探索出適合中國發展和需求模式的cad，更加符合國內企業使用的cad產品，他們的目的是開發最好的cad，甚至是為全球提供最優的cad技術。至2014年除了提供優秀的cad平臺軟件技術以外，一直以來積極推進國產cad技術的發展，聯合眾多國產cad二次開發商組成的國產cad聯盟，更是極大促進了國產cad的發展壯大，為中國企業提供真正適合中國國情及應用

7、需求的cad解決方案。對于專業企業，因為繪制目標不同，還常存在有多種cad系統并行的局面，那么就需要配置統一的、具備跨平臺能力的零部件數據資源庫，將標準件庫和外購件庫內的模型數據以中間格式（比如通用的有igs、step等）導出到三維構型系統當中去，如主流的autodesk inventor， solid works, catia,中望3d,pro/e, autocad, ug nx, solid edge, one space等。國外，這種網絡服務被稱為“零部件圖書館”或“數據資源倉庫”。航天航空領域使用較多的為pro/e，飛機和汽車等復雜產品制造領域則使用catia居多，而在中小企業使用so

8、lidworks較多。在歐美和日本的plm用戶中，基于互聯網的plm零部件數據資源平臺linkable partcommunity（簡稱pcom）的知名度一點都不亞于今天我們所熟知的blog和sns這樣的網絡平臺。cae指工程設計中的計算機輔助工程cae(computer aided engineering)，指用計算機輔助求解分析復雜工程和產品的結構力學性能，以及優化結構性能等。而cae軟件可作靜態結構分析，動態分析；研究線性、非線性問題；分析結構（固體）、流體、電磁等。知名軟件ansys，很經典的cae軟件，國內應用最廣，客戶成熟度最高，尤其是在高校科研領域。2006年收購了fluent，

9、2008年收購了an-soft。fluent是應用最廣的流體分析軟件，an-soft是應用最廣的電磁分析軟件。在收購整合的過程中，ansys的多物理場耦合成為一大特色。精品.abaqus，被廣泛地認為是功能最強的有限元軟件，可以分析復雜的固體 力學結構力學系統 adina，強大的非線性功能、能做直接流固耦合。ls-dyna，強大的動態問題求解器，專門汽車分析模塊，nastran，線性問題求解器pam crash，專門的碰撞研究軟件moldflow，模流分析軟件autoform，鈑金沖壓，特別是拉深分析軟件madymo，汽車安全系統，如氣囊，安全帶整車碰撞性能分析軟件相對歐美國家，由于技術及仿真

10、軟件的價格限制，國內cae技術要落后一些，雖然這個技術得到了普遍的認可，但是普及程度不高。主要是因為cae技術使用門檻較高，需要專業的cae研發人員。此外安世亞太與cadfem在中國合資的安世中德可以提供cae項目的咨詢服務。二、機構說明題目要求中的機構為一個連桿機構。連桿機構優缺點如下：優點：連桿機構為低副機構，運動副為面接觸，壓強小，承載能力大，耐沖擊； 運動副元素的幾何形狀多為平面或圓柱面，便于加工制造； 在原動件運動規律不變情況下，通過改變各構件的相對長度可以使從動件得到不同的運動規律；可以連桿曲線可以滿足不同運動軌跡的設計要求.缺點：由于運動積累誤差較大，因而影響傳動精度；由于慣性力

11、不好平衡而不適于高速傳動；設計方法比較復雜。本機構是一個曲柄帶動四連桿機構，從而實現運輸構件實現往復運動，進而推動物料前進的機構。軸承c為固定不動的約束，連接兩個軸承的搖桿互相平行，并且保證尺寸完全相等。軸d通過搖動多孔構件，實現連桿機構的往復運動。運輸構件與連桿相連接，實現往復運動。運輸構件為雙層推送板，在長方體物料兩側推送，導軌a夾在運輸構件中間，以便物料沿著導軌前進。運輸構件的連續往復運動，實現了本物料輸送機構連續供送物料的功能。精品.三、建模過程首先，根據物料的尺寸設計各個構件的尺寸，前期設計的合理的尺寸，可以保證構件實現既定的功能。主要零件繪制過程如下：（1）軸承選定坐標系，基準平面

12、，草繪，拉伸命令，陣列。得到如圖所示零件圖3-1 軸承的建模（2）連接搖桿步驟同為，選定基準坐標系，基準平面，草圖，拉伸。圖3-2 搖桿建模（3）另一連接搖桿由于本供送機構運動時左右兩邊為平行運轉，所以此構件左側三個孔之間的距離應該與上一個構件相同，這樣才能保證機構正常運轉，否則可能出現卡死的情況。精品.圖3-3 搖桿建模（4）運輸構件構件的具體建模過程和上述幾個構件類似，只是運輸構件是由三個拉伸組合在一起的，所以運用布爾運算求和。此外，由于推送物件需要穩定性，所以此運輸構件分居導軌兩側，以保證物料的平穩推送。圖3-4 運輸構件建模零件的裝配：（1）調入零件軸承，設為絕對原點（由二維圖可知，軸

13、承為固定約束）；（2）調入軸d，通過距離移動，將d放置于距離坐標原來（0，700，-700）的位置，通過固定約束將軸d固定；（3）通過接觸對其等命令將其他構件，裝配在一起。兩個搖桿之間加平行約束，確保裝配后的零件相協調；（4）調入導軌，通過距離移動，移動到運輸構件兩板之間合適的位置，通過固定約束將其精品.固定。（5）添加物料，裝配完成。截圖如下：圖3-5 裝配圖圖3-6 帶物料裝配圖四、有限元分析題目給出的物料的尺寸為120mm200mm300mm，假設物料密度為=5.0103kg/m3，由m=v，物料的質量為m=v=5.0103kg/m3100200300mm3/109=30kg由g=mg，

14、得物料所受的重力為g=mg=30kg9.8n/kg=294n考慮物料與導軌之間的摩擦，不潤滑時假定摩擦系數=0.15，計算摩擦力。精品.由f=n=g，得物料的摩擦力f=g=0.15294n=44.1n每塊物料與推送板接觸的面積為s=60120mm2=7.210-3m2物料對推送板接觸部分形成的均布壓力計算為p=f推/s=f/s=44.1n/7.210-3m2=6125pa=6.12510-3mpa考慮到初始接觸物件時由于動量定理，均布壓力為平時的兩倍。所以最大均布壓力為p=1.22510-2mpa。對運輸構件單板進行有限元分析，運輸構件如下圖所示，該構件的運動過程中，推送物料的某一瞬時，接觸均

15、布壓力為1.22510-2mpa，構件材料的彈性模量為210000mpa，泊松比為0.3。通過有限元軟件ansys計算該構件的剛度和強度。1.有限元模型的建立cae軟件雖然也包含一些簡單的建模功能，但是相對于cad軟件還是相對薄弱。所以cad可以導出為cae無需建模，直接用來分析的格式，不同的cad軟件導出時采用的格式也不一樣，格式選用不當可能造成無法分析，或者分析結果偏離正確結果很遠。本題對于ug，采用parasolid 中的*.x_t格式，這個是最適合的。（1）導入幾何模型。(fileimportpara.)（首先需要在ug中將機架模型進行簡化，去掉對分析影響很小的特征，以簡化模型，并將模

16、型保存為parasolid的格式，文件名為*.x_t。）圖4-1 導入零件精品.選中需要導入的*.x_t文件，點擊ok。（2）設置單元類型ansys main menupreprocessorelement typeadd/edit/delete選取10node187單元圖4-2 設置單元（3）設置材料屬性ansys main menupreprocessormaterial props material models各向同性線彈性材料：彈性模量e=2.1e5，泊松比v=0.3圖4-3 設置材料屬性（4）網格劃分ansys main menupreprocessormeshtool選擇smar

17、tsize,設置網格疏密程度6級，點擊mesh。精品.圖4-4 劃分網格選中要劃分的體（亦可點擊pick all），點擊ok。2.施加載荷（1）施加接觸壓力pressureansys main menusolutiondefine loadsstructuralpressureon areas選定運輸構件與物料接觸的部分施加壓力；選定5個接觸面，施加計算好的載荷。圖4-5 施加接觸載荷（2）構件與連桿連接端施加固定位移約束ansys main menusolutiondefine loadsstructuraldisplacement -on areas選取構件連接端的兩個面，點擊ok。精品.

18、圖4-6 施加固定載荷3.求解：ansys main menusolutionsolvecurrent ls圖4-7 求解4.讀取結果（1）變形以后的形狀精品.圖4-8 輸送構件變形量（2）x、y、z方向位移云圖如下所示圖4-9 x方向位移精品.圖4-10 y方向位移.圖4-11 z方向位移由變形結果和x、y、z三個方向的位移結果可以看出，y方向變形最大，z方向次之，x方向變形量最小，運輸構件發生了變形和扭曲，模擬的結果符合工作的實際情況，具有參考價值。由于變形量均較小，均在10-4以下，故所設計的運輸構件的尺寸符合強度要求。（3）米塞斯等效應力云圖精品.圖4-12 米塞斯等效應力由圖可以大致

19、看出應力集中于與物料接觸部分的圓角位置，還有與連桿接觸的孔的位置。將應力集中部分的應力放大截圖如下。圖4-13 應力集中區域精品.圖4-14 應力集中區域由以上兩圖可以看出與物料接觸部分的應力值更大，高于連桿接觸部分，因為該處雖然所受的接觸力小一些，但構件的尺寸也很小，因此產生的應力值很大，此處最易發生疲勞破壞。因此在設計運輸構件的時候建議加大一些尺寸，把圓角半徑設置得大一些。五、運動學分析（1）導入模型，將ug中裝配好的模型轉換成x_t格式，導入adams中。如下圖所示圖5-1 導入模型精品.（2）添加約束在各個關節結合處添加轉動副。單擊工具欄中的旋轉副按鈕，并將創建旋轉副的選項設置為2bo

20、d-1loc和pick geometry feature，然后在圖形區單擊軸承和大地，之后需要選擇一個作用點，按下鼠標左鍵后就可以創建旋轉副，注意調整方向。然后用同樣的方法創建其他關節之間的旋轉副。圖5-2 添加旋轉副在導軌和大地之間添加固定副，以固定導軌6個自由度。圖5-3 添加固定副（3）添加驅動。在運動副joint1上添加旋轉驅動。單擊主工具欄的旋轉驅動按鈕 ，然后在選擇上面創建的旋轉副1，然后在圖形區單擊鼠標右鍵，在快捷菜單中中選擇modify，在編輯對話框中將驅動函數設置為30d*sin(time)，如圖精品.5-4所示。圖5-4 添加旋轉驅動（4）運行仿真計算。單擊主工具欄的仿真計算按鈕，將仿真類型設置為kinematic，仿真時間end time設置為20，仿真步數steps設置為500，然后單擊運行按鈕進行仿真計算。（5）繪制運動軌跡。單擊菜單【review】【create trace spline】，然后選擇part3左端點marker52，再選擇軸d與大地的鉸接點，鼠標移動軸d處，單擊鼠標右鍵，在彈出對話框中選擇ground，單擊ok創建運動軌跡，如圖5-5所示。圖5-5 關鍵點的運動軌跡所得軌跡與題目給出的軌跡曲線基本吻合，說明運動是合理的。可行的。精品.（6）結果后處理。按下鍵盤上的f8鍵，界面將從view模塊直接進入