某款掃地機底盤車架的CATIA三維建模和車架強度校核計算案例目錄TOC\o"1-3"\h\u132531.1CATIA簡介 167241.2零件設計 1204821.3裝配設計 2233652.1零件的前處理 3152262.1.1車架模型的簡化 3160152.1.2材料定義 333642.1.3網格化分 443762.1.4連接關系的定義 442402.1.4質量分布 484112.2靜態工況的計算 5291402.2.1彎曲工況計算 5121762.2.2轉向工況計算 64662.2.3制動工況計算 71基于CATIA的三維建模1.1CATIA簡介CATIA是一款進行工業等產品設計的軟件，版權在法國達索公司。其設計亮點在于超前性，完整性，經常用于設計跨時代的未來產品。CATIA包含了幾乎所有的工業設計的方法，從開發階段、草圖設計、有限元分析、運動模擬、裝配指令，和優化。Catia的各個模塊可以方便工程師進行機械設計、草圖繪制、受力分析、產品適配、工程管理是工程師工作中的得力助手。CATIA具有模塊化的特點，每個模塊都有獨立的關鍵作用，比如工程師在完成設計時，可以先進行數據分析，三維圖設計，成品的裝配圖可以進行二維轉換，這在工業設計中是非常方便的功能，同時也特別關鍵。1.2零件設計在零件設計時，可以應用畫線，凸臺、旋轉、加強肋、對零件沖壓、拉伸延展等命令得出的零件具有比較高的還原度。圖5-1U型梁建模1.3裝配設計CATIA可以進行裝配設計，在這個模塊中可以對每個零件進行約束，在此命令中可以看出零件的尺寸是否合適。CATIA裝配模塊的進入方法通常有三種：1、通過“Start”菜單，選擇“MechanicalDesign”模塊組，然后選擇“AssemblyDesign”模塊即可。2、通過“File”菜單，選擇“New”新建文件，然后在文件類型列表中選擇“Product”，即可創建新的裝配件。3、通過偏好工作臺設置，將“AssemblyDesign”模塊列入偏好的常用模塊，即可在需要時通過工作臺圖標切換至裝配件設計模塊。我們在裝配完成后還可以根據左側模型樹檢查每個零件的命名，零件之間的關系，約束等等。圖5-2車架裝配數模2基于CATIA的掃地機車架強度校核有限元分析是一種把物理模型數字化來進行各種分析的功能。把復雜的模型簡化，使用數字方法進行數據模擬。有限元分析的核心就是把十分復雜的結構先進行簡化打散成每一個單元，再通過對每個小單元進行分析，把復雜的問題打散解決。每一個單元都有一個個節點連接，多個單元連接在一起，形成了矩陣；對于整體可以輸入數據模擬各種情況，例如增加受力，調節溫度等可以進行系統的分析。2.1零件的前處理2.1.1車架模型的簡化處于精細計算和快速分析的考慮，對于模型進行系統的簡化處理。有限元模型要求與實際的物理模型匹配的上，不能陷入模型精細算出的結果才精細的誤區。在模型精細的同時各個單元也會變復雜，這樣的結果并不能準確反應整體的受力情況。最后得到的結果也不準確。所以對于有限元模型的建立，要相對簡單，對于整體受力影響不大的部件直接省略，比如一些螺紋孔，一些安裝槽等。2.1.2材料定義在CATIA中可以自行選擇各種材料，用上文提到與510L相似的Q345B材料作為分析模型的材料。表6-1Q345B材料屬性參數名稱數值楊氏模量（N/㎡）2.12X10泊松比0.31密度（Kg/m37870屈服強度（N/m?2345熱膨脹系數（k.dge）1.01X102.1.3網格化分圖6-1網格化分CATIA可以進行功能強大的網格劃分，對零件進行網格劃分就可以細致到每條線進行受力分析。2.1.4連接關系的定義每個部分之間都存在著幾何關系，這些幾何體互相之間的連接方式就是連接關系。主要分兩種，一種是在設計時建模約束形成的關系還有就是網格劃分后零件之間存在的連接關系在掃地機車架設計中，所有部件之間都是通過焊接關系來連接的，焊接特性導致不需要分析連接關系對于受力的影響。2.1.4質量分布由表可知掃地機整總質量質量為2200kg。有CATIA可測的車架質量為147.70kg。初選駕駛室質量為280kg（含駕駛員及乘客）；動力總成質量為180kg，前懸總質量為160kg，后懸架總質量為210kg，動力電池350kg，垃圾箱質量（含雜物）為400kg，清掃機構350kg；其他質量約為183kg;質量分布詳見下表（估算值）：表6-2整備質量分布名稱質量（kg）中心坐標XYZ（mm）駕駛室2800；0；980車架147——動力總成180-2000；0；300動力電池350-2350；0；350前懸總成160A點均布后懸總成210B、C點均布貨廂400-1600；0；980清掃機構350——其他123計算時忽略分析時忽略懸架、清掃機構及其他質量對掃地機車架強度的影響。車輪等效點A、B、C、點坐標值詳見6-2.2.2靜態工況的計算在對于掃地機車架的結構和材料剛度的分析后，可以得出整個結構發生形變和出現的最大的應力的點。這時，就需要調整整體的結構形狀和應用的材料種類來對這些形變進行調整。同時，在符合設計要求的前提下，盡可能使用低成本材料，使用先進的幾何裝配方案，都可以有效降低成本。在本設計進行分析的時候，一共分三種工況進行分析，分別是：彎曲工況、轉向工況和制動工況。2.2.1彎曲工況計算彎曲工況主要是校核車輛滿載情況下，四輪著地時的結構強度和剛度，主要模擬車輛在良好的路面下勻速直線行駛的應力分布和變形情況。分別定義前、左后和右后車輪中心點為：A、B和C，坐標值詳見下表6-3：表6-3輪心坐標點序號坐標點X，Y，Z坐標（mm）1A0;0;-3002B-2000;-350;-3003C-2000;350;-300圖6-2彎曲工況邊界條件圖6-3體現了彎曲狀態下的分析結果；在彎曲工況下車架所受的最大切應力230Mpa；無論材料在什么狀態之下，只要最大切應力達到材料單向拉伸屈服強度時的最大切應力，那么車架就會發生屈服。分析可知在彎曲工況下材料收到最大切應力230Mpa遠小于材料屈服強度σs圖6-3彎曲工況的屈服應力仿真結果圖6-4彎曲工況的最大位移仿真結果由圖6-4可見出電池倉的位置在彎曲工況下發生了最大形變，不過只有1.43cm，滿足設計要求，所以說這個車架的剛度也符合要求。2.2.2轉向工況計算當掃地機轉彎時，框架受到橫向向心力的影響，導致橫向加速度。離心力的大小由汽車的運行速度和轉彎半徑決定。此外，轉彎時也有減速過程，因此有必要減速。本文在橫向(Y軸上的負方向)進行了0.4g的加速度模擬，并向左形成了銳利曲線。此外，向心加速度的大小也受到車內質量的影響。在這種工作情況下，假設后軸都處于極端的抱死狀態。工作負荷系數為1.2。由扭轉工況切應力圖可以看出，最大應力出現在后懸架處，這與實際情況相吻合，因此在設計初期就將后懸架和前懸架處的橫梁布置的較為密集，其他部位的橫梁布置較為稀疏。由轉向工況切應力圖可以看出，最大應力出現在后懸架處，這與實際情況相吻合，因此在設計初期就將后懸架和前懸架處的橫梁布置的較為密集，其他部位的橫梁布置較為稀疏。扭轉工況最大切應力為210Mpa。遠小于材料屈服強度σs圖6-5轉向工況邊界條件圖6-6轉向工況的屈服應