實驗(I)-現(xiàn)代設(shè)計方法實踐

實驗〔I〕現(xiàn)代設(shè)計方法實踐—帶孔矩形板CAD/CAE分析實驗?zāi)康恼莆杖SCAD仿真設(shè)計軟件的根本使用方法。掌握CAE分析的根本過程。實驗內(nèi)容一個承受單向拉伸620mm×380mm×50mm的帶孔矩形板，其中孔的直徑為150mm獨立完成帶孔矩形板的造型過程。獨立完成帶孔矩形板的靜強度設(shè)計。獨立完成帶孔矩形板的疲勞強度設(shè)計。獨立完成帶孔矩形板的優(yōu)化設(shè)計。CAD造型1、零件建模秘訣〔1〕零件建模過程：繪草圖→造特征→制零件草繪門道○選平面：先已有、后默認、次插入?！樞颍合?、后中間、再連接?！L草圖：繪形狀、定位置、設(shè)大小。特征門道○先根底：選草圖，定起點，取路徑，設(shè)目標(biāo)。→后附加：選位置、定方式、設(shè)參數(shù)、添附加?！俨僮鳎哼x對象、定方式、設(shè)參數(shù)、加操作。零件門道分特征、達意圖、造根底、添特征〔2〕零件建模原那么草圖盡量簡，特征須關(guān)聯(lián)；造型要仿真，別只顧眼前。2、帶孔矩形板的造型過程從SolidWorks創(chuàng)立一個620mm×380mm×50mm的帶孔矩形板，其中孔的直徑為150mm。并保存為(a)(b)(c)(d)圖1-SEQ圖4_-\*ARABIC1帶孔矩形板的造型過程靜強度分析1、有限元原理〔1〕根本思想：化整為零，積零為整〔2〕分析過程：三步曲前處理:定類型，畫模型，設(shè)屬性，分網(wǎng)格。求解:添約束，加載荷，查錯誤，求結(jié)果。后處理:列結(jié)果，繪圖形，顯動畫，下結(jié)論。2、帶孔矩形板靜強度分析本局部內(nèi)容包括：全面了解Simulation界面應(yīng)用、通過粗網(wǎng)格、精細網(wǎng)格、位移加載、對稱性的利用等算例研究建模方法及其影響。翻開Simulation插件在CommandManager中的“辦公室產(chǎn)品〞卡下選擇“SolidWorksSimulation〞項。創(chuàng)立“靜強度〞算例在CommandManager中的卡下選擇“算例〞中的“新算例〞。在算例對話框的“名稱〞下面鍵入“靜強度〞，在類型下，單擊“static〞，單擊。分配材料屬性在CommandManager中的卡下選擇“應(yīng)用材料〞，在材料對話框中選中“SolidWorksmaterials〞中的“1023〞材料，單擊“確定〞按鈕。創(chuàng)立網(wǎng)格在CommandManager中的卡下選擇“運行〞中的“生成網(wǎng)格〞，單擊使用默認網(wǎng)格劃分。右單擊網(wǎng)格選擇隱藏網(wǎng)格或選擇顯示網(wǎng)格可控制網(wǎng)格可見或不可見。消除剛體運動在CommandManager中的卡單擊“夾具參謀〞中的“固定幾何體〞，選擇模型左面，單擊。定義作用力在CommandManager中的卡單擊“外部載荷〞中的“壓力〞。如圖1-2所示，選擇模型右面，設(shè)置壓力值為50e6N/m^2，反向，單擊。在設(shè)計樹中“外部載荷〞下生成成名稱為壓力-1的圖標(biāo)。運行分析在CommandManager中的卡下單擊“運行〞，開始計算，并顯示算例的節(jié)點、單元和自由度數(shù)。計算結(jié)束后，在設(shè)計樹中添加“結(jié)果〞文件夾，其中包括應(yīng)力等3個默認圖解，且自動顯示應(yīng)力圖解，如圖1-3所示?？梢妚onMises應(yīng)力最大值為190.7MPa。圖1-SEQ圖4_-\*ARABIC2帶孔矩形板圖1-SEQ圖4_-\*ARABIC3應(yīng)力分布圖解觀查結(jié)果應(yīng)力動畫位移圖解顯示的情況下，在CommandManager中的中單擊中的“動畫〞。平安系數(shù)圖平安系數(shù)向?qū)Э蓭椭萌齻€步驟評估設(shè)計的平安性。第一步，設(shè)定平安標(biāo)準，決定使用何種應(yīng)力度量以作為對所選的應(yīng)力極限值的比擬。第二步，選擇應(yīng)力極限值，把應(yīng)力結(jié)果與所分配的材料破壞強度值來決定平安系數(shù)。第三步，可以指定觀察平安系數(shù)區(qū)域。要查看模型的平安系數(shù)分布：在CommandManager中的卡下，單擊“結(jié)果〞中的“新圖解〞→“平安系數(shù)〞菜單，顯示平安系數(shù)對話框，在強度判據(jù)中選第四強度理論“最大vonMises應(yīng)力〞，單擊下一步，在“設(shè)定應(yīng)力極限到〞中選許用應(yīng)力為“屈服力〞，單擊下一步。選中查看方式為“平安系數(shù)以下的區(qū)域〞，并輸入1，顯示平安系數(shù)低于1分布圖解。單擊，顯示平安系數(shù)圖解。疲勞分析理論根底疲勞破壞的主要因素為：載荷的循環(huán)次數(shù)、每一個循環(huán)的應(yīng)力幅值和平均應(yīng)力、局部應(yīng)力集中。使用較早壽命估算方法是名義應(yīng)力法，其設(shè)計思想是從材料的S-N曲線出發(fā)，再考慮各種因素的影響，得出零件的S-N曲線〔如圖1-4所示〕。用水平段，可進行無限壽命設(shè)計；用斜線段，可進行有限壽命設(shè)計，即根據(jù)零件的S-N曲線在己知應(yīng)力水平時可以估計壽命，假設(shè)給定了設(shè)計壽命那么可估計可以使用的應(yīng)力水平。圖1-SEQ圖4_-\*ARABIC4零件的S-N曲線帶孔矩形板疲勞壽命估算完成靜強度分析見前面第四局部中的“帶孔矩形板靜強度分析〞。生成疲勞算例在CommandManager中的卡下選擇“算例〞中的“新算例〞。在PropertyManager的名稱下面：鍵入“疲勞〞；在類型下單擊疲勞。最后，單擊按鈕。設(shè)置算例屬性在Simulation設(shè)計樹中，右單擊“疲勞〞圖標(biāo)，然后選擇“屬性〞，疲勞對話框出現(xiàn)。在計算交替應(yīng)力的手段框內(nèi)，單擊對等應(yīng)力〔vonMises〕。在疲勞強度縮減因子(Kf)框內(nèi)，鍵入0.5。單擊“確定〞。定義疲勞事件在“疲勞〞算例的設(shè)計樹中，右單擊“負載〞圖標(biāo)，然后選擇“添加事件〞，添加事件〔恒定〕PropertyManager出現(xiàn)。將循環(huán)數(shù)設(shè)定為1000。設(shè)定負載類型為“完全反轉(zhuǎn)(LR=-1)〞，在算例框內(nèi)選擇“靜強度〞，單擊。定義S-N曲線右單擊“疲勞〞的設(shè)計樹中的“帶孔板〞文件夾，并選擇“應(yīng)用/編輯疲勞數(shù)據(jù)〞。在材料對話框中選擇“疲勞S-N曲線〞標(biāo)簽。在源框中，單擊“從材料彈性模量派生〞和“基于ASME奧氏體鋼曲線〞。該曲線圖形將出現(xiàn)在預(yù)覽區(qū)域，并且在表格內(nèi)顯示出數(shù)據(jù)組，單擊“確定〞。運行疲勞研究在Simulation設(shè)計樹中，右單擊“疲勞〞圖標(biāo)，然后選擇“運行〞。查看生命圖解在Simulation設(shè)計樹的“結(jié)果〞文件夾中，雙擊“結(jié)果2〔-生命-〕〞圖標(biāo)，將顯示生命圖解，由此生命圖解可見，壽命最短為29270。優(yōu)化設(shè)計優(yōu)化設(shè)計原理什么是優(yōu)化？下面通過一個例子進行理解。如圖1-5所示的普通水杯，仔細觀察一下，會發(fā)現(xiàn)比擬老式的水杯有一個共同特點：底面直徑＝水杯高度。為什么是這樣呢？這是因為只有滿足這個條件，才能在原料消耗最少的情況下使杯子的容積最大。在材料一定的情況下，如果水杯的底面積大，其高度必然就要??；如果高度變大了，底面積又大不了，如何調(diào)和這兩者之間的矛盾？其實這恰恰就反響了一個完整的優(yōu)化過程。圖1-SEQ圖4_-\*ARABIC5水杯的簡化模型在這里，所要優(yōu)化的變量就是杯子底面的半徑r和杯子的高度h，叫做設(shè)計變量；一個水杯的材料是一定的，，這些限制條件在優(yōu)化中叫約束條件，由于水杯材料直接喝水杯的外表積有關(guān)系，這里假設(shè)水杯外表積不能大于100，這樣就有S＝2πRH＋2πR2<100；優(yōu)化的目標(biāo)是要使整個水杯的容積V＝πR2H最大，這個目標(biāo)在優(yōu)化過程里叫目標(biāo)函數(shù)。在優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)模型中，目標(biāo)函數(shù)、設(shè)計變量和約束函數(shù)稱為設(shè)計模型的三要素。在確定了目標(biāo)函數(shù)、設(shè)計變量和約束函數(shù)后，就可以得到優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)模型。那么該問題可以用數(shù)學(xué)表達式表示為：設(shè)計變量：r和h目標(biāo)函數(shù)：MaxV＝πR2H約束條件：S＝2πRH＋2πR2<100帶孔矩形板優(yōu)化設(shè)計在本節(jié)主要學(xué)習(xí)以下內(nèi)容：生成優(yōu)化算例，定義目標(biāo)、設(shè)計變量和約束，觀察優(yōu)化流程。問題描述帶孔矩形板的結(jié)構(gòu)、支撐和載荷情況與第四局部中的“帶孔矩形板靜強度分析〞完全相同。根據(jù)功能要求，帶孔矩形板的尺寸中僅板寬可在200mm~400mm之間變化，試確定VonMises應(yīng)力σ不得超過200MPa條件下，帶孔矩形板的質(zhì)量m最小時的板寬。其數(shù)學(xué)模型為：設(shè)計變量：板寬B目標(biāo)函數(shù)：Min〔m〕＝f1(B)約束條件：σ＝f2(B)≤200MPa分析步驟優(yōu)化分析準備進行優(yōu)化設(shè)計之前，必須完成設(shè)計參數(shù)顯示、約束條件分析等內(nèi)容。本例中須完成靜態(tài)分析以獲得應(yīng)力。顯示特征尺寸右單擊SolidWorks的FeatureManager設(shè)計樹中的“注釋〞〔Annotations〕，選中“顯示特征尺寸〞，在圖形內(nèi)顯示特征尺寸。進行靜態(tài)分析具體步驟見前面第四局部中的“帶孔矩形板靜強度分析〞。生成優(yōu)化算例在左下角的“靜強度〞卡，選擇“生成新設(shè)計〞，即彈出定義優(yōu)化三要素界面，見圖1-6。定義優(yōu)化三要素定義設(shè)計變量在圖1-6所示的定義優(yōu)化三要素界面中的“變量〞行中，選擇“添加參數(shù)〞，在添加變量對話框的名稱欄中輸入“板寬〞，在圖形區(qū)域中選擇板寬對應(yīng)的尺寸。設(shè)定最小為200mm，最大為400mm，步長為20mm。定義vonMises應(yīng)力約束在圖1-6所示的定義優(yōu)化三要素界面中的“約束〞行中，選擇“添加傳感器〞，在傳感器對話框中依次選擇Simulation數(shù)據(jù)>應(yīng)力>vonises應(yīng)力>N/mm^2，然后單擊。設(shè)定：應(yīng)力1小于，最大為200牛頓/mm^2，靜力分析。定義目標(biāo)函數(shù)在圖1-6所示的定義優(yōu)化三要素界面中的“目標(biāo)〞行中，選擇“添加傳感器〞，在傳感器對話框中依次選擇質(zhì)量特性>質(zhì)量，然后單擊。設(shè)定：質(zhì)量1