時間：2023-03-20 16:20:29
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西門子NX是一個完全集成的CAD/CAM/CAE軟件集，具有強大的計算機輔助設計、分析和制造功能。本文通過西門子NX的CAD/CAM/CAE來完成建模、有限元分析及數控編程。首先，在NX的CAD模塊進行三維建模，完成建模后進入NX的結構分析模塊，創建新分析方案，選擇解算器，這里用NXnastran，材料設置為steel，即對應的45鋼。網格劃分是有限元分析的基礎，其目的是將結構轉化為離散的連續實體，有限元網格劃分的質量，直接影響到分析結果的精確度和分析所用的時間，在保證解算精度的情況下盡量提高數值計算的速度。
在NX仿真導航器中激活FEM文件，將其設為顯示部件，選擇“3D四面體網格”工具，選用具有較高計算精度的“10節點四面體單元”對零件進行網格劃分。在NX仿真導航器中激活仿真文件，將其設為顯示部件，在約束類型中選擇“固定約束”工具，選擇尺寸100的平面定義固定全約束。在載荷類型中選擇“力”工具，選擇固定約束對面橢圓面（事先適當分割面），設置作用力為500N，力的方向為100平面的垂直方向。有限元模型建立后，可進行模型檢查，如網格、節點/單元、載荷、約束及材料等，檢查沒有錯誤，進行求解，求解完成后，對分析結果進行綜合評定，如圖2所示。
變形輸出excel文件格式，經過后處理輸出的excel文件詳細地記錄了各坐標點上的變形量，如表1所示。有限元分析施加載荷和邊界條件時，添加的力和約束與實際加工時工件的夾緊力、支撐點應相符合，以模擬工件實際受力情況。
2數控編程加工
利用excel的計算功能，將原始點和變形量進行比較，得到變形后的坐標點。將這些坐標點輸入NX軟件，用NX的建模功能三維建模，得到變形后的橢圓模型，因為NX平面銑適用于側壁垂直底面或頂面為平面的工件加工，故選用NX的平面銑類型，加工輪廓刀具選用D40立銑刀，30°斜面選用60°成型刀，選擇加工面，設置相關參數，生成軌跡后，后處理輸出G代碼。實際加工中可以通過測量工件夾緊后的變形量來控制夾緊力。本例在有限元分析時添加的力為500N，分析橢圓200mm尺寸變形量為0.516mm。加工時工件夾緊后，實際測量橢圓200mm尺寸變形量達到0.516mm時停止夾緊，這時有限元分析時添加的力與實際工件夾緊力應基本相等。實際加工時上下方向可增加輔佐支撐，以防止數控加工時工件震動。
3結語
關鍵詞：城市園林有害生物問題分析對策
1有害生物的現狀
號稱松樹“癌癥”的松材線蟲在廣東、江蘇、浙江、安徽、山東等地每天都有新的疫點發生，其蔓延之勢已覆蓋了我國5億多畝森林。
危害100多種植物的美國白蛾在遼寧、山東、河北、天津等地并未“撲滅”，而且新疫點頻頻出現，現對北京已成包圍之勢，正在敲響北京的大門。
國槐的蛀干害蟲銹色粒肩天牛，八十年代至九十年代初一直以河南、山東南部為根據地，局部為害國槐、欒樹，九十年代中期向東、西、北三個方向出擊，成為蛀干害蟲的優勢種，如今已成為北京市樹“國槐”新的重要蛀蟲。
從未過長江的北方蛀蟲臭椿溝眶象，在本世紀初，跟隨寄主千頭椿大舉入侵上海市，形成嚴重危害。
日本松干蚧是一種毀滅性害蟲，遍及華東各省，如今又向東北擴散，吉林省1994年首次發現受其侵害，至2002年發生面積已達27萬畝，成災面積13.5萬畝，4萬畝松林在蟲口下瀕死或枯死。
杉樹、柏樹的重要蛀干害蟲雙條杉天牛向北已蔓延到沈陽，大有向東北擴散之勢。
光肩星天牛的危害面積已達50萬公頃。
青楊虎天牛在黑龍江哈爾濱周邊地區再度暴發成災。
蔗扁蛾是我國新發現的一種鱗翅目鉆蛀性害蟲，危害香蕉、甘蔗等經濟作物，防治難度較大，如今已遍及華東、華中、華北、西南、東北等各地城市園林，危害植物達22科之多，除巴西木、發財樹、綠蘿、一品紅、棕竹、鵝掌柴外，全國各地尤其是城市園林許多木本、草本花卉被其侵害。楊樹爛皮病1999年春在東北全部及華北、內蒙古部分地區流行，被害致死柳、楊等綠化樹木近15萬株。
松枯梢病在山西、陜西、遼寧大發生，大連沿海地區的大片黑松患病死亡。
銀杏大蠶蛾僅在陜西就發生2萬公頃，東亞飛蝗在西北、華北再度暴發成災。
2003年春，長春市因凍害死亡楊、柳樹2萬余株，由凍害引發病害，嚴重染病的樹木3萬多株。
原產南美的水葫蘆，學名鳳眼蓮，作為畜禽飼料、觀賞和凈化水質的植物被引入并推廣種植，后逸為野生，以極快的無性繁殖，形成單一的優勢群落。在云南已成“喧客奪主”的心腹之患，占據了滇池10平方公里的水域，破壞當地水生植物和水生動物，堵塞交通，給漁業和旅游業造成重大損失，嚴重地破壞了生物間生態平衡。
2問題分析
2.1綠化格局的調整改變了原有有害生物的結構
園林植物是城市建筑物、道路之間互相聯系并使之成為一體的紐帶。國外園林風格不斷傳入我國，植物配置和種植方式更加多變，如疏林草地、規則綠化等，打破了我國傳統園林格局。園林植物種類、數量以及綠化面積大幅度增加，改變了城市中原有有害生物的種類、結構和危害。如今，蛀干害蟲、“五小害蟲”（蚜、螨、蚧、粉虱、薊馬）和生態性植干病害成為城市園林植物的主要病蟲害。
2.2綠化植物的不合理配置為病蟲害的發生提供了先決條件
害蟲與寄主在長期進化過程中形成了協同進化關系，可以說植物一栽下去就決定了病蟲害的發生程度，不合理的種植結構是病蟲害嚴重發生的源頭。2.3園林植物檢疫環節薄弱，外來病蟲猖獗
隨著國際間植物交流的頻繁，侵入型害蟲不斷傳入我國，而我們當地天敵尚不能馬上跟蹤適應，這些自然控制因素的喪失使侵入型害蟲比我國本地害蟲具有更大的危害性。嚴重危害100余種花卉植物的毀滅性食葉害蟲美洲斑潛蠅和前面提到的蔗扁蛾就是近年從國外傳入的，并在短短兩年時間就遍及我國22個省區。
2.4城市生態惡化為病蟲害的發生開啟了方便之門
城市環境是由人工建造起來的特殊生態系統，地上部分往往是空氣污染嚴重、光照條件不佳、人為破壞頻發；地下部分往往是土壤堅實、透氣性差、土質低劣、缺肥少水、生長空間狹窄，這些直接導致了有害生物的大發生。當某種生態因子達到災變程度，而養護管理又長期相當不力時，生態平衡將被打破，園林植物病蟲害就暴發成災，發展成為自然生物災害。
2.5氣候異常促使城市園林病蟲害大發生
在城市惡劣的生態環境下，園林植物生長勢極弱，這時氣候方面的因素則變成決定性影響因子。
1999年柳樹爛皮病大發生，國家林業局專家組確定為災變性氣候引起。
2003年春長春大量樹木死亡也是由災變性氣候引起。
3對策：
3.1加強抗性植物品種的選育及應用
植物材料的選擇應以植物區系分布規律為理論基礎，以鄉土樹種為重點，以適應城市生態環境，如抗干旱，耗水少，耐瘠薄和土實，抗污染，抗凍害，抗病蟲，耐粗放管理等7個方面為樹種選擇的首要標準。
3.4加強養護管理，減少有害生物的發生
;加強養護管理就是人為地調整適合目的植物生長，而不適合有害生物生長的環境條件，使目的植物能健康、茁壯地生長，有害生物很難侵入，也不能大量繁殖，對目的植物構成威脅。從根本上解決植物衰退病這一難題。
3.3從規劃設計著手，控制有害生物的發生
從尊重生態系統自我調節出發進行園林規劃設計，遵循生物共生、循環、競爭的原則，以喬木為主，實行喬、灌、藤、花、草多種植物合理混配的林蔭型綠化，造成一個和諧、有序、穩定的園林植物群落，形成一個多品種、多層次、互促共存、遮陰效果好的復層種植結構。
關鍵詞：有限元法；課程；案例教學
中圖分類號：G642.4？搖 文獻標志碼：A？搖 文章編號：1674-9324（2013）46-0093-03
當前中國高等教育面臨兩個緊迫局面：一個來自“全面建成小康社會”，另一個來自高校人才培養自身。黨的十提出的“2020年全面建成小康社會”的發展目標，使得以培養人才、服務社會為己任的高等教育，倍感責任重大，情勢急迫。目前，大學本科生已全為“90后”。“90后”在校大學生一方面善于求新求變，不斷擴大信息量和知識面，另一方面卻更注重實際、利害、功用[1]。如何根據“90后”大學生的特征，將他們培養成為國家急需人才，這是高等教育迫在眉睫的現實課題。
現代先進設計制造技術（CAE/CAM）是我國實現從制造業大國向制造業強國跨越的關鍵。有限元法作為計算機輔助工程分析（CAE）的先進方法之一，是工程結構設計不可缺少的重要手段。有限元法基于先進的數字模型，通過數值模擬技術能夠在產品設計階段預測產品各方面性能，避免了加工物理樣機并通過試驗測試產品性能所帶來的高成本低效率問題，大大縮短了產品的研發周期和研發費用。在我國實現從制造業大國向制造業強國跨越的趨勢下，企業對具備有限元分析能力的畢業生需求越來越大。有限元法課程作為機械、土木等工程本科專業的重要選修課之一，對于培養高素質、高質量的高級專門人才有著重要作用。根據“90后”大學生的求知特征，開展有限元法課程教學改革，是培養和提高學生解決實際問題能力的重要途徑，也是實現高等教育人才培養戰略必然要求。
一、有限元法課程的教學特點
有限元分析技術涉及數學力學基礎、單元技術、計算機應用技術、工程中的應用四個方面。“數力基礎+單元技術+軟件工具+應用對象”是工程有限元法課程的四個主要特征[2]。有限元法課程的教與學必須抓住“理解基礎理論，熟練掌握軟件工具應用，廣泛涉獵工程應用對象”這一主線。
二、有限元法課程教學中的問題
有限元法的基本思想是離散和分片插值，其理論涉及泛函分析、矩陣理論、數值計算、計算機技術以及各應用領域（結構、熱、電、磁、光等）基本理論。有限元教學如果只是一味強調理論分析，就無法使既“求新求變”又“注重實際、利害、功用”的“90后”大學生切實感受到先進方法的魅力，反而因為繁瑣的公式推導而對有限元法產生望而生畏的感覺[3]。當前有限元法課程教學的主要問題有兩個方面。一方面是，過分強調有限元分析的基礎理論教學，卻又局限于課程學時少、學生數學力學基礎不足而流于形式。學生覺得理論深奧、晦澀難懂，半生不熟，事倍功半。另一方面，實踐環節片面地強調對有限元分析軟件的掌握，對工程應用對象涉獵不足，上機實驗根據指導書按部就班完成，學生缺少自主性、探索性實踐鍛煉。使學生覺得上手容易，用起來茫然，無法自主完成實際問題的研究、探索性分析過程。
1.對有限元法基礎理論理解不透徹。目前有限元法教材及課程教學內容，大多以大量篇幅和課時講授有限元法和各種單元的力學原理。課堂講授花費很多時間進行數學力學推導，而用很少時間講授應用。實踐表明，教學效果很差，多數學生感覺深奧難懂，枯燥乏味且不懂應用。
2.對分析對象的工程背景不熟悉。有限元課程教學的最終目標就是引導學生“廣泛涉獵工程應用對象”，提高學生對實際問題進行研究、探索性分析的能力。實現這一目標的途徑就是做實實踐環節。目前有限元課程實踐教學環節主要形式有：⑴課堂實例分析演示；⑵上機實驗；⑶課外工程實例研究分析。這些實踐過程基本都是學生根據指導書完成，缺少自主性、探索性實踐鍛煉。由于缺少自主性，多數學生對分析對象的工程背景不熟悉。不清楚研究對象模型如何簡化，導致分析過程中不能合理的設置參數，對分析中出現的問題找不出原因予以解決或者對分析結果不能做出合理的解釋。無法培養和有效提高學生用有限元法分析實際問題能力。
3.對分析軟件功能模塊應用不熟練。對于復雜的實際問題，很少有學生能夠通過直接編程完成對結構的分析過程。利用商業軟件進行工程問題有限元分析，“熟練掌握軟件工具應用”是目前有限元課程實踐教學的基本要求。目前教學實踐環節存在的問題是，上機實習題目少，涉及的工程問題較簡單，使得學生對軟件功能模塊的應用不熟練。在遇到實際問題時，不清楚先后步驟；不會合理的設置參數，導致問題不能求解或求解結果不正確。分析解決實際問題的能力受到限制。
三、有限元法課程教學改革實踐
教學過程中如何貫徹“理解基礎理論，熟練掌握軟件工具應用，廣泛涉獵工程應用對象”這一主線，是有限元法教學成與敗的關鍵。加強基礎理論教學理解性教學，強化實踐教學環節，增強學生分析解決工程實際問題的能力是教學改革的大方向。因此，針對目前有限元課程教學中的問題，我們對課程教學內容與教學方法進行了改革。
1.基礎理論教學化繁為簡，虛實結合。基礎理論從平面桿系結構開始，再到彈性體平面問題，把有限元法基本原理和分析過程循序漸進、完整、清晰地講授出來。簡化理論推導過程，提高了學生的理解和接受程度。講授平面桿系結構有限元分析過程時，以圖1所示的簡單靜定桁架內力分析為例；講授彈性體平面問題時，以圖2所示的兩端固定平面深梁為例。用這些實例，把結構離散，單元分析，整體剛度矩陣集成，整體結點平衡方程，位移邊界條件應用，有限元最終解等完整的分析過程展現給學生。虛實結合，這一方法有效地提高了學生對基礎理論的理解和接受程度。
2.采用案例教學，廣泛涉獵分析對象的工程背景。基于ANSYS軟件平臺，精選機械工程中應用實例，如齒輪、飛輪、主軸等零部件進行課堂有限元分析演示，廣泛涉獵分析對象的工程背景，使學生認識到該課程的廣闊應用前景。講授單元類型時，結合具體工程實例來介紹軸對稱單元、板殼單元、實體單元等類型單元的應用。講授單元位移模式和結構分析的h方法與p方法時，結合工程實例分析演示，采用討論式、啟發式的教學方式，讓學生從中體會不同分析方法的優缺點。案例教學法，使學生逐步體會到如何將一個工程實際問題轉換為有限元求解模型，樹立了牢固的工程觀。
3.強化實踐教學環節，使學生對分析軟件“練中學，學中用”。“練中學”。安排16學時的課程上機實習環節，提供8個左右的實際問題有限元分析題目，使學生在上機練習中逐步熟悉和掌握ANSYS軟件的功能模塊應用。同時，通過這些練習，使學生逐步學會將一個工程實際問題轉換為有限元求解模型的技能，初步具備解決實際問題的能力。“學中用”。課程教學的終極目標是使學生學以致用。因此，課程實踐環節考核的最有效指標就是學生能否“學中用”。在教學實踐環節改革中，我們在上機實習之外增加了課程論文考核環節，同時增大這一自主實踐環節的考核權重。課程結束時，教師給出15個左右工程實際問題題目，讓學生按小組選題并完成分析過程，提交課程論文。學生也可以自己尋找工程中實際問題作為課程論文題目，藉此可以鍛煉學生發現問題、分析解決問題的能力。通過幾年教學改革實踐，效果顯著。學生利用課程論文這個實踐環節，熟練、系統地對所學知識和分析軟件進行應用。一部分學生結合教師的科研項目，自找題目完成課程論文。例如，有學生自擬“不同筋板結構井蓋的有限元分析”題目并以優異成績完成課程論文；也有學生結合教師科研項目開創性地完成“馬鈴薯覆膜穴播種機機架有限元分析”課程論文。“學中用”的目標，通過課程論文題目這一實踐環節得到充分體現。
通過幾年來有限元法課程教學改革實踐，本科生對有限元法基礎理論理解加深，軟件的操作應用熟練掌握。同時，通過課程論文環節的實踐鍛煉，學生對有限元法有了更深刻的認識，達到了“學中用”的教學目標。通過有限元課程教與學，極大提高了學生的數值計算應用能力，為將來從事CAE相關研究工作打下了堅實的基礎。
參考文獻：
[1]高文兵.聚焦90后——高校當前的人才培養[N].光明日報，2012-12-5（14）.
[2]向家偉.機械類工程有限元法課程新體系的建設與實踐[J].桂林電子科技大學學報，2008，28（2）：150-152.
[3]于亞婷，杜平安.有限元法課程實踐教學方法探索[J].實驗科學與技術，2008，（2）：108-110.
關鍵詞：齒輪軸 UG 有限元分析 優化
0 引言
行星齒輪減速器因具有體積小、重量輕、承載能力高、結構緊湊、傳動效率高等優點而廣泛應用于冶金機械、工程機械、輕工機械、起重運輸機械、石油化工機械等各個方面。UG軟件是集CAD/CAE/CAM為一體的三維化的軟件，它是當今最先進的計算機輔助設計、分析、制造軟件，廣泛應用于航空、航天、汽車、造船、通用機械和電子等工業領域。UG的CAD/CAE/CAM功能模塊有復雜的特征建模、裝配、運動仿真和有限元分析等功能。實現UG有限元分析功能，必須要遵從UG有限元分析的一般過程，構建有限元模型，其中包括自動網格劃分、添加約束與載荷，利用圖形的方式得到模型應力、應變的分布情況。機械優化設計，就是在給定的載荷和約束條件下，選擇設計變量，建立目標函數并使其獲得最優值的一種新的設計方法。
1 齒輪軸幾何參數的初選
通過常規設計方法設計計算出齒輪軸的幾何參數，齒輪軸的齒形為漸開線直齒。分配減速器傳動比，計算齒輪模數，并根據傳動比條件、同心條件、裝配條件和鄰接條件確定齒輪的齒數。齒輪軸的齒輪基本參數如表1所示。
2 齒輪軸的三維建模
利用UG/Modeling模塊建立齒輪軸模型，如圖1所示（去掉網格后的實體模型）。
2.1 網格劃分
網格劃分越密集，計算結果越精確，但是這會使計算時間加長。單元網格的劃分采用UG自帶的3D四面體自動網格劃分，單元尺寸為3mm。網格劃分情況如圖1所示。
圖1 齒輪軸的網格劃分
2.2 定義材料特性
齒輪軸材料選擇20Cr，其材料屬性如下：質量密度 7.850e3kg/m^3，楊氏模量205000N/mm^2（MPa），泊松比0.29，屈服強度等于540N/mm^2（MPa）。
2.3 施加約束和載荷
齒輪軸兩端由兩個滾子軸承支撐，限制了空間5個自由度，只允許轉動。本論文只考慮齒輪軸齒輪處的應力進而對其進行優化，所以為齒輪軸加載荷及約束，安裝軸承處加圓柱形約束，在軸端即與聯軸器相連處施加大小為175.083N·m的扭矩。約束和載荷施加情況如圖2所示。
圖2 齒輪軸的載荷施加
2.4 求解和結果查看
UG軟件的結構分析模塊提供了強大的后處理功能，可以自動生成計算分析報告。齒輪軸的Von Mises應力圖如圖3所示。單元節點最大應力為325.8MPa，基本接近材料屈服強度的60%。總體來說，輸出軸在強度方面不僅滿足了設計要求，而且還有很大的裕量，材料的承載能力并沒有得到充分的利用，這為齒輪軸的優化提供了很大的空間。
圖3 Von Mises應力圖
3 齒輪軸的優化
設計目標：
最小化 模型 重量
設計約束：
模型 Von Mises 應力，上限=320000.000000
設計變量：
a：：p53，初值=38.000000，下限=32.000000，上限=38.000000
最大迭代次數：20
優化結果如圖4，圖5所示。
由圖6迭代分析結果可以看出，在進行第三次迭代的過程中，應力值超出上限，所以，以第二次的迭代結果為準，此時的齒寬為35mm，應力值為295MPa，比較理想。所以常規設計方法得到的齒寬b=38應變為優化設計方法得到的齒寬b=35，此時的應力值為295Mpa，亦滿足強度要求。
4 結束語
本論文利用UG的高級建模功能，在對行星齒輪減速器齒輪軸進行參數化建模的基礎上，建立了有限元模型并進行了有限元分析，得到了齒輪軸的Von Mises應力圖，替代了常規校核的設計方法，大大提高了設計效率。同時對齒輪軸的齒寬進行了優化設計，使得設計方案比原常規設計方案在齒輪軸重量上下降了2.02%。為多個設計變量（如模數、齒數）的單或多目標函數優化奠定了基礎。
參考文獻：
[1]孫恒，陳作模.機械原理.7版[M].北京：高等教育出版社，2002.
[2]濮良貴，紀名剛.機械設計.8版[M].北京：高等教育出版社，2001.
[3]吳春蘭，王世杰.井下專用行星減速器中心齒輪有限元分析.沈陽工業大學學報，2004，26（4）.
關鍵詞：汽車零部件；快速設計；有限元分析
引言
快速設計是為實現加快新產品開發周期，提高設計效率減少重復勞動的目的而誕生的。不同于傳統的設計，它儲存了設計的整個過程，能設計出一簇而非單一的，形狀和功能具有相似性的產品模型[1]。汽車零部件有很多零件雖然尺寸不同，但形狀相差不大，建模的特征及順序很接近，適合使用快速設計。
快速設計技術以及快速設計系統的開發是一個研究熱點，國內外很多高校和研究機構都做出了大量的研究。太原理工大學的王鐵教授提出功能元的概念，并將之用于手槍等的快速設計[2]。大連理工大學的馬鐵強教授將CAD模型的重用技術應用于產品的快速設計上[3]。中國科學技術大學的蔣維將混合模板庫與鍛壓機床的快速設計進行了結合，并集成了CAE模塊[4]。國外快速設計的研究一直走在我們的前頭。波音、空客、福特等大型制造企業都有自己的快速設計系統。
我國已經是汽車產銷大國。據中國汽車工業協會統計，據中國汽車工業協會統計，2013年我國新車銷售2198.41萬輛，同比增長13.87%，居世界第一。為了降低制造成本，提高產品的市場競爭力，整車制造廠商往往以客戶的身份將汽車零部件以訂單的方式下發到具有不同加工能力的中小型企業（供應商）生產。隨著技術的發展，汽車更新換代速度加快，零部件制造企業如何快速響應，來協同整車制造企業正成為一個日益嚴重的問題。在我國制造業比較發達的上海和蘇南地區，中小企業往往因為不能及時設計造成無法按期供應產品而導致跑單。
1.系統的功能要求
汽車零部件快速設計與有限元分析系統主要服務于中心型汽車零部件制造企業的，基于特征和參數化技術的，可以解決企業人才短缺，無法同時具備解決快速設計及有限元分析兩部分內容的問題。一般中心型汽車零部件制造企業生產的產品具有類別相同，尺寸不同的特點因此，系統的應實現以下幾個方面的功能：
1.1快速造型設計，輸出三維模型和CAD圖紙，顯著提高零件的設計速度；
1.2零件的詳細CAD模型和簡化CAE模型的對應和設計參數的共享；
1.3零件有限元分析邊界條件參數化，可實現快速有限元分析。
2.系統設計
2.1通過對同系列零件特征的分析，將特征進行歸類，建立基于特征的參數表達式，通過特征的疊加得到同系列零件系列化的參數化模型。將零件進行歸類、存檔，構成零件的參數化模型庫；
2.2運用KBE（Knowledge-Based Engineering）技術和軟件工程的方法，以零件的參數化模型庫為支撐，以通行的CAD/CAM軟件UG作為開發平臺，以UG/Open API和Microsoft VC++ 6.0作為開發工具和編程語言，開發零件的快速設計系統，提高設計速度；
2.3基于APDL（ANSYS Parametric Design Language，ANSYS參數化設計語言）建立零件的參數化有限元模型，實現特征和邊界條件的參數化，并形成可用于分析*.txt文件。當用戶在快速設計系統中輸入參數建立零件的詳細CAD模型的同時，系統將自動修改*.txt文件，重新生成分析文件。通過調用有限元分析軟件ANSYS讀取該*.txt文件對零件進行有限元分析，并可對零件進行結構優化設計。
3.結論
汽車零部件快速設計與有限元集成系統切中中心型汽車零部件制造企業不具備快速設計的問題。然而此類企業生產的產品具有類別相同，尺寸不同的特點。因此，系統根據實際情況來開發，具有明顯的優勢：
3.1通過建立零件的參數化模型庫實現零件的快速設計；
3.2在完成零件詳細的CAD模型的同時，系統自動完成簡化CAE模型的建立，并傳遞設計參數，且所有模型都實現參數化；
3.3本系統的建立將極大的減少零件設計和分析的重復性工作，極大的提高設計效率。
參考文獻：
[1]王良文，王傳鵬，郭志強等. 基于ANSYS二次開發的塔式起重機快速設計系統[J]. 機械設計，2014，31（5）：69-74.
[2]張浩浩. 基于功能元的快速設計平臺研究[D]. 太原：太原理工大學碩士學位論文，2006.
[3]馬鐵強. 支持產品快速設計的CAD模型重用技術研究[D]. 大連：大連理工大學博士學位論文，2009.
[4]蔣 維. 基于CAD/CAE混合模板庫的鍛壓機床快速設計、優化方法研究[D]. 合肥：中國科學技術大學博士學位論文，2008.
[5]劉巍巍，邵文達，劉曉冰. 面向機械產品創新與快速設計的知識建模方法研究[J]. 組合機床與自動化加工技術，2014，（5）：27-30.
[6]王 志，張進生，于豐業等. 基于模塊化的機械產品快速設計[J]. 機械設計，2004，21（8）：1-3.
作者簡介：
項忠珂（1984- ），男，江西上饒人，碩士，講師，研究方向：結構優化設計，汽車安全技術。
關鍵詞：超大型平頭塔式起重機；平衡臂；優化設計；有限元
中圖分類號：TH2文獻標識碼：A
Abstract：Taking the counterjib of T3000160 super large flattop tower crane as the research object，the structure is optimized. Firstly，the finite element simulation model of the counterjib is established. Then，the APDL algorithm language and parametric technique in Ansys are used to parameterize the design dimensions of the counterjib structure. Through the structural optimization，the optimal crosssectional dimension of the main structure of the counterjib is obtained，The results show that the overall strength and rigidity of the counterjib meet the design requirements，and the parametric design can improve the design quality of the construction machinery.
Key words：super large flattop tower crane，counterjib，optimized design，finite element
1引言
S著有限元技術的不斷發展，計算機輔助設計在塔式起重機關鍵組成部件的優化分析設計中得到了廣泛應用。計算機輔助設計及有限元分析技術的引進使用，使得塔機產品使用起來更加安全和高效。超大型平頭塔式起重機作為塔機發展的方向，其結構復雜，工況多樣，僅僅對其進行整體的綜合系統設計是不夠的，更應該關注其細節結構設計分析，關注計算機優化設計。
本論文選取T3000160超大型平頭塔式起重機作為研究對象，利用計算機輔助設計技術對平衡臂結構進行有限元建模分析，使用APDL算法完成平衡臂結構的優化設計，達到降本增效的目的。
2Ansys有限元分析優化設計的有關概念121設計變量設計方案完成后，其中的設計元素可以用一組基本參數數值來表示，這一組參數數值就是所謂的設計變量。
22目標函數
在產品結構設計中，可以利用一些設計指標衡量一項設計方案的好壞，通過把設計指標參數化得到相關函數來表示這些指標，這些相關函數即是優化設計的目標函數。
計算技術與自動化2017年6月第36卷第2期郭紀斌等：基于Ansys的超大型平頭塔式起重機平衡臂優化設計23約束性條件
所謂約束性條件是在對與目標函數相關的設計變量進行取值時加入的限制性條件。約束類型按照目標函數中設計變量的不同性質可分為邊界性約束和性能性約束。
24合理性設計
所謂合理性設計是指滿足設計方案所有給定約束條件（包括設計變量的約束和狀態變量的約束）的設計。倘若給定約束條件中的任一條未滿足，該設計就被認為是不合理的。而最優設計就是既能滿足所有約束條件同時目標函數值又是最小的設計。
3超大型平頭塔機平衡臂優化設計的步驟
在Ansys軟件中可以用兩種方式進行結構優化設計：圖形交互式或者數據批處理來完成。在本論文中，選用數據批處理方式來進行平衡臂結構優化設計，以期提高優化設計效率。
由于用戶采用優化方式的差異（批處理或GUI方式），Ansys優化設計步驟會有些許差別。本論文中平衡臂優化設計步驟如下：
31分析文件的生成1311參數化建立模型通過Ansys軟件/PREP7命令把設計方案中的設計變量參數化建立數據模型的工作完成。對于本論文選定的T3000160超大型平頭塔式起重機平衡臂，設計變量是拉桿和臂架弦桿的尺寸，如表1所示。
表1設計變量
設計變量1初值（mm）1變量含義X112001平衡臂下弦桿角鋼L200X36的截面長度X21361平衡臂下弦桿角鋼L200X36的截面長度X31651平衡臂拉桿圓鋼Φ130的半徑
312計算求解
Ansys中的求解器主要是對分析類型和分析選項在優化過程中進行定義，并完成載荷的施加，及對載荷步的指定，最后進行有限元分析計算，同時在分析過程中需要的數據都要在計算求解過程中指出。
在本論文平衡臂的優化分析中，solution 部分輸入如下：
/SOLU
PREP7，
…
BEAM，P21X，5，PRES，-0.2c-5，…
Acc1，0，10000，0，
AUTO CP，0，0.65*2，
SOLVE，
FINISH。
313提取參數化分析結果
對分析結果進行提取并給相應的參數賦值，這些參數通常情況下包括目標函數和狀態變量。完成本步操作使用POST1命令，尤其是與數據的存儲、加減或者其他操作相關時，而對數據的提取通常用*GET命令（Utility Menu>Parameters>Get Scalar Data）來完成。
在本論文研究中，設置平衡臂總重量為目標函數。因為重量和體積成比例關系，對產品總體積的減小就相當于總重量的減少，因此把總體積設計為目標函數。在優化研究中，把軸向應力、節點位移設置為狀態變量。這些參數的設定可以用下面的方法進行定義：
/POST1
ETABLE，evolume，VOLU，
QR SSUM
*GET，VOLUME，SSUM，DEFORMED，EVOLUME
…
QR，SMAX_E，LS，0，1
CP，ETAB，SMAX_E，0，1，
*GET，SMAX_E，SORT，MAX
…
*GETT，DYMAX1，NODE，1528，Z，Y
…
32對計算結果優化分析
建立完成分析文件之后，就可以利用計算機進行優化分析。在優化處理器中，這些相關參數的值被假定為一個設計序列，所有參數會在Ansys數據庫中被自動設置為設計序列1。
4超大型平頭塔機平衡臂優化設計結果
通過10次迭代計算完成對模型參數的優化，目標函數與設計變量的變化如圖1―圖3所示。
圖1設計變量X1優化示意圖圖2設計變量X2優化示意圖圖3設計變量X3優化示意圖通過上面的優化示意圖可以看出，三個設計變量都是平衡臂主結構件的截面尺寸，經過優化計算，截面尺寸都得以減小，而與其相關的目標函數（平衡臂總體積）有總體減小的趨勢。
在優化計算時不僅要減少平衡臂體積，同時其結構對強度和剛度的設計要求也要滿足，所以本研究增設狀態變量1（平衡臂端部位移）和狀態變量2（截面危險節點的應力值）為研究對象，其優化過程如圖4―圖5所示。
圖4狀態變量1優化示意圖圖5狀態變量2優化示意圖從兩個狀態變量的優化過程可以看出，在經過多次迭代優化后各狀態變量值變量均在設定值范圍內變化，變化非常小。
目標函數的最優解在Ansys優化設計過程可以自動選出，在本論文中得出的最優解見表2。
由優化計算結果可以看出，平衡臂總質量由18.87噸優化到了17.13噸，p少了1.74噸，減重百分比為9.22%。與初始設計方案相對比，優化后主體結構件截面尺寸減小，從而降低了平衡臂總質量，達到了減輕平衡臂總重量的優化設計目標。通過對優化模型有限元分析結果的檢查，其結構剛度、強度均符合設計要求，如表2所示。
本論文選用Ansys一階優化方法對以平衡臂總質量為目標函數的方案進行計算優化，優化后平衡臂結構強度剛度均在設計允許值范圍內。通過定義主要結構件尺寸的優化，平衡臂總重量減少1.74噸，降幅9.22%。
5結論
本論文以T3000160超大型平頭塔式起重機平衡臂的優化設計為研究對象，采用現代設計理論和方法，使用主流有限元分析軟件Ansys完成對平衡臂結構的優化分析，其過程主要如下。
（1）建立T3000160塔機平衡臂有限元分析模型，選用BEAM188，MASS21等作為模型分析單元，確保有限元模型結構、重量等參數的設置符合實際情況。
（2）各項參數滿足設計方案要求。通過優化分析，得到平衡臂主體結構件的最優截面尺寸，同時有限元分析結果表明整體結構強度和剛度滿足設計方案需求。
（3）本論文選取T3000160超大型平頭塔式起重機的平衡臂進行有限元分析優化設計，為超大型平頭塔式起重機平衡臂及其他相關部件結構的強度分析和設計提供一個理論性的支撐，同時提高工程機械設計質量，縮短設計周期，促進優化設計法在起重機設計中的應用。
參考文獻
[1]張洪信.ANSYS基礎與實例教程[M].北京：機械工業出版社.2013.
[2]周寧. ANSYS APDL高級工程應用實例分析與二次開發[M].北京：中國水利水電出版社. 2007.
[3]起重機設計規范GB/T38112008[S].中華人民共和國質量監督檢驗檢疫總局.2009.
[4]馬東輝，趙東.基于ANSYS和MATLAB的結構優化設計[J].制造業自動化.2013.35（10）：106-108.
[5]李新華，張毅，戴琳.塔式起重機起重臂的模糊優化設計[J].機械與電子.2010（9）：92-93.
[6]孫運見，孫樂.基于Jaumin的等參單元算法框架設計[J].計算機輔助工程.2015（1）：63-67.
論文關鍵詞：振動,時效,有限元分析
承德石油高等專科學校
無論在國內還是國外，振動消除殘余應力都己經被廣泛應用。目前，振動消除殘余
應力不但被用在傳統的重型機械和大型焊接構件、床身鑄件、煤機產品、鍋爐制造等方
面，而且許多其它行業也開始應用振動消除殘余應力技術。目前，該項技術在鋁合金試
件、化工設備領域、建筑領域、風機制造等方面都發揮著它的魅力。本文通過對試件進行振動時效處理，驗證了對振動時效機理的分析及振動時效效果的判據。在此基礎上，提出了用有限元模擬振動時效的想法，井作了初步的探討。
一、振動時效前殘余應力的有限元模擬
有限元分析以試驗所用的對接焊薄板為研究對象，試件的尺寸單位為毫米，材質為低碳鋼，焊縫與母材材質相同。我們近似認為它是以焊縫為對稱軸，在考慮殘余應力時只要考慮焊縫一側即可。由于殘余應力在沿焊縫方向的分布大致相同，所以將其看成無限大板，分析時選取一部分即可。
圖1為模擬振前殘余應力的網格劃分及加載圖。模型左端為焊縫處，延長度方向10等分，因靠近焊縫處應力較大，故在距左端0.1處進行網格細化。有限元采用面單元，119個節點，面面之間用強接觸處理。左邊和下邊單向約束，右邊自由，上邊加載。
圖2、3為第一、第二主應力分布圖。
圖1模擬振前殘余應力的網格劃分及加載圖
圖2第一主應力分布圖
圖3第二主應力分布圖
二、振動時效的有限元模擬
上面通過對模型加載模擬了振動前殘余應力的分布，現在要加上激振力，模擬振功
時效過程。圖4.8為模擬激振力的網格劃分及加載圖，圖4.9為Y方向上的應力。
圖4模擬激振力的網格劃分及加載圖
圖5Y方向上的應力分布
三、結果分析
加激振力前后沿遠離焊縫方向節點的Y方向應力見表1。
表1節點對應的應力值
從上表可見，對殘余應力的模擬與實際測量的應力值有一致的分布趨勢。加上激振
力后殘余應力的變化也與實際測量得到的變化趨勢一致。當然，實際的振動時效過程是一個非常復雜的過程，涉及到各種參數的變化以及材料本身各種物理性能的變化。因此，用有限元來模擬整個振動時效過程是比較麻煩的事情，受到諸多方面因素的影響。如何模擬振動時效過程使其更貼近實際情況仍需做大量的工作。
參考文獻
1 孫豐華等.振動時效消除金屬工件殘余應力效果檢測.大連理工大學學報,1994,34(3):28-33
2 WalkerCAetal.Vibrato Srtess Relief一一 an Investigation of the Underlying Poreess.Eoll93 IMeeEh.proe.Josut.Meeh.Engrs,1995,209:52-57
3 房德馨等編著.金屬的殘余應力與振動處理技術.大連:大連理工大學出版社,1989
4 李洪升等.振動時效對焊接構件材料性能的影響.大連工學院學報,1987,26(3):41一50
關鍵詞：CAD/CAE一體化，有限元分析，一段板簧
1.1導入CAD生成的模型
通常情況下，對于非常復雜的不規則線、面或體，在ANSYS中建立其幾何模型將非常復雜。這時可以采用在熟悉的專用的CAD系統中建立幾何模型，然后通過ANSYS提供的接口導入到ANSYS中，這樣可以實現CAD/CAE一體化技術，提高效率。然而，從CAD系統中導入的模型很可能需要另外的大量的幾何模型的修補工作。
1.2導入在CAD系統創建的模型以實現CAD/CAE一體化
1.2.2 以IGES格式實現導入
在PRO/E完成的模型被另存為IGES的格式可以導入ANSYS7.0中，但這種方式經過大量的檢驗證明是很有局限性的，只有當模型簡單包括很少的特征才可能不產生基本特征的丟失。對于稍稍復雜的模型來說就會丟失一些特征特征，這就使我們不得不進行大量的模型修補工作。
1.2.3從PRO/E中啟動ANSYS實現CAD/CAE一體化
ANSYS還具有從PRO/E中導入*.prt或*.asm的功能，但是按照ANSYS幫助里的提示不能將模型導入。經過實踐研究，CAD的各種文件格式導入到ANSYS中都存在著一些問題。本文最后解決了從PRO/E中啟動ANSYS實現了CAD/CAE的一體化。并發現也能夠從ANSYS中將模型以*.prt或*.asm的格式導入。而且通過這種途徑導入的模型或啟動ANSYS絕對沒有任何模型元素的丟失。
下面介紹實現的過程；
（1）在同機的同一工作系統下安裝有Pro/E和ANSYS兩種軟件；
保證上述兩種軟件的版本兼容，Pro/E的版本不得高于同期的ANSYS的版本；
（2）開始?程序?CAD/CAM?ANSYS Release7.0?Utilities?ANS_ADSIN Utility?Configurationoptions?OK? Configuration Connection for Pro/E?選擇ANSYSProduct?選擇Graphics device name(NT: Win32)?會出現SUCCESS提示：
給出Pro/Engineer installation path?（在我們的機器上PRO/E的工作路徑是
C:PROGRAM FILESPROE2001）會出現如下提示：
至此，PRO/E和ANSYS接口程序已經設置成功。
——PRO/E的系統實用工具主要集中Utilities 菜單中，個別集中在View菜單中。利用 Utilities菜單中的選項View菜單的個別選項可以系統各項設置值，定制工作環境，例如定制用戶界面，加載和編輯配置文件等。科技論文，CAD/CAE一體化。。這里利用管理輔助應用程序 Auxiliary Applications將ANSYS Geom加到PART菜單下；用Register找到ANSYS安裝目錄下的protk.dat文件，選中這個文件，再運行start即可。
——完成第一步的設置，應該可以將文件*.prt或*.asm的格式導入ANSYS中，但是導入時程序卻沒有響應；完成以上兩步的設置，在PRO/E中創建完模型后點擊ANSYS GERM應該可以直接進入ANSYS中。有一超時功能中理論上的“無限時間”設置使用不恰當的日期值，這一日期值相當于2004年1月10日，所以到了2004年1月10日，代碼會自動判斷當前時間已經超過無限時間。科技論文，CAD/CAE一體化。。據PTC介紹，這種超時功能的主要軟件模塊是
“Name Service Demon”(nmsd.exe),所以要對nmsd.exe進行更新。要用一個網上下載的nmsd.rar的補丁來覆蓋以超時的這個模塊。更新了nmsd.exe后實現了點ANSYS GERM后啟動了ANSYS7.0會自動生成*.anf文件，以上所做的工作均可以在Windows2000下順利的運行。進入了ANSYS中在輸入窗口輸入命令：
/inut,文件名（不帶后綴），anf
后再執行plot volume即可。科技論文，CAD/CAE一體化。。科技論文，CAD/CAE一體化。。經過此設置文件以.prt的格式導入ANSYS中都不會有任何特征的丟失。
經過以上三步的設置就會發現PRO/E和ANSYS的無縫接口。
3.3 在PRO/E中建立模型并在ANSYS中分析
3.3.1在PRO/E中建模（一段單板簧）：
一、尺寸的選取
1）b,l由經驗選取2
2）h的確定,要求43
3）H=5h
二、彈阻力的計算
1）彈阻力計算公式
2）彎矩公式
若令Q=0可得kl==l
=0 可得kl-2=l
則N=4
a)的確定
l=,l= b)彈阻力計算
最大負荷時彈阻力為 =0
最小負荷時的彈阻力為
3.3.2將PRO/E中建立的模型導入ANSYS中沒有幾何數據的丟失：
3.3.3在ANSYS中對導入的模型進入前處理器
（1）定義單元類型，選取菜單Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete彈出Element Type對話框，單擊按鈕Add彈出Library of Element Types對話框，選擇相應的單元類型，單擊OK按鈕返回Element Types對話框，單擊Close按鈕。科技論文，CAD/CAE一體化。。
（2）定義材料屬性：選取菜單Main Menu>Preprocessor>Materical Props>Materical Models 彈出Define Materical Models Behavior對話框，在右邊的MatericalModels Available 框中連續雙擊選擇Structural>Linear>Elastic>Isotropic,彈出Linear Isotropic Properties for…..對話框在EX和PRXY選擇相應的值，單擊按鈕返回DefineMaterical Model Behavior 對話框，選擇該對話框菜單Define MaterialModel Behavior>Materical>Exit.定義完單元類型和材料屬性后，對于從PRO/E中導入的模型就可以進行網格劃分了
（3）進行網格劃分：單擊MeshTool對話框中Mesh按鈕彈出MeshAreas拾取對話框，單擊pick all按鈕執行網絡劃分操作。科技論文，CAD/CAE一體化。。
（4）退出前處理器MainMenu>Finish.
（5）并且對所做的劃分執行存儲，單擊ANSYS Tooler窗口中的SAVE_DB按鈕。
3.3.4執行求解，當求解結束后，彈出黃色提示信息對話框顯示Solution is done!表示求解成功完成。觀測等效應力動畫結果。
論文關鍵詞：光碟機,熱量,ANSYS,分析
隨著機電產品使用時間的增加，通電時間越長必然導致集成芯片發熱量增大，其散熱問題是一個必須要考慮的問題。如果熱量不能以合適的方式及時的散出去，必將影響機電產品的功能。光碟機就是一個比較典型的機電產品，其散熱問題的考慮是一個很經典的設計。ANSYS是目前應用比較廣泛的有限元分析軟件，具有強大的有限元分析功能和人性化的人機交互界面，使用該軟件，能夠有效地降低分析成本，縮短設計時間[1]。本文通過對這一問題的分析研究，對光碟機的熱分析問題進行了深入的分析，采取了合情合理的散熱方式，采用有限元分析軟件ANSYS9.0對散熱墊的散熱狀況進行散熱模擬，并對分析結果進行對比。
1 散熱理論
熱分析是基于能量守恒原理的熱平衡方程[2]：
1．1輻射
輻射是指機體以發射紅外線方式來散熱，物體發射能量并被其他物體吸收轉化為熱量能量交換[2]。當皮膚溫高于環境溫度時，機體的熱量以輻射方式散失。輻射散熱量與皮膚溫、環境溫度和機體有效輻射面積等因素有關。在一般情況下，輻射散熱量占總散熱量的40%。當然，如果環境溫度高于皮膚溫，機體就會吸收輻射熱。
1．2傳導
傳導就是機體通過傳遞分子動能的方式散發熱量，幾個完全接觸的物體之間或同一物體不同部分之間由于溫度梯度而引起的熱量交換[2]。當人體與比皮膚溫低的物體（如衣服、床、椅等）直接接觸時，熱量自身體傳給這些物體。臨床上，用冰帽、冰袋冷敷等方法給高熱病人降溫，就是利用這個原理，CPU上的平板式散熱片[3]也是利用了傳導的原理。
1．3對流
對流就是空氣的流動，這是以空氣分子為介質的一種散熱方式，物體表面與周圍環境之間，由于溫度差而引起的熱量交換[2]。與身體最接近的一層空氣被體溫加熱而上升，周圍較冷的空氣隨之流入。這樣，空氣不斷地對流體熱就不斷地向空氣中散發。對流散熱量的大小，取決于皮膚溫與環境溫度之差和風速。
1．4蒸發
液體汽化需要熱量，自人體表面每蒸發1ml水，可帶走2.32/kJ熱量。當氣溫高于皮溫時，其他幾種散熱方式都失去作用，蒸發便成為唯一的散熱途徑。
2 光碟機介紹
2.1 光碟機組成
光碟機組成按結構功能來劃分主要有三大部分，一是機芯，二是PCBA，三是承載機構和外殼等，如圖1所示:
圖1 碟機結構
Fig1. ODD structure
2.2光碟機熱量散發系統
散熱系統主要有：下蓋（BC），散熱墊（Heat sink），集成芯片（IC）和PCB四部分相接觸的物體組成，如圖2所示：
圖2 散熱系統
Fig2. Heat dissipating system
3 熱傳導散熱分析
ANSYS的熱分析是基于能量守恒原理的熱平衡方程，通過有限元法計算各節點的溫度分布，并由次導出其他熱物理量參數[2]。電子元器件功率的不斷提升導致了更多熱量的產生[3]，因而散熱顯的極為重要[4]。本例中采用穩態分析，參數設定：自然對流條件(10W/m2.K)，熱源設定6W(12V*0.5A)，光碟機內部環境溫度設定為42℃，光碟機器外部環境溫度設定為30℃。各零件的熱傳導系數如表1：
表 1
零件縮寫
熱傳導系數k(W/m.K)
BC
18.5
Heat sink
3.2
IC
50
PCB
0.36
4 分析結果
經過上述設置后，可得到散熱墊的溫度場分布圖，如圖3所示：從圖中可看出，使用該散熱墊后最高溫度可達165.92℃。
圖3 溫度場分布
Fig3.Temperature field distribute
5 結束語
ANSYS不僅能用于常規工程結構問題的靜態或動態有限元分析，還能在諸如流體力學，熱力學（溫度場）、電磁場等方面進行有限元的模擬與計算[5]。一個成熟的熱設計可以為為我們帶來一個可靠的產品,同時也為我們的使用創造舒適性[6]。本例中通過對散熱墊模擬現場情況的分析，得出散熱墊的溫度場分布，進而可比較不同散熱墊帶來的不同散熱效果,選擇合適的散熱墊來散熱，為碟機的散熱設計提供了有力的數據支撐。同時也值得其它需要散熱的產品設計者借鑒學習。
參考文獻：
[1]郝兆明．基于ANSYS組合模具過盈配合有限元分析[J]. 機械工程師,2008(5)
[2]王建江，胡仁喜，劉英林．結構與熱力學有限元分析[M]．機械工業出版社,2008(3)
[3]張遠波.CPU散熱片結構優化設計[J].華中科技大學學報.2008年第4期
[4] 盧中林．電子產品的散熱設計［J］．可靠性分析與研究(集成電路與元器件卷)，2004，（12）
[5]Saeed Moaveni．ANSYS理論與應用[M]．電子工業出版社,2003(6)
