Pro/E在结构分析中的运用

    随着计算机技术的进步,利用现代CAD/CAE工具对机械结构进行研究已经成为一种趋势。Pro/E能实现几何建模和结构分析的无缝集成,提高了新产品开发的效率和可靠性。文章简述了Pro/E在结构设计中的一般流程,以平面四杆机构为例,说明Pro/E在结构分析中的运用。利用Pro/E建立四杆机构的实体模型,然后进行了机构动力学仿真分析,并验证了仿真结果的正确性。在此基础上,采用负荷转移到结构的方式来定义载荷,对中间连杆进行了结构强度分析,结果表明,这样更加有效快捷。

0 引言

    随着计算机技术的发展,计算机辅助设计越来越广泛地应用于产品设计,这种辅助设计即包括传统的二维设计的数字化,还包括零部件的可装配性、运动学分析及用有限元技术分析零部件的结构强度、刚度和模态等。

    美国PTC公司推出的Pro/ENGINEER (Pro/E)可以完全实现几何建模和结构分析的无缝集成。用户在Pro/E环境下完成零件的几何建模后,无需退出设计环境就能进行结构分析,这是目前绝大多数软件所不能做到的。在此之前,机械设计工程师进行分析时,首先需要使用几何建模功能强的软件进行建模,然后利用IGES或者STEP格式将数据导入其它分析软件进行分析。在这种情况下,最大弊端是数据的丢失,分析人员常常需要花费大量的时间和精力进行几何模型的修复。因此,Pro/MECHANICA可以让结构工程师将精力集中在设计工作上,在设计初期就能因为结合了分析,从而缩短了整个设计周期并降低开发费用。

1 Pro/E结构设计的一般流程

    传统机械产品设计过程是先制定设计方案,通过理论分析,计算其运动学或者动力学特性,然后再进行优化、强度分析及结构设计等。这个过程单就运动学或者动力学特性分析而言,要经过大量的图解计算或分析计算,繁琐而复杂。运用Pro/E进行仿真分析,能大大缩短设计周期,其工作流程如图1所示。 

1.1 参数化建模

    参数化建模是一种使用重要几何参数快速构造和修改几何模型的造型方法,采用参数化模型,通过调整参数来修改和控制几何形状,为零件乃至整个产品的自动化驱动更新提供了基础。

1.2 机构装配

    装配过程就是确定装配体中各组成零件如何连接的过程,零件之间的连接关系即为装配关系。进行零件装配时最重要的步骤就是对零部件进行适当的约束,Pro/E在装配中提供了多种连接约束,有销钉、平面、球、轴承等。

1.3 机构分析

    机构分析模块是Pro/E的一个仿真模块,在机构分析中通过伺服电机驱动机构运动,还可以添加运动副、阻尼等来模拟现实中的外部环境,进而分析机构的运动特点。通过仿真分析能够得到机构元件的位置、速度及关键部件的受力情况,从而检查机构的运动能否达到设计要求,并为后面的结构分析提供负荷输出。

1.4 结构强度分析

    当机构分析获得系统静态和动态载荷后,就可以确定其典型工况下的受力情况并进行结构的强度分析。这里主要是应用Pro/MECHANICA STRUCTURE结构分析软件包对其进行结构分析和优化分析,由于理论已经软件化,即使非专业分析工程师也能进行复杂模型的结构分析,大大提高了设计效率,增加产品的安全性。

2 Pro/E结构分析实例

2.1 模型的建立

    (1)运用Pro/E软件建立四杆机构各部分的实体模型,曲柄尺寸(mm)为90×10×10,连杆尺寸为260×10×10,摇杆尺寸为150×10×10,机架尺寸为210×10×10。

    (2)曲柄、连杆、摇杆、机架被添加为steel材料。