CADCAE综合运用实例Word文档下载推荐.docx

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各种设计信息，不论是数字的、文字的或图形的，都能存放在计算机的内存或外存里，并能快速地检索；

设计人员通常用草图开始设计，将草图变为工作图的繁重工作可以交给计算机完成；

由计算机自动产生的设计结果，可以快速做出图形，使设计人员及时对设计做出判断和修改；

利用计算机可以进行与图形的编辑、放大、缩小、平移、复制和旋转等有关的图形数据加工工作。

CAD（ComputerAidedDesign，计算机辅助设计）诞生于二十世纪60年代，是美国麻省理工学院提出的交互式图形学的研究计划，由于当时硬件设施昂贵，只有美国通用汽车公司和美国波音航空公司使用自行开发的交互式绘图系统。

二十世纪70年代，小型计算机费用下降，美国工业界才开始广泛使用交互式绘图系统。

二十世纪80年代，由于PC机的应用，CAD（计算机辅助设计）得以迅速发展，出现了专门从事CAD系统开发的公司。

当时VersaCAD是专业的CAD制作02公司，所开发的CAD软件功能强大，但由于其价格昂贵，故得不到普遍应用。

而当时的Autodesk（美国电脑软件公司）公司是一个仅有员工数人的小公司，其开发的CAD系统虽然功能有限，但因其可免费拷贝，故在社会得以广泛应用。

同时，由于该系统的开放性，该CAD软件升级迅速。

设计者很早就开始使用计算机进行计算。

有人认为（伊凡.萨瑟兰郡）IvanSutherland在1963年在麻省理工学院开发的Sketchpad（画板）是一个转折点。

SKETCHPAD的突出特性是它允许设计者用图形方式和计算机交互：

设计可以用一枝光笔在阴极射线管屏幕上绘制到计算机里。

实际上，这就是图形化用户界面的原型，而这种界面是现代CAD不可或缺的特性。

CAD最早的应用是在汽车制造、航空航天以及电子工业的大公司中。

随着计算机变得更便宜，应用范围也逐渐变广。

CAD的实现技术从那个时候起经过了许多演变。

这个领域刚开始的时候主要被用于产生和手绘的图纸相仿的图纸。

计算机技术的发展使得计算机在设计活动中得到更有技巧的应用。

如今，CAD已经不仅仅用于绘图和显示，它开始进入设计者的专业知识中更“智能”的部分。

随着电脑科技的日益发展，性能的提升和更便宜的价格，许多公司已采用立体的绘图设计。

以往，碍于电脑性能的限制，绘图软件只能停留在平面设计，欠缺真实感，而立体绘图则冲破了这一限制，令设计蓝图更实体化，3D图纸绘制也能够表达出2D图纸无法绘制的曲面，能够更充分表达设计师的意图。

国产CAD发展历程

中国CAD技术起源于国外CAD平台技术基础上的二次开发，随着中国企业对CAD应用需求的提升，国内众多CAD技术开发商纷纷通过开发基于国外平台软件的二次开发产品让国内企业真正普及了CAD，并逐渐涌现出一批真正优秀的CAD开发商。

在二次开发的基础上，部分顶尖的国内CAD开发商也逐渐探索出适合中国发展和需求模式的CAD，更加符合国内企业使用的CAD产品，他们的目的是开发最好的CAD，甚至是为全球提供最优的CAD技术。

至2014年除了提供优秀的CAD平台软件技术以外，一直以来积极推进国产CAD技术的发展，联合众多国产CAD二次开发商组成的国产CAD联盟，更是极大促进了国产CAD的发展壮大，为中国企业提供真正适合中国国情及应用需求的CAD解决方案。

对于专业企业，因为绘制目标不同，还常存在有多种CAD系统并行的局面，那么就需要配置统一的、具备跨平台能力的零部件数据资源库，将标准件库和外购件库内的模型数据以中间格式（比如通用的有IGS、STEP等）导出到三维构型系统当中去，如主流的AutodeskInventor，SolidWorks,CATIA,中望3D,Pro/E,AutoCAD,UGNX,,SolidEdge,Onespace等。

国外，这种网络服务被称为“零部件图书馆”或“数据资源仓库”。

航天航空领域使用较多的为Pro/E，飞机和汽车等复杂产品制造领域则使用Catia居多，而在中小企业使用Solidworks较多。

在欧美和日本的PLM用户中，基于互联网的PLM零部件数据资源平台LinkAblePARTcommunity（简称PCOM）的知名度一点都不亚于今天我们所熟知的BLOG和SNS这样的网络平台。

CAE

指工程设计中的计算机辅助工程CAE（ComputerAidedEngineering），指用计算机辅助求解分析复杂工程和产品的结构力学性能，以及优化结构性能等。

而CAE软件可作静态结构分析，动态分析；

研究线性、非线性问题；

分析结构（固体）、流体、电磁等。

知名软件

Ansys，很经典的CAE软件，国内应用最广，客户成熟度最高，尤其是在高校科研领域。

2006年收购了Fluent，2008年收购了AN-SOFT。

Fluent是应用最广的流体分析软件，AN-SOFT是应用最广的电磁分析软件。

在收购整合的过程中，Ansys的多物理场耦合成为一大特色。

　　ABAQUS，被广泛地认为是功能最强的有限元软件，可以分析复杂的固体力学结构力学系统

ADINA，强大的非线性功能、能做直接流固耦合。

LS-DYNA，强大的动态问题求解器，专门汽车分析模块，

Nastran，线性问题求解器

Pamcrash，专门的碰撞研究软件

Moldflow，模流分析软件

AutoForm，钣金冲压，特别是拉深分析软件

Madymo，汽车安全系统，如气囊，安全带整车碰撞性能分析软件

相对欧美国家，由于技术及仿真软件的价格限制，国内CAE技术要落后一些，虽然这个技术得到了普遍的认可，但是普及程度不高。

主要是因为CAE技术使用门槛较高，需要专业的CAE研发人员。

此外安世亚太与CADFEM在中国合资的安世中德可以提供CAE项目的咨询服务。

二、机构说明

题目要求中的机构为一个连杆机构。

连杆机构优缺点如下：

优点：

①连杆机构为低副机构，运动副为面接触，压强小，承载能力大，耐冲击；

②运动副元素的几何形状多为平面或圆柱面，便于加工制造；

③在原动件运动规律不变情况下，通过改变各构件的相对长度可以使从动件得到不同的运动规律；

④可以连杆曲线可以满足不同运动轨迹的设计要求.

缺点：

①由于运动积累误差较大，因而影响传动精度；

②由于惯性力不好平衡而不适于高速传动；

③设计方法比较复杂。

本机构是一个曲柄带动四连杆机构，从而实现运输构件实现往复运动，进而推动物料前进的机构。

轴承C为固定不动的约束，连接两个轴承的摇杆互相平行，并且保证尺寸完全相等。

轴D通过摇动多孔构件，实现连杆机构的往复运动。

运输构件与连杆相连接，实现往复运动。

运输构件为双层推送板，在长方体物料两侧推送，导轨A夹在运输构件中间，以便物料沿着导轨前进。

运输构件的连续往复运动，实现了本物料输送机构连续供送物料的功能。

三、建模过程

首先，根据物料的尺寸设计各个构件的尺寸，前期设计的合理的尺寸，可以保证构件实现既定的功能。

主要零件绘制过程如下：

（1）轴承

选定坐标系，基准平面，草绘，拉伸命令，阵列。

得到如图所示零件

图3-1轴承的建模

（2）连接摇杆

步骤同为，选定基准坐标系，基准平面，草图，拉伸。

图3-2摇杆建模

（3）另一连接摇杆

由于本供送机构运动时左右两边为平行运转，所以此构件左侧三个孔之间的距离应该与上一个构件相同，这样才能保证机构正常运转，否则可能出现卡死的情况。

图3-3摇杆建模

（4）运输构件

构件的具体建模过程和上述几个构件类似，只是运输构件是由三个拉伸组合在一起的，所以运用布尔运算求和。

此外，由于推送物件需要稳定性，所以此运输构件分居导轨两侧，以保证物料的平稳推送。

图3-4运输构件建模

零件的装配：

（1）调入零件轴承，设为绝对原点（由二维图可知，轴承为固定约束）；

（2）调入轴D，通过距离移动，将D放置于距离坐标原来（0，700，-700）的位置，通过

固定约束将轴D固定；

（3）通过接触对其等命令将其他构件，装配在一起。

两个摇杆之间加平行约束，确保装配

后的零件相协调；

（4）调入导轨，通过距离移动，移动到运输构件两板之间合适的位置，通过固定约束将其

固定。

（5）添加物料，装配完成。

截图如下：

图3-5装配图

图3-6带物料装配图

四、有限元分析

题目给出的物料的尺寸为120mm×

200mm×

300mm，假设物料密度为ρ=5.0×

103kg/m3，

由m=ρV，物料的质量为

m=ρV=5.0×

103kg/m3×

100×

200×

300mm3/109=30kg

由G=mg，得物料所受的重力为

G=mg=30kg×

9.8N/kg=294N

考虑物料与导轨之间的摩擦，不润滑时假定摩擦系数μ=0.15，计算摩擦力。

由f=μN=μG，得物料的摩擦力

f=μG=0.15×

294N=44.1N

每块物料与推送板接触的面积为

S=60×

120mm2=7.2×

10-3m2

物料对推送板接触部分形成的均布压力计算为

P=F推/S=f/S=44.1N/7.2×

10-3m2=6125Pa=6.125×

10-3MPa

考虑到初始接触物件时由于动量定理，均布压力为平时的两倍。

所以最大均布压力为P=1.225×

10-2MPa。

对运输构件单板进行有限元分析，

运输构件如下图所示，该构件的运动过程中，推送物料的某一瞬时，接触均布压力为1.225×

10-2MPa，构件材料的弹性模量为210000MPa，泊松比为0.3。

通过有限元软件ANSYS计算该构件的刚度和强度。

1.有限元模型的建立

CAE软件虽然也包含一些简单的建模功能，但是相对于CAD软件还是相对薄弱。

所以CAD可以导出为CAE无需建模，直接用来分析的格式，不同的CAD软件导出时采用的格式也不一样，格式选用不当可能造成无法分析，或者分析结果偏离正确结果很远。

本题对于UG，采用parasolid中的*.x_t格式，这个是最适合的。

（1）导入几何模型。

（File—>

Import—>

Para…..）

（首先需要在UG中将机架模型进行简化，去掉对分析影响很小的特征，以简化模型，

并将模型保存为parasolid的格式，文件名为*.x_t。

）

图4-1导入零件

选中需要导入的*.x_t文件，点击ok。

（2）设置单元类型

ANSYSMainMenu—>

Preprocessor—>

ElementType—>

Add/Edit/Delete

选取10node187单元

图4-2设置单元

（3）设置材料属性

MaterialProps—>

MaterialModels

各向同性线弹性材料：

弹性模量E=2.1e5，泊松比v=0.3

图4-3设置材料属性

（4）网格划分

ANSYSMainMenu>

Preprocessor>

Meshtool选择Smartsize,设置网格疏密程度6级，点击mesh。

图4-4划分网格

选中要划分的体（亦可点击PickAll），点击ok。

2.施加载荷

（1）施加接触压力pressure

Solution>

DefineLoads>

Structural>

Pressure>

onAreas

选定运输构件与物料接触的部分施加压力；

选定5个接触面，施加计算好的载荷。

图4-5施加接触载荷

（2）构件与连杆连接端施加固定位移约束

Displacement->

选取构件连接端的两个面，点击ok。

图4-6施加固定载荷

3.求解：

Solve>

CurrentLS

图4-7求解

4.读取结果

（1）变形以后的形状

图4-8输送构件变形量

（2）x、y、z方向位移云图如下所示

图4-9x方向位移

图4-10y方向位移

.

图4-11z方向位移

由变形结果和x、y、z三个方向的位移结果可以看出，y方向变形最大，z方向次之，x方向变形量最小，运输构件发生了变形和扭曲，模拟的结果符合工作的实际情况，具有参考价值。

由于变形量均较小，均在10-4以下，故所设计的运输构件的尺寸符合强度要求。

（3）米塞斯等效应力云图

图4-12米塞斯等效应力

由图可以大致看出应力集中于与物料接触部分的圆角位置，还有与连杆接触的孔的位置。

将应力集中部分的应力放大截图如下。

图4-13应力集中区域

图4-14应力集中区域

由以上两图可以看出与物料接触部分的应力值更大，高于连杆接触部分，因为该处虽然所受的接触力小一些，但构件的尺寸也很小，因此产生的应力值很大，此处最易发生疲劳破坏。

因此在设计运输构件的时候建议加大一些尺寸，把圆角半径设置得大一些。

五、运动学分析

（1）导入模型，将UG中装配好的模型转换成x_t格式，导入ADAMS中。

如下图所示

图5-1导入模型

（2）添加约束

在各个关节结合处添加转动副。

单击工具栏中的旋转副按钮，并将创建旋转副的选项设置为2Bod-1Loc和PickGeometryFeature，然后在图形区单击轴承和大地，之后需要选择一个作用点，按下鼠标左键后就可以创建旋转副，注意调整方向。

然后用同样的方法创建其他关节之间的旋转副。

图5-2添加旋转副

在导轨和大地之间添加固定副，以固定导轨6个自由度。

图5-3添加固定副

（3）添加驱动。

在运动副joint1上添加旋转驱动。

单击主工具栏的旋转驱动按钮，然后在选择上面创建的旋转副1，然后在图形区单击鼠标右键，在快捷菜单中中选择Modify，在编辑对话框中将驱动函数设置为30d*sin（time），如图5-4所示。

图5-4添加旋转驱动

（4）运行仿真计算。

单击主工具栏的仿真计算按钮，将仿真类型设置为Kinematic，仿真时间EndTime设置为20，仿真步数Steps设置为500，然后单击运行按钮进行仿真计算。

（5）绘制运动轨迹。

单击菜单【Review】→【CreateTraceSpline】，然后选择part3左端点Marker52，再选择轴D与大地的铰接点，鼠标移动轴D处，单击鼠标右键，在弹出对话框中选择ground，单击OK创建运动轨迹，如图5-5所示。

图5-5关键点的运动轨迹

所得轨迹与题目给出的轨迹曲线基本吻合，说明运动是合理的。

可行的。

（6）结果后处理。

按下键盘上的F8键，界面将从View模块直接进入到PostProcess模块。

在后处理模块，通过菜单【View】→【LoadAnimation】可以载入动画。

在仿真动画中可以播放两种动画，一种是在时间域内进行的运动学和动力学仿真计算动画；

另一种是在频率域内的，播放通过现行化或者在震动模块中的计算模型的振型动画。

单击播放按钮后开始播放动画，如果在播放同时按下记录按钮，在播放动画的同时也将动画保存到动画文件中，动画文件位于ADAMS的工作目录下。

通过菜单【View】→【LoadPlot】，通过选择相应的选项，绘制出相应的结果曲线。

如果如图5-6~5-10所示，分别绘制出maker52节点的位移曲线、速度曲线和加速度曲线。

图5-6Z方向位移曲线

图5-7Y方向位移曲线

图5-8Z方向速度曲线

图5-9Y方向速度曲线

图5-10Z方向加速度曲线

通过观察以上曲线，结合动画仿真分析，物料输送机构运行平稳。

六、小结及心得

运用UG对本题所示的机构进行三维建模，不仅提高了自己对连杆机构运转和所实现功能的认识，同时也锻炼了自己应用UG建模的能力。

UG是一款应用非常广泛的软件，以后要努力学习，不仅仅要熟练地用它画图，还要灵活掌握软件的其他功能。

零件的工作情况的静力学分析采用的是ANSYS软件，本题中应用的是ANSYS的经典模块。

目前ANSYS公司正主推workbench，workbench综合了一大批分析功能，这是有限元软件发展的趋势之一，以后要加强对于这方面内容的学习。

上学期学习机械系统动力学时初次接触ADAMS软件，这次通过练习，增强了自己对软件运用能力。

为以后的学习打下了进一步的基础。