数字化设计与制造范例4.docx
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数字化设计与制造范例4
数字化设计课程设计
学院：
机械电子工程学院
指导教师：
鲁聪
学生：
汪洋201222080108
朱新朝201222080604
于海涛201222080614
前言
近些年来，随着人们生活水平的提高，人们对鞋子的要求也越来越高了。
为了满足人们既对外观款式的要求，又对舒适度的要求，对鞋子的快速研发渐渐受到企业的重视。
现代制造业也正是在这种背景下如雨后春笋般得到了蓬勃发展。
它要求现代信息技术与传统制造业相结合，采用CAD/CAE/CAM/CAPP技术，充分发挥它们各自的优点，从而满足现代制造业的需求。
鞋子的快速研发与制造也是在此前提下得以实现的。
第一章鞋子传统加工工艺
1.1材料介绍
1、乙烯醋酸乙烯共聚物和聚氯乙烯
乙烯／醋酸乙烯酯共聚物（又称乙烯／乙酸乙烯酯共聚物），是由乙烯（E）和乙酸乙烯酯（VA）共聚而制成，英文名称为：
EthyleneVinylAcetate，简称为EVA，或E/VAC。
2、特性
乙烯／醋酸乙烯酯共聚物的特点是具有良好的柔软性，橡胶一样的弹性，在-50℃仍能具有较好的可绕性，透明性和表面光泽性好，化学稳定性良好，抗老化和耐臭氧强度好，无毒性。
与填料的掺混性好，着色和成形加工性好。
它在常温下为固体，加热融熔到一定程度变为能流动，并具有一定黏度的液体。
3、用途
一般情况下，乙酸乙烯酯含量在5%以下的EVA，其主要产品是薄膜、电线电缆、LDPE改性剂、胶黏剂等；乙酸乙烯酯含量在5%~10%的EVA产品为弹性薄膜等；乙酸乙烯酯含量在20%~28%的EVA，主要用于热熔黏合剂和涂层制品；乙酸乙烯酯含量在5%~45%，主要产品为薄膜（包含农用薄膜）和片材，注塑、模塑制品，发泡制品，热熔黏合剂等。
乙酸乙烯共聚物，高分子材料。
常用于慢跑、慢步、休闲鞋、足训鞋中底。
优点：
轻便、弹性好、柔韧度好、不易皱，有着极好的着色性、适于各种气候。
缺点：
易吸水，不易腐蚀不利环保、易脏。
4、EVA属性
表1材料属性
比热
密度
传热系数
Eve发泡橡胶
40
0.69
1.2男士凉鞋有限元分析
鞋有很多不同的材料组成，在本文中主要进行鞋的热分析，而除鞋底外，其他部分在分析中对结果影响很小，因而本文分析以鞋底为主，不考虑其他部分。
鞋底材料有很多种，现下在凉鞋，休闲鞋类的多用EVA，这种具有材料抗腐蚀性，高弹性，轻柔和良好的着色性能。
本文对鞋底进行热分析，主要是验证运用这种材料的鞋，在高温的地面上行走时，是否会因为传热的原因，使得人的脚面应长期接触而感到不适。
本文有限元分析采用ANSYS10.0软件，在ug中进行鞋底的三维建模，然后导入ANSYS中进行鞋底的热分析。
在本文中，主要是研究鞋底的热传导问题，在分析过程中简化鞋底的模型，材料选择EVA发泡橡胶，并假设：
（1）鞋底材料是均匀等向的。
（2）在一定程度上，数值可能会有较大的误差，具体的数据结果可能无法到达或不够精确，但可以通过定性来研究。
1.2.1受热分析
1.有限元模型建立
在整个有限元分析过程中最重要的环节是有限元前处理模型的建立，这过程一般包括几何模型的建立，网格划分，载荷与约束的添加和材料的定义等。
他对后期分析求解有着直接的影响，影响仿真的精度和效率。
建模的基本原则是保证建模的准确性。
为保证计算精度，模型必须能够如实反映鞋底的几何特征和力学性能。
为提高模拟计算的效率，在建模时还必须考虑单元类型，数量和质量等因素。
由于三维建模是在ug中完成的，然后保存为igs文件让后导入ANSYS的，各种数据和模型在前面建模中已有详细描述，这里就不多赘言。
模型如下图1-1所示：
图1-1UG建模
建模的原则：
（1）在保证计算目的和精度条件下，适当的简化模型；
（2）合理的选择单元类型，减少输入数据量和计算时间；
（3）合理的控制单元大小，相应分配模型单元数。
模型导入Ansys中如下图1-2所示：
图1-2导入后模型
确立分析类型为热分析：
GUI：
mainmenu>preferencse
在弹出对话框中选取Thermal项，确定分析类型为热分析。
图1-3定义分析类型
2.单元类型的选择，单元属性的定义
体单元的选择应该从精度、效率以及对几何模型面进行离散化时的方便性和准确性加以考虑。
ANSYS软件中提供了多种体单元类型，鞋底模型有限元分析采用三角形和四边形体单元。
从几何模拟角度看，采用三角型单元进行空间型面离散话较为灵活、方便、准确，其易于逼近复杂的过度面，在许多CAD/CAM软件中常常采用三角型模单元，用作基本的离散化单元，但在有限元分析中，三角形单元的计算精度和准确度较差。
对单元进行定义，包括单元类型，实常数、材料特性等。
一旦建立了单元属性后就可以指定模型不同的部分的属性。
在ElementTypes中个可以定义单元类型。
GUI：
mainmenu>preprocessor>elementtype>add/edit/delete
在elementsTypes中选中ThermalSolid/Brick8node70
图1-4定义单元属性
GUI：
mainmenu>preprocessor>materialprops>materialmodels
在materialmodelsavailable中选中Thermal/Conductivity/isotropic
在temperaturekxx中填入材料的传热系数0.69.
图1-5定义材料属性
3.网格划分
网格划分，由于鞋底模型结果简单，并且在热分析中鞋底面约束面积较大，可以直接采取自动分网。
GUI：
mainmenu>preprocessor>meshing>meshtool
在meshtool中直接点击mesh键选取整个模型进行自动分网。
图1-6网格划分
4.施加载荷
有限元分析的主要目的是检查结构或构件对一定载荷条件的响应。
因此，在分析中指定合适的载荷条件是关键的一步。
在ANSYS程序中，可以用各种方式对模型加载，而且借助于载荷步选项，可以控制在求解中载荷如何使用。
热分析用于计算一个系统或部件的温度分布及其它热物理参数如热量的获取或损失、热梯度、热流密度热通量〕等。
热分析在许多工程应用中扮演重要角色如内燃机、涡轮机、换热器、管路系统、电子元件等
本文进行稳态传热：
系统温度场不随时间变化。
ANSYS热分析基于能量守恒原理的热平衡方程用有限元法计算各节点的温度并导出其它热物理参数。
本文分析模型主要运用热传导进行热的传递。
热传导：
热传导可以定义为完全接触的两个物体之间或一个物体的不同部分之间由于温度梯度而引起的内能的交换。
热传导遵循付里叶定律：
，式中q”为热流密度（W/m2），
k为导热系数W/m-℃，“-”表示热量流向温度降低的方向。
本文中，鞋底与地面接触，晴朗夏日一般水泥路面温度大概在60度左右，本文中取60度。
环境温度选取30度。
GUI:
mainmenu>solution>defineloads>apply>thermal〉temperature>onareas
选择温度TEMP，输入温度60
图1-7温度施加
GUI：
mainmenu>solution>defineloads>apply>convection>onareas
选择行定义外表面和设置对流系数为0.56和流体的温度调到30。
求解：
GUI：
mainmenu>solution>solve>currentls
图1-8对流载荷
5.结果分析
显示温度分布云图
GUI：
mainmenu>generalpostproc>plotresults>contourplot>nodalsolu
选择DOFsolution/Nodaltemperatuue
图1-9温度分布云图
显示热流量分布图
GUI：
mainmenu>generalpostproc>plotresults>vectorpolt>predfinde
选择flux&gradient>thermalflux
图1-10热流量分布图
从图1-9、1-10可以得出，在环境温度为30度、地表温度为60度时，人穿这这种鞋的鞋底在路面上行走是不会对些本身和人的脚造成损害的。
1.3女式凉鞋有限元分析
1.3.1受力分析
下面介绍女士凉鞋的分析过程，其过程与男士凉鞋基本相同。
由于一般凉鞋所用材料为pvc（聚氯乙烯）,其为塑性材料，所以只能进行非线性分析。
1、结构非线性分析概述
当载荷引起结构刚度的显著改变时，则结构是非线性的。
在日常生活中，经常会遇到结构非线性。
例如，如果你在一个木架上放置重物，随着时间的推移木架将越来越下垂。
当在汽车或卡车上装载货物时，它的轮胎和下面路面间接触面将随货物重量而变化。
如果将上述例子的载荷变形曲线画出来，用户将发现它们都显示了非线性结构的基本特征—结构刚度改变。
引起结构非线性的原因很多，它可以被分成三种主要类型：
状态改变、几何非线性、材料非线性。
（1）状态变化（包括接触）
许多普通结构表现出一种与状态相关的非线性行为。
例如，一根只能拉伸的电缆可能是松的，也可能是绷紧的。
轴承套可能是接触的，也可能是不接触的。
冻土可能是冻结的，也可能是融化的。
这些系统的刚度由于系统状态的改变而变化。
状态改变也许和载荷直接有关（如在电缆情况中），也可能由某种外部原因引起（如在冻土中的紊乱热力学条件）。
接触是一种很普遍的非线性行为。
接触是状态变化非线性中一个特殊而重要的子集。
（2）几何非线性
如果结构经受大变形，它几何形状的变化可能会引起结构的非线性响应。
一个例子是图10所示的钓鱼杆。
随着垂向载荷的增加，杆不断弯曲以致于力臂明显地减少，导致杆端显示出在较高载荷下不断增长的刚性。
几何非线性的特点是大位移、大转动。
图1-11钓鱼竿非线性示例
（3）材料非线性
非线性的应力─应变关系是结构非线性行为的常见原因。
许多因素可以影响材料的应力─应变性质，包括加载历史（如在弹─塑性响应情况下）、环境状况（如温度）、加载的时间总量（如在蠕变响应情况下）。
由于所建模型在Ansys经典界面中无法生成体，也就是说由于ug所建模型与Ansys无法实现很好的衔接，所以采用Workbench进行有限元静态受力和稳态受热分析。
在Mechanical模块下，其求解步骤包括：
1、建立有限元模型，设置材料属性。
2、对于组建需要定义接触区域。
3、定义网格控制并划分网格。
4、施加载荷和边界条件。
5、对问题进行求解。
6、进行结果评价和分析。
具体步骤如下：
1、启动AnsysWorkbench进入主界面。
设置模型单位。
2、选取静力分析模块。
把实体模型导入Workbench中，导入后模型如下图1-12所示
图1-12
2、添加模型材料属性
（1）设置材料参数
双击A项目中的A2栏EngineeringData项，进入材料参数设置界面，在该界面下即可进行材料参数设置。
由于材料库中没有PVC，所以首先新建材料PVC。
需要设置的参数有材料密度Density，各向同性弹性IsotropicElasticity和弹性模、泊松比以及应力应变的关系表。
设置后的结果如下图1-13：
图1-13
（2）为模型添加材料
1）双击项目管理区项目A中的A4栏Model项，进入Mechanical界面，在该界面下可以进行网格的划分、分析设置、结果观察等操作。
2）选着Mechanical界面左侧分析树中的solid，在参数列表中修改模型的材料为聚氯乙烯。
3、划分网格
1）选中分析树中的Mesh，单击Mesh工具栏中的网格控制选项的Sizing命令和Method命令，进行网格尺寸和单元类型的选择。
2）求解载荷步数的设置。
这是非线性分析不同于线性分析的地方。
4、施加载荷和约束
（1）选中分析树中的StaticStructural（B5）项，单击约束中的固定约束命令，为模型添加固定约束，如下图1-14：
图1-14
（2）在鞋底上面上施加载荷，假设前端和后端面压力都为
，中间部分压力为100pa。
施加压力后的受力图为图1-15和图1-16：
图1-15
图1-16
5、结果后处理（设置求解项）
分别单击选取等效弹性应变、总变形、等效应力作为输出结果。
6、求解并显示结果
（1）等效弹性应变如图1-17：
图1-17
（2）总变形如图1-18：
图1-18
（3）等效应力如下图1-19：
图1-19
由图可知最大等效弹性应变为
，发生在鞋跟最后面的下部。
最大总变形发生在鞋跟最后面的上部，大小为0.0034454mm。
最大等效应力发生在鞋跟最后面的下部，大小为0.13431mpa。
因此，可以得出结论，女式凉鞋鞋跟处是需要做结构优化的，可以把鞋跟的上下部柱体做得相差不大，不过，由于此变形很小，所以对鞋跟的强度影响不大，并且考虑到当人踩到鞋子后鞋子要有一定的变形才能使人感觉着不至于太硌脚，所以不进行优化也行。
1.3.2热分析
热分析包括热传导、热对流、热辐射三种传热方式。
1、热传导
热传导可以定义为完全接触的两个物体之间或一个物体的不同部分之间由于温度梯度而引起的内能交换。
2、热对流
热对流是指固体的表面与它周围接触的流体之间，由于温差的存在引起的热量交换。
热对流可以分为两类：
自然对流和强制对流。
3、热辐射
热辐射是指物体发射电磁能，并被其他物体吸收转变为热的热量交换过程。
物体温度越高，单位时间辐射的热量就越多。
热传导和热对流都需要有传热介质，而热辐射无须任何介质。
热分析大致可以分为一下步骤：
1、建立有限元模型，设置材料特性。
2、施加热载荷和边界条件。
3、定义接触区域。
4、定义网格控制并划分网格。
5、对问题进行求解。
6、进行结果评价和分析。
针对本问题的具体步骤如下：
1、运行AnsysWorkbench并建立热分析项目。
2、导入几何体，并生成所分析几何体。
检查几何体是否有导入数据丢失，若有则需对几何体进行修改，否者返回主页面。
3、双击项目A中的A2栏EngingeeringData项，进入材料参数设置面，在该界面下即可进行材料参数的设置。
这里也是需要建立PVC的材料特性参数，有热导率。
设置后的界面如图1-20：
图1-20
4、添加模型材料属性
双击项目管理区中项目B的B4栏中的Model项，进入Mechanical界面，在该界面下即可进行网格的划分、分析设置、结果观察等操作。
在该界面下首先设置分析单位。
而后为模型添加材料PVC。
5、划分网格
选中分析树中的Mesh项，进行网格尺寸控制和单元类型的设置，之后进行网格划分。
划分后的网格模型如下图1-21：
图1-21
6、施加载荷和边界条件
为模型施加温度载荷Temperature和热交换条件Convection。
7、求解并显示求解结果
温度分布云图如下图1-22：
图1-22
总热通量分布云图如下图-23：
图1-23
由上图可以看出鞋底上表面温度最高为35度左右，不太适宜穿着，因此再加厚此鞋的鞋底，经再次分析得出结果基本符合要求。
第二章鞋底原形件表面逆向工程研究
为了完成对优选出的鞋底原形件进行仿生改形工作，需要首先对其进行逆向工程处理，本章主要介绍了逆向工程的总体研究情况以及鞋底复杂曲面的逆向重构建模过程。
2.1引言
传统的工业产品开发都遵循严谨的研发程序,从功能的确认与规格的制定开始，来构思产品的零部件需求，再由各个组件的设计、制造以及检验零部件组装、整机检验、性能测试等程序来完成。
这种开发的模式即为顺向工程（ForwardEngineering）。
对某一产品的开发来说，其顺向工程的流程，如图2-1所示。
图2-1顺向工程开发流程图
然而，当在没有设计图纸或者设计图纸不完整以及没有CAD模型的情况下，需要按照现有零件的模型（称为零件原形），利用各种数字化技术及CAD技术重新构造原形CAD模型，这时就需要进行逆向工程（ReverseEngineering）建模过程。
逆向工程技术广泛应用于飞机、汽车、模具等制造领域。
特别是一些复杂型面零件的设计和加工，例如，轮船和潜水艇的推进螺旋桨、汽车的外壳和柴油机的进排气道等。
对于一些只有产品原形或实物模型，而没有产品图纸资料的情况下进行设计和制造，有着特别重要的价值。
2.2逆向工程技术
2.2.1概述
从实物模型建立三维计算机模型称为逆向工程[]，指基于一个可以获得的实物模型来构造出它的设计概念，进而通过调整相关参数来达到对实物模型的逼近和修改。
主要包括四个步骤[]：
1、对象数字化（ObjectDigitalization）。
利用相关测量设备，根据产品模型测量得到空间拓扑离散点数据，并将测量结果以文件方式存储。
2、对象的模型重构（ObjectModeling）。
根据空间拓扑离散点数据反求出产品的三维CAD模型，并在产品对象分析和插值检测后，对模型进行逼近调整和优化。
3、对象分析（ObjectAnalysis）。
将模型和设计表征用于产品的面分析、有限元分析和工艺分析，并将分析结果以文件等方式存储，以备其它模块检索调用。
4、对象加工（ObjectManufacturing）。
指根据分析结果生成加工代码，并在具体的加工设备上将对象加工出来。
对某一产品来说，其逆向工程开发包括逆向建模阶段和产品功能创新设计阶段，流程如图2-2所示。
图2-2逆向工程开发流程图
2.2.2逆向工程系统
逆向工程首先必须使用精密的测量系统将样品轮廓三维尺寸快速测量出来，然后再以取得的各点数据进行曲面处理及加工成型。
建立一套完整的逆向工程系统，需要有下列基本配备：
1、测量探头。
有接触式（触发探头、扫描探头）和非接触式（激光位移探头、激光干涉仪探头[][]、线结构光及CCD扫描探头、面结构光及CCD扫描探头）两种。
2、测量机。
有三坐标测量机、多轴专用机、多轴关节式机械臂及激光追踪站等[]。
3、点群数据处理软件。
由坐标测量机得到的外形点数据，在进行CAD模型重建之前必须进行格式转换、噪声滤除、细线化、曲线建构、曲面建构、曲面修改、内插值补点等数据处理。
4、模型重建软件（CAD/CAM）。
模型重建软件包括三类，一是用于正向设计的CAD/CAE/CAM软件，如Solidworks、Grade等，但数据处理和逆向造型功能有限；二是集成有逆向功能模块的正向CAD/CAE/CAM软件，如集成有Scan-Tools模块的Pro/Engineer、集成有点云处理和曲线、曲面拟合、快速造型功能的UGNX3.0等；三是专用的逆向工程软件，如Imageware、RaindropMagic等。
除此以外，有较高要求的还包括产品数据管理（PDM）等软件[]，以及支撑软件的硬件平台。
2.2.3逆向工程研究现状
逆向工程技术，是20世纪80年代末期由美国3M公司等提出并研制开发成功的。
进入90年代以来，随着全球市场竞争加剧，逆向工程技术被放到大幅度缩短新产品开发周期和增强企业竞争能力的重要地位上来。
逆向工程的专题研究始于1992年，在第一届IERC（IndustrialEngineeringResearchConference）会议上，美国匹兹堡大学的BopayaBidanda博士做了有关逆向工程与工业工程关系的专题报告，分析了逆向工程的研究现状和发展趋势，同时，世界各地研究机构的专家学者亦发表了论文。
此后美国制造工程师学会每年召开一次快速原型制造会议，在每次会议上都对逆向工程技术进行了分组专题讨论。
据统计，逆向工程作为掌握技术的一种手段，可使产品研制周期缩短40%以上，极大提高生产率[]。
世界各国在经济技术发展中都不同程度地应用了逆向工程技术，尤其是日本[]，在引进技术的消化、吸收与创新方面具有典型性。
根据日本政府的推算，成功的技术引进和逆向工程研究使日本节省了大约2/3的研究时间和9/10的研究经费[]。
目前，世界各国对逆向工程技术都给予高度重视。
在国外，如美国、日本、英国等发达国家对逆向工程技术方面的研究一直走在世界的前列，每年都有大量的研究成果问世。
我国也在逐步重视逆向工程技术的应用，如在实施安徽省“九五”科技攻关项目“提高汽车综合性能的关键技术研究”中，运用逆向工程原理，对安徽某大型汽车制造厂的1.5吨货车的汽车覆盖件探讨了从数据采集到产品CAD造型的整个过程，取得了良好的效果。
国防科技大学模具CAD/CAM中心成功地将逆向工程技术应用于生产实践中[]，为一摩托车集团制造摩托车冲压模具的过程中，充分应用了逆向工程技术，在很短时间内，根据油箱实物模型，高质量地制造出了油箱模具，大大降低了开发成本，得到厂家的高度评价。
逆向工程的研究和开发工作也在其他很多单位内展开，如吉林大学、上海交通大学、浙江大学、华中理工大学、西安交通大学、西北工业大学、广东省机械研究所等。
但是，目前国内对逆向工程的研究还仅局限于CAD模型的三维重构，尚处于逆向工程研究的初始阶段。
充分发挥逆向工程的优势，通过模型重构实现消化和吸收、修改和再设计，实现创新的目的，这是逆向工程的高级阶段。
2.2.4逆向工程技术的应用
目前，逆向工程技术在以下领域有着广泛的应用。
1、在没有设计图纸或者设计图纸不完整以及没有CAD模型的情况下，在对零件原形进行测量的基础上形成零件的设计图纸或CAD模型，并以此为依据生成数控加工的NC代码，加工复制出一个相同的零件。
2、当要设计需要通过实验测试才能定型的工件模型时，通常采用逆向工程的方法。
比如航天航空领域，为了满足产品对空气动力学等要求，首先要求在初始设计模型的基础上经过各种性能测试（如风洞实验等），建立符合要求的产品模型，这类零件一般具有复杂的自由曲面外型，最终的实验模型将成为设计这类零件及其模具的依据。
3、在美学设计领域，例如汽车外型设计广泛采用真实比例的木制或泥塑模型来评估设计的美学效果，而不采用在计算机屏幕上缩小比例的物体投视图的方法，此时需用逆向工程的设计方法。
4、在人体生物医学领域，逆向工程也得到了很大的发展。
例如和人体外形紧密相关的物品，比如人体中的骨头和关节等的复制、假肢制造，以及特种服装、头盔的制造要以使用者的身体为原始设计依据，此时，需要首先建立人体的三维几何模型。
5、艺术品、考古文物的复制。
6、借助于层析X射线摄像法（CT技术），逆向工程不仅可以产生生物体的外部形态，而且可以快速发现、度量和定位物体的内部缺陷，从而成为工业产品无损探伤的重要手段。
2.2.5相关软件的介绍
关于复杂曲面产品逆向工程研究的软件，目前已经有很多。
现介绍最常用的逆向工程软件之一ImagewareV11.0。
Imageware软件，是一种逆向工程的专用软件。
它是将已有的物理样件通过CMM或激光扫描取得点数据，再将点数据传入到Imageware中，通过对点的处理形成曲线，对曲线再处理形成曲面的过程。
当然，这些工作的前提是在保证所要求精度条件下进行的。
在点的处理、曲线处理、曲面处理的整个过程中，Imageware提供了各种诊断方法来保证精度。
Imageware软件逆向工程的处理过程分为点处理、线处理和面处理三个阶段。
一、点处理过程
1、读入点阵数据。
Imageware与众多的扫描设备厂商有着合作伙伴关系，所有现有的扫描设备几乎都可以使用。
同时，Imageware还可以接受STL、
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