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1、如图1-3所示，应变云图与应力云图的对应的，二者之间存在一转换关系。图1-1 应力云图 图1-2 位移云图 图1-3 应变云图 图1-4 模态分析2 模态分析：图1-4的“列举模式”对话框中列出了“推杆活塞”零件在工作载荷下，其前三阶的模态的频率远远大于输入转速的频率，因此在启动及工作过程中，该零件不会发生共振情况。模态验证符合设计要求。2。凸轮轴零件45钢，屈服强度355MPa。根据活塞推杆的受力情况，换算至该零件上的扭矩约为10.5Nm。1 静力分析：如图1-5所示为“凸轮轴”零件的应力云图，零件上的最大应力为212Mpa，平均应力约为120MPa，零件的安全系数约为1.7，符合设计要求。

2、图1-5 应力云图 图1-6 模态分析2 模态分析图1-6的“列举模式”对话框中列出了“推杆活塞”零件在工作载荷下的模态参数，“模式1”的结果为其自由度内的模态，不作为校核参考。第二阶模态的频率远远大于输入转速的频率，因此在启动及工作过程中，该零件不会发生共振情况。3箱体零件按书中尺寸建立模型，零件体积254cm3。材料选用灰铸铁，极限应力151.6MPa。对该零件进行静力分析，结果如图1-7所示。模型的最大von Mises为16.1MPa,零件的安全系数约为9.4。图1-7 箱体应力云图5 零件改进箱体零件的安全系数很大，这里通过减小零件的厚度来减小零件的重量。模型中有很大部分的应力很小，

3、同时考虑零件的结构，如钻螺纹孔，可以去掉部分材料，改进后零件的体积为188cm3。对改进后的模型运行静力分析，结果如图1-8所示：最大von Mises为26.1MPa，安全系数约5.8。图1-8 改进模型应力云图6 成本节约模型原来的体积为254cm3，改进后的模型的体积为188cm3，体积减少了66cm3，每件减少的重量为475g，如果生产10000件，那么总共可节省材料4750kg，以当前灰铸铁的市场价格为8000元/吨，那么可以节省38000元。二、范例名： （Lifter升降机构）（2）额定提升载荷2000N。该升降装置中，蜗杆、蜗轮是传动装置，本体零件是主要的承载部分。因此，这里对

4、本体零件进行静力分析。验证本体零件在给定的载荷下静强度是否满足要求。按书中尺寸建立模型，零件体积为68.7cm3。材料选用可锻铸铁，极限应力275.7MPa。根据零件的工作情况，对该零件进行静力分析，结果如图1-9所示。模型的最大von Mises为62.1MPa,零件的安全系数约为4.4。图1-9 本体零件应力云图由零件的应力云图可以看出，零件上的最大应力为62.1MPa，零件上应力小的部分比较多，同时考虑零件的结构，如钻螺纹孔，可以对这些部位减小尺寸，从而减轻零件的质量。除了减小了零件的厚度外，还更改了模型上加强筋结构的尺寸和结构。改进后零件的体积为60cm3对改进后的模型运行静力分析，结

5、果如图1-10所示：最大von Mises为120.5MPa，安全系数约2.3。图1-10 改进模型应力云图模型原来的体积为68.7cm3，改进后的模型的体积为60cm3，体积减少了8.7cm3，每件减少的重量为63.5g，如果生产10000件，那么总共可节省材料635kg，以当前可锻铸铁的市场价格为10000元/吨，那么可以节省6350元。三、范例名： （Electromagnetism Valve电磁阀）电磁阀的额定工作压力为2MPa，最大工作压力为4MPa。该升降装置中本体零件是主要的承载部分。按书中尺寸建立模型，零件体积为57.7cm3。根据零件的工作情况，对该零件进行静力分析，结果如

6、图1-11所示。模型的最大von Mises为60.5MPa,零件的安全系数约为2.5。图1-11 本体零件应力云图由零件的应力云图可以看出，零件上的最大应力为60.5MPa，零件上应力小的部分比较多，同时考虑零件的结构，如钻螺纹孔和管罗纹接口等，可以对一些应力较小的部位减小尺寸，从而减轻零件的质量。改进后零件的体积为48.6cm3对改进后的模型运行静力分析，结果如图1-12所示：最大von Mises为104.1MPa，安全系数约1.46。图1-12 改进模型应力云图模型原来的体积为57.7cm3，改进后的模型的体积为48.6cm3，体积减少了9.1cm3，每件减少的重量为65.5g，如果生

7、产10000件，那么总共可节省材料655kg，以当前可锻铸铁的市场价格为10000元/吨，那么可以节省6550元。四、范例名： （Drill Clamp钻模夹具）夹具用于钻床使用，最大轴向钻削力为1800N。该钻模夹具装置中底座和摇摆座两个零件是主要的承载部分。因此，这里对底座和摇摆座零件进行静力分析。（1）验证底座零件在给定的载荷下静强度是否满足要求。（2）验证摇摆座零件在给定的载荷下静强度是否满足要求。1。底座零件按书中尺寸建立模型，零件体积为63.6cm3。根据零件的工作情况，对该零件进行静力分析，结果如图1-13所示。模型的最大von Mises为6.7 MPa,零件的安全系数约为22

8、.6。图1-13 底座零件应力云图摇摆座零件按书中尺寸建立模型，零件体积为42.2cm3。根据零件的工作情况，对该零件进行静力分析，结果如图1-14所示。模型的最大von Mises为49.8MPa,零件的安全系数约为3。图1-14 摇摆座零件应力云图由图1-13的底座零件应力云图可以看出，零件上的最大应力为67.2MPa，零件上应力小的部分比较多，同时考虑零件的结构，如钻螺纹孔等，可以对一些应力较小的部位减小厚度，从而减轻零件的质量。改进后零件的体积为51.6cm3对改进后的模型运行静力分析，结果如图1-15所示：最大von Mises为28.1MPa，安全系数约5.4。图1-15 改进模型

9、应力云图由图1-14的底座零件应力云图可以看出，零件上的最大应力为49.8MPa，零件上应力小的部分比较多，同时考虑零件的结构，如钻孔等，可以对一些应力较小的部位减小厚度，从而减轻零件的质量。改进后零件的体积为37.5cm3对改进后的模型运行静力分析，结果如图1-16所示：最大von Mises为50.4MPa，安全系数约3。图1-16 改进模型应力云图底座和摇摆座模型原来的体积分别为63.6cm3和42.2 cm3，改进后的模型的体积分别为51.6 cm3和37.5 cm3，体积共减少了16.7cm3，每件减少的重量为120.24g，如果生产10000件，那么总共可节省材料1202.4kg，

10、以当前灰铸铁的市场价格为8000元/吨，那么可以节省9619.2元。五、范例名：CH07（Diesel Oil Engine Pump柴油引擎燃料泵）该装置为柴油引擎燃料泵，最高工作压力为4MPa。件3套筒零件的内腔用来将燃料增压，件3套筒零件的损坏情况可能为强度破坏，也可能为疲劳破坏，因此分析件3套筒零件的静强度和疲劳强度。1、验证零件在给定的载荷下静强度是否满足要求；2、求解模型在给定工作载荷下的疲劳寿命。1静力分析按书中尺寸建立模型，零件体积为8cm3。材料选用AISI 1020，屈服应力351.6MPa。根据零件的工作情况，对该零件进行静力分析，结果如图1-17所示。模型的最大von

11、Mises为25.8 MPa,零件的安全系数约为13.6。零件安全。图1-17 套筒零件应力云图2疲劳分析周期载荷为P=4MPa，LR=0，周期个数：1000000。对零件进行疲劳分析，得到零件的损坏云图、生命总数云图和安全系数云图分别如图1-18图1-20所示，由安全系数云图可以看出，零件是安全的。图1-18 损坏应力云图图1-19 生命总数云图图1-20 安全系数云图5 小结本节验证了柴油引擎燃料泵装置里件3套筒零件的静强度和疲劳强度，计算结果表明，两项指标均符合设计要求。考虑到成本和结构问题，这里不作改进。六、范例名： （Turning Machine转向机构）该装置为一转向机构，该机构

12、主要用于需要换向的场合，设计工作载荷为600N。件1本体零件和件4端盖零件是主要的承载零件，因此，这里对本体和端盖零件进行静强度校核。1、验证件1本体零件在给定的载荷下静强度是否满足要求；2、验证件4端盖零件在给定的载荷下静强度是否满足要求；两个零件的材料均选用灰铸铁，极限应力151.6MPa。按照书中尺寸进行建模，件1本体零件和件4端盖零件的体积分别为133 cm3和16.7 cm3，总体积为149.7 cm3。根据零件的工作情况，对该零件进行静力分析，结果如图1-21所示。模型的最大von Mises为51.3 MPa,零件的安全系数约为3。图1-21 静力分析应力云图由图1-21的装配体

13、的应力云图可以看出，零件上的最大应力为51.3MPa，零件上应力小的部分比较多，同时考虑零件的结构，如钻螺纹孔等，可以对一些应力较小的部位减小厚度，从而减轻零件的质量。改进后两个零件的体积为139.5cm3。对改进后的模型运行静力分析，结果如图1-22所示：最大von Mises为52MPa，安全系数约2.9，零件是安全的。图1-22 改进模型应力云图本体和端盖零件原来的体积之和为149.7 cm3，改进后这两个零件的体积之和为139.5 cm3，每件体积减少了10.2 cm3，每件减少的重量为73.44g，如果生产10000件，那么总共可节省材料734.4kg，以当前灰铸铁的市场价格为800

14、0元/吨，那么可以节省5875.2元。七、范例名：（Air Compressor空气压缩机）空气压缩机的额定功率为2Kw，输入转速为1450r/min。件3曲轴零件和件4连杆零件是主要的传动机构，这里分析这两个零件，包括静力强度、模态和疲劳强度。（1）验证件3曲柄零件在给定的载荷下静强度是否满足要求。（2）验证件4连杆零件在给定的载荷下静强度是否满足要求。（3）计算件3曲柄零件的模态，在工作过程中避开共振频率。计算得输入转矩为：16.5Nm，换算至曲轴和连杆上，相当于作用一571N的力，这里以600N来计算。（1）曲柄零件按书中尺寸建立模型，零件体积为130.4cm3。材料选用普通碳钢，屈服应

15、力220.6MPa。根据零件的工作情况，对该零件进行静力分析，结果如图1-23所示。模型的最大von Mises为23.2MPa,零件的安全系数约为9.5。图1-23 曲柄零件应力云图（2）连杆零件按书中尺寸建立模型，零件体积为29cm3。材料选用普通碳钢，屈服应力151.6MPa。模型的最大von Mises为7.3MPa,零件的安全系数约为20.8。图1-24 连杆零件应力云图2模态分析图1-25的“列举模式”对话框中列出了“曲柄”零件的模态。“模式号1”为其未约束的自由度的模态，在工作中没有意义。第二阶的模态的频率远远大于输入转速的频率，因此在启动及工作过程中，该零件不会发生共振情况。图

16、1-25 模态分析由图1-23的应力云图可以看出，零件上的最大应力为23.3MPa，零件上应力小的部分比较多，同时考虑零件的结构，如质量平衡、钻螺孔纹等，可以对一些应力较小的部位减小厚度，从而减轻零件的质量。改进后两个零件的体积为88.8cm3。对改进后的模型运行静力分析，结果如图1-26所示：最大von Mises为42.9MPa，安全系数约5.1，零件是安全的。图1-26 改进后模型应力云图由图1-24的应力云图可以看出，零件上的最大应力为7.3MPa，零件上应力小的部分比较多，同时考虑零件的结构，如质量平衡、钻螺孔纹等，可以对一些应力较小的部位减小厚度，从而减轻零件的质量。改进后两个零件

17、的体积为25.3cm3。对改进后的模型运行静力分析，结果如图1-27所示：最大von Mises为8.8MPa，安全系数约17.2，零件是安全的。图1-27 改进后模型应力云图曲柄零件的体积减小了41.6，重量减轻了324.5g，如果生产10000件，那么总共可节省材料3245kg；连杆零件的体积减小了3.7，重量减轻了26.6g，如果生产10000件，那么总共可节省材料266kg。以当前市场的普通碳钢价格12000元/吨和灰铸铁的价格8000元/吨，总共可节约成本41068元。八、范例名： （Retarder减速机）该装置为一减速机，该机构主要用于需要变速的场合，设计工作载荷为2000N。件

18、1本体零件是主要的承载零件，因此，这里对本体零件进行静强度校核。验证件1本体零件在给定的载荷下静强度是否满足要求；零件的材料选用灰铸铁，极限应力151.6MPa。按照书中尺寸进行建模，件1本体零件的体积为198.6cm3。根据零件的工作情况，对该零件进行静力分析，结果如图1-28所示。模型的最大von Mises为93.7MPa,零件的安全系数约为1.6。图1-28 静力分析应力云图由图1-28零件的应力云图可以看出，零件上的最大应力为93.7MPa，零件上应力小的部分比较多，同时考虑零件的结构，如钻螺纹孔等，可以对一些应力较小的部位减小厚度，从而减轻零件的质量。改进后两个零件的体积为171.

19、6cm3。对改进后的模型运行静力分析，结果如图1-29所示：最大von Mises为98.2MPa，安全系数约1.5，零件是安全的。图1-29 改进模型应力云图本体零件原来的体积为198.6cm3，改进后零件的体积为171.6cm3，每件体积减少了27cm3，每件减少的重量为194.4g，如果生产10000件，那么总共可节省材料1994kg，以当前灰铸铁的市场价格为8000元/吨，那么可以节省15952元。九、范例名： （Tow Hook牵引钩）该装置为一拖拽车辆用的牵引钩，设计工作载荷为20000N。零件的材料选用可锻铸铁，极限应力275.7MPa。按照书中尺寸进行建模，件1本体零件的体积为

20、1230.1cm3。根据零件的工作情况，对该零件进行静力分析，结果如图1-30所示。模型的最大von Mises为80.9MPa,零件的安全系数约为3.4。图1-30 静力分析应力云图由图1-28零件的应力云图可以看出，零件上的最大应力为80.9MPa，零件的安全系数较大，因此可以使用性能差一些的材料，这样可以节省制造的成本；零件上应力小的部分比较多，同时考虑零件的结构，这里不对结构进行更改。更改零件的材料为灰铸铁进行静力分析，结果如图1-31所示：最大von Mises为80.9MPa，安全系数约1.9，零件是安全的。图1-31 改进模型应力云图本体零件的体积为1230.1 cm3，使用可锻

21、铸铁的质量为8979.7g，以当前市场的价格10000元/吨，那么生产10000件的成本为897970元；如果使用灰铸铁，质量为8856.7，以当前市场的价格8000元/吨，那么生产10000件的成本为708536元。比较可知共节约成本189434元。十、范例名：（Swaying Machine摇摆机构）该装置为一电风扇的摇摆机构，机构的负载较小，设计载荷为50N。按照书中尺寸进行建模，件1本体零件的体积为49.6cm3。根据零件的工作情况，对该零件进行静力分析，结果如图1-32所示。模型的最大von Mises为4.9MPa,零件的安全系数约为31。图1-32 静力分析应力云图零件上的应力很

22、小，此机构用于电风扇的摇摆机构，因此需要尽量减轻装置的质量，将零件的材料换成塑料件，使用ABS塑料，材料的张力强度为30MPa。更改零件的材料为ABS塑料进行静力分析，结果如图1-33所示：最大von Mises为4.7MPa，安全系数约6.4，零件是安全的。图1-33 改进模型应力云图零件的体积为49.6 cm3，使用灰铸铁，零件的质量为357.1g，生产10000件所需的材料质量为3571kg，以当前的市场价格8000元/吨，成本为28568元；使用ABS塑料，零件的质量为51.1g，生产10000件所需的材料质量为511kg，以当前的市场价格13000元/吨，成本为6643元，那么可以节

23、约材料成本为21925元。另外从制造方法看，后者节省加工成本。十一、范例名：（Universal Vice万向虎钳）万向虎钳为一夹紧装置 ，设计最大夹紧力为10000N。件4活动钳口零件是主要的承载零件之一，因此，这里对本体零件进行静强度校核。按照书中尺寸进行建模，件4活动钳口零件的体积为68.9cm3。根据零件的工作情况，对该零件进行静力分析，结果如图1-34所示。模型的最大von Mises为104.8MPa,零件的安全系数约为2.6。图1-34 静力分析应力云图万向虎钳中件4活动钳口零件在工作过程中，当夹紧力达到最大值（10000N）时，零件上的最大von Mises为104.8MPa，

24、安全系数约为2.6，零件安全。由于在夹紧工件的时候，需要一定的夹紧面积，来保证夹紧稳定和不破坏工件，因此设计的零件是合理的，不进行改进。十二、范例名： （Graduator分度机构）设计一用于铣床的分度机构，该机构同时还起到夹紧零件的作用。工作过程中，铣削力900N。件1本体零件是主要的承载零件之一，因此，这里对本体零件进行静强度校核。按照书中尺寸进行建模，件1本体零件的体积为100cm3。根据零件的工作情况，对该零件进行静力分析，结果如图1-35所示。模型的最大von Mises为7.4MPa,零件的安全系数约为41.1。图1-35 静力分析应力云图有图1-35可以看出，该零件的应力较小，所

25、以可以减小零间的厚度；并使用性能差一些的材料，这样可以节省制造的成本。修改零件材料为灰铸铁，极限应力171.6MPa；并减小零件的壁厚，改进后零件的体积为77.8 cm3。对改进后的零件进行静力分析，结果如图1-36所示：最大von Mises为10.7MPa，安全系数约16，零件是安全的。图1-36 改进模型应力云图零件原来的体积为100，质量为730g，生产10000件需要可锻铸铁材料7300kg，以当前市场价格10000元/吨，材料成本为73000元；改进后零件的体积为77.8，质量为560.2g，生产10000件需要灰铸铁材料5602kg，以当前市场价格8000元/吨，材料成本为448

26、16元。改进后，如果生产10000件该零件，那么可以在材料方面节约成本28184元。十三、范例名： （Inflate Bump打气泵）（1）打气泵的最大工作压力为1MPa。（2）输入转速为1450rpm。件5曲柄零件和件8心轴零件是主要的传递动力的组件，因此，这里对这两个零件进行静强度校核、模态分析和疲劳寿命。（1）验证件5曲柄零件在给定的载荷下静强度是否满足要求。（2）验证件8心轴零件在给定的载荷下静强度是否满足需求。（3）计算件8心轴零件的模态。（4）计算件8心轴零件的疲劳寿命。工作压力为1MPa，计算得施加在件5曲柄零件上的力为314N；施加在件8心轴零件上的转矩为2.36N1曲柄零件按照书中尺寸进行建模，件5曲柄零件的体积为1.4cm3。根据零件的工作情况，对该零件进行静力分析，结果如图1-37所示。模型的最大von Mises为17.4MPa,零件的安全系数约为8.7。图1-37 静力分析应力云图2心轴零件1、静力分析