略论计算机辅助工程在机械设计中应用

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1、略论计算机辅助工程在机械设计中应用　　摘要：随着现代科学技术的发展与经济社会的日益进步，人们的物质与精神生活都得到显著的提高，机械行业也因此得到显著的发展与进步。相关的实践经验表明在机械设计作业中首先值得工作人员予以重视的应该是零部件上应力集中的问题，因为应力集中问题处理的好坏将直接关系到机械设备能否正常运行，并且相关的经济效益是否会得到损失的重要问题。针对这一实际情况，利用先进的计算机辅助工程技术，利用有限元法分析下的机械关键件的相关结果，详细表述计算机辅助工程技术是如何完成传统技术无法完成的工作的，就此论证计算机辅助技术在机械设计行业乃至整个

2、经济社会的发展中所起到的至关重要的作用。关键词：计算机辅助工程；机械设计；应用中图分类号：TU85文献标识码：A7机械设计中首要考虑的是在零部件上应力集中的题目，应力集中将是产生重大的经济损失。对设备的正常运行也至关重要。计算机辅助工程(CAE)，是指在计算机上利用相应的计算机分析软件(如有限元分析软件、运动仿真软件、疲惫分析软件等)进行的分析计算。如静应力、动应力和温度应力计算、各种载荷作用下的动力学、运动学和变形计算、振动频率和振动模态计算、温度、流体及高速冲击产生的应力波计算等。举例介绍了运用有限元法(FEA)对机械中几个关键件进行分析的结

3、果，说明如何在机械设计中运用CAE完成过往无法完成的工作。由于大型机械产品在工作过程中的受力情况和变形条件很复杂，所以在设计时很难较正确地计算出有关零部件的应力应变分布及动力学特性。以往是给出一些假设条件，采用工程力学的方法进行近似计算，但这样设计出的部件在几何尺寸和结构型式上都难以达到优化设计的要求。随着计算机的应用，现在可以通过计算辅助工程(CAE)的方法有效地解决这个题目。计算机辅助工程(CAE)，是指在计算机上利用相应的计算机分析软件(如有限元分析软件、运动仿真软件、疲惫分析软件等)进行的分析计算。如静应力、动应力和温度应力计算、各种载荷

4、作用下的动力学、运动学和变形计算、振动频率和振动模态计算、温度、流体及高速冲击产生的应力波计算等。本文举例介绍了运用有限元法(FEA)对机械中几个关键件进行分析的结果，说明如何在机械设计中运用CAE完成过往无法完成的工作。1受力机架概率(变量化)分析1.1受力机架7机架是每个大型设备机工作主机的重要部件，很多受力部件安装在机架上。每台设备至少有1-2个机架，每个机架重量达几十吨至几百吨，设计要求机架有较高的安全系数，其工作时的变形必须在设计的许可范围内，设计出工作变形、应力小而且重量又轻的机架成为设计上的一个困难。下面以5000mm轧机机架为例，

5、用概率的方法通过有限元软件计算圆弧过渡处尺寸对应力集中的影响，以便找出各尺寸对应力集中的影响程度，确定影响最大应力最敏感的尺寸。根据机架的有限元计算，发现对于采用电动压下的机架，在机架上横梁内安装压下螺母的圆弧过渡的地方是应力集中(应力最大)的部位，影响该处应力的尺寸主要集中在圆弧过渡处，见图1所示。图1机架螺丝圆弧过渡处的尺寸在传统的有限元分析中，HEIGTH1=2mm，ANO=150°，RADIUS=44mm，DELT=10mm。为了计算尺寸变化对应力集中影响的程度，给每个尺寸一个变化范围，故在采用传统的有限元分析后进行了概率分析，可以看到哪

6、个参数的变化对最大应力的变化影响最大。传统有限元计算得到的最大第1主应Max-StressSl=12.66/mm2，图2所示为机架头部压下螺丝圆弧过渡处的第1主应力分布情况。图2机架压下螺丝圆弧过渡处的第l主应分布1.2机架应力集中影响因素概率分析7在概率设计中，选取图1中所示尺寸为输进参数，输出参数为机架最大第一主应力(Max-StressSl)。每个输进参数共取50个样本点，每个样本点互不相同，四个输进参数每次随机取得一组样本点，进行传统的有限元分析，从而得到一组相应的输出参数。图3为ANG0对Max-StressSl的影响，斜线为根据二者的

7、样本点拟合的多项式曲线，影响系数为0.5171。图4所示为RADIUS对Max-StressSl的影响情况，斜线为根据二者的样本点拟合的多项式曲线，影响系数为-0.0706。图5所示为HEIGTHl对Max-StressSl的影响情况，斜线为根据二者的样本点拟合的多项式曲线，影响系数为-0.0409。图6所示为Max-StressSl对输人参数的敏感情况，从图中的方框图和饼图可以看到，浅色区域代表Max-StressSl对作用力FORCE的敏感性，深色区域代表Max-StressSl对ANG0的敏感性，Max-StressSl对作用力FORCE的

8、变化最敏感，第二为ANG0，其后依次为HEIGTHl和RADIUS，也就是说，FORCE的变化对Max-StressSl影响最大，其次依