基于UG和Abaqus的產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)和優(yōu)化

耿魯

摘? 要：該文使用UG和Abaqus，以某產(chǎn)品機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例，對產(chǎn)品模型進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真和優(yōu)化?；诋a(chǎn)品需求，通過UG實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品模型的快速設(shè)計(jì)。利用Abaqus對產(chǎn)品模型進(jìn)行模態(tài)分析，識別試驗(yàn)中振動頻率的共振點(diǎn)。根據(jù)仿真結(jié)果，修正模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，滿足產(chǎn)品需求。通過UG和Abaqus的聯(lián)合使用，對產(chǎn)品模型進(jìn)行模型設(shè)計(jì)、仿真模擬、修正調(diào)整，滿足了產(chǎn)品設(shè)計(jì)需求，提高了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量，為智能化生產(chǎn)制造提供有力支撐。

關(guān)鍵詞：UG和Abaqus;機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);模擬仿真;智能化制造

中圖分類號：TH122? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 設(shè)計(jì)工作的基本流程

UG是一套集CAD/CAM/CAE于一體的軟件系統(tǒng)。它提供了強(qiáng)大的實(shí)體建模技術(shù)，提供了高效能的曲面建構(gòu)能力，能夠完成最復(fù)雜的造型設(shè)計(jì)。Abaqus被廣泛認(rèn)為是功能最強(qiáng)的有限元軟件之一，可以分析復(fù)雜的固體力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)系統(tǒng)，特別是能夠駕馭非常龐大復(fù)雜的問題和模擬高度非線性問題。UG和Abaqus在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中得到廣泛使用，特別是在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域發(fā)揮了巨大的作用。UG可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械產(chǎn)品的概念化設(shè)計(jì)，縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)時(shí)間，利用Abaqus可以對產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行計(jì)算和分析，從而優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)。通過UG和Abaqus軟件的結(jié)合使用，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品機(jī)械結(jié)構(gòu)的概念化設(shè)計(jì)和仿真分析的相互融合，快速迭代，優(yōu)化了產(chǎn)品設(shè)計(jì)，縮短了產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)間，提高了設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量。

2 產(chǎn)品機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

某產(chǎn)品的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮的主要因素包括外形尺寸、安裝要求、結(jié)構(gòu)重量、通風(fēng)散熱、配線布線、強(qiáng)度剛度、外殼防護(hù)、電磁兼容、人機(jī)要求、加工工藝性等。

考慮產(chǎn)品主要組成部件液晶顯示屏尺寸、電源電路板和接口電路板的固定方式等因素確定產(chǎn)品的外形尺寸。顯示屏和線路板是產(chǎn)品中發(fā)熱量較大的部件，合理進(jìn)行通風(fēng)散熱設(shè)計(jì)，產(chǎn)品顯示屏采取緊貼機(jī)械結(jié)構(gòu)內(nèi)壁的散熱方式，增大散熱面積，加速散熱。為降低電磁干擾，采取了全封閉的外殼設(shè)計(jì)，保證干擾電磁信號不容易進(jìn)入產(chǎn)品內(nèi)部。

機(jī)械結(jié)構(gòu)的加工材料選取了反射損耗大的金屬鋁，可以有效地對低頻電磁干擾進(jìn)行屏蔽。在金屬與金屬連接縫處沒有噴涂漆塑，降低接觸電阻，保證整體的導(dǎo)電性。在機(jī)構(gòu)架和外殼的連接處，設(shè)計(jì)了開槽，放置導(dǎo)電橡膠棒，保證了整體密封性和導(dǎo)電性。結(jié)合電子元器件大小和電路板的尺寸，將電路板通過螺釘與產(chǎn)品機(jī)構(gòu)架連接。在接口電路板的位置確定的過程中要保證接口電路板上的插頭和液晶顯示屏上的插座準(zhǔn)確對接。顯示器結(jié)構(gòu)中的所有部件之間的連接采取螺釘固緊的方式。在保證不影響產(chǎn)品性能和機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，對機(jī)械結(jié)構(gòu)部件采取了減重措施。在機(jī)構(gòu)架內(nèi)部和外表面設(shè)計(jì)了減重槽，有效減輕了整體重量。設(shè)計(jì)的過程中充分考慮機(jī)械加工的工藝性，所有零部件的機(jī)械加工較易完成。

基于以上因素，使用UG進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，為更清楚的表達(dá)模型中的各部件，對產(chǎn)品模型部件進(jìn)行爆炸分解，如圖1所示。

3 基于Abaqus的模態(tài)分析

3.1 模型簡化

利用Abaqus進(jìn)行模態(tài)分析的過程中，為提高分析精度和速度，在保證模型基本特征的前提下對模型一些特征可以做簡化處理，具體包括去除導(dǎo)光板和橡膠墊、簡化螺釘連接關(guān)系、忽略電子元器件、等化電路板質(zhì)量、焊縫的連接強(qiáng)度等于母材強(qiáng)度、去除減重槽等。

3.2 定義材料屬性

將所有零件的材料視為同一材質(zhì)，將電路板整體（元器件、PCB板等）視為同一材質(zhì)，等效后的密度見表1。

3.3 模型參數(shù)設(shè)置

定義分析步類型為Frequency，選擇Lanczos求解器，要求階次Value定義為10。輸出變量和歷史變量采用默認(rèn)設(shè)置。對模型進(jìn)行模態(tài)分析的目的主要是獲得模型不同階次下的固有頻率和振型，將產(chǎn)品的前表面設(shè)置為固定面，分別限制該表面的3個(gè)方向上的移動和旋轉(zhuǎn)，約束6個(gè)自由度。部件與部件之間的約束關(guān)系近似定義為綁定約束。對產(chǎn)品模型分別進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最大單元尺寸為4，選取單元類型為四面體單元。

3.4 模型固有頻率提取

對模型的固有頻率進(jìn)行分析，1階固有頻率為1 492.6 Hz，2階固有頻率為1 623.8 Hz。模型前10階固有頻率的分析結(jié)果見表2。

從模型1～10階固有頻率輸出值可以看出，對于當(dāng)前產(chǎn)品的機(jī)械結(jié)構(gòu)來說，理論上其1階、2階固有頻率沒有超出2 000 Hz（試驗(yàn)中振動頻率的臨界點(diǎn)），產(chǎn)品整體容易與外界環(huán)境產(chǎn)生共振，對產(chǎn)品造成破壞。

3.5 模型結(jié)構(gòu)改進(jìn)

為保證模型前10階固有頻率的數(shù)值超出2 000 Hz，對模型中最易引起共振的區(qū)域結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。對模型中散熱器的散熱片高度進(jìn)行了調(diào)整，減少了散熱器的重量和提高了整體結(jié)構(gòu)的平衡性。

3.6 模型改進(jìn)后的固有頻率提取

對調(diào)整散熱片高度后的模型再次進(jìn)行固有頻率提取，提取1～10階固有頻率輸出值見表3，前兩階固有頻率都已經(jīng)超出了2 000 Hz。1階固有頻率為2 094.2 Hz，比改進(jìn)前的結(jié)構(gòu)頻率提高了601.6 Hz，2階固有頻率為2 396.8 Hz，比改進(jìn)前的結(jié)構(gòu)頻率提高了773 Hz。理論上改進(jìn)后的顯示器結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)的過程中不易與2 000 Hz內(nèi)的振動源產(chǎn)生共振，可以防止結(jié)構(gòu)的破壞，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)可以滿足防止共振的要求。

4 結(jié)語

在考慮多種機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響因素的前提下，使用UG對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速建模，利用Abaqus對模型進(jìn)行了固有頻率分析。模型前兩階固有頻率偏低，容易與外界環(huán)境產(chǎn)生共振，對產(chǎn)品造成破壞。通過對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化，提高了固有頻率，滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)需求。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的過程中，UG和Abaqus的聯(lián)合使用，提高了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量，為智能化生產(chǎn)制造提供有力支撐。

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