基于CAD/CAE 的一種板凳研究

胡永康，孫樂俊

（武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢430070）

本學(xué)期筆者學(xué)習(xí)了汽車CAD/CAE ，想要成為一名合格的車輛工程專業(yè)學(xué)生，很有必要掌握它[1]。筆者通過使用UG創(chuàng)建一個(gè)凳子模型。凳子在人們生活中的使用量非常大，凳子是人們生活中的必需品，每一個(gè)人都需要用到它。所以人們使用的凳子必須安全系數(shù)很高，人們累了可以坐在上面休息一會(huì)，緩解一下自己勞累的身心，所以不能讓其存在安全隱患。把凳子端面四個(gè)角都設(shè)計(jì)成傾斜的圓曲面，防止有人不小心碰到端面的角而造成傷害，從而加強(qiáng)凳子的強(qiáng)度，提高安全系數(shù)。

1 關(guān)于UG 軟件

UG 是Unigraphics 的縮寫，這是一個(gè)交互式CAD/CAM（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)輔助制造）系統(tǒng)，可以方便實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜實(shí)體的建構(gòu)，功能強(qiáng)大[2]。它最開始主要在工作站使用，但隨著電腦的性能越來越強(qiáng)大，此軟件在個(gè)人電腦上的應(yīng)用增長十分迅速，目前，已經(jīng)成為模具行業(yè)三維設(shè)計(jì)的一個(gè)主流應(yīng)用[3]。UG 的目標(biāo)是用最新的數(shù)學(xué)技術(shù)，即自適應(yīng)局部網(wǎng)格加密、多重網(wǎng)格和并行計(jì)算，為復(fù)雜應(yīng)用問題的求解提供一個(gè)靈活的可再使用的軟件基礎(chǔ)[4]。

2 凳子基本輪廓的建模

確定基準(zhǔn)坐標(biāo)系后，以xy 平面采用拉伸命令，然后以坐標(biāo)原點(diǎn)為中心畫一個(gè)100 mm×100 mm 的矩形（此矩形過小，之后會(huì)有改進(jìn)）選擇拉伸距離為150 mm，拉伸方向?yàn)閦 的負(fù)方向，拔模的角度為-5°。

2.1 尖角的去除

考慮到凳子表面的四個(gè)角過尖會(huì)存在一定的安全隱患，所以，對凳子端面進(jìn)行了修剪體的處理，使之更安全。筆者先選擇了一個(gè)基準(zhǔn)平面，然后進(jìn)行畫線，找到離一個(gè)端點(diǎn)為20 mm 的兩點(diǎn)，再選以一個(gè)相鄰面進(jìn)行同樣的操作；采用修剪體的操作成功地將尖角去除，最后采用陣列特征，數(shù)量為4 個(gè)節(jié)，距角方向?yàn)閦 軸。

2.2 邊導(dǎo)圓的設(shè)計(jì)

去除尖角處的平面將會(huì)產(chǎn)生3 個(gè)新的角，并且凳子的長角處也是尖的，這不但存在安全隱患，還影響了整體的美觀。所以筆者對它進(jìn)行了邊導(dǎo)圓的設(shè)計(jì)，使之更加美觀。在端面處的邊導(dǎo)圓的半徑為3 mm，凳腳處的半徑為6 mm。最后成功地完成了邊導(dǎo)圓的設(shè)計(jì)，如圖1 所示。

圖1 邊導(dǎo)圓

3 凳子成形

接著筆者進(jìn)行了抽殼和拉伸步驟，使凳子呈現(xiàn)其基本形狀。從底面進(jìn)行抽殼的抽殼厚度為1.5 mm，然后進(jìn)行拉伸處理，選取4 個(gè)表面中任一表面為參考面，進(jìn)行輪廓的大致繪制，然后用快速尺寸進(jìn)行約束。拉伸時(shí)距離為150 mm，布爾為減去。最后采用陣列特征，凳子已基本成形，如圖2所示。

圖2 基本成形的凳子

4 凳腳的優(yōu)化

考慮到凳腳與地的接觸面積過小，穩(wěn)定性不夠，決定把凳腳與地面的接觸面積加大，使之更加穩(wěn)定。以凳腳平面為基準(zhǔn)平面，進(jìn)行拉伸，拉伸長度為1 mm，然后采用加厚命令，使凳腳更加穩(wěn)定，最后采用陣列特征，如圖3 所示。

圖3 優(yōu)化后的凳腳

5 仿真分析

對原本設(shè)計(jì)的凳子模型進(jìn)行仿真分析，發(fā)現(xiàn)凳子表面變形嚴(yán)重，不能投入到實(shí)際中使用。不能承受過大的質(zhì)量，還需要進(jìn)行改進(jìn)。假設(shè)體重為70 kg 的人坐在上面，凳子采用的材料是塑料ABS，然后對凳子進(jìn)行了第一次仿真分析[5]，如圖4 所示。

圖4 第一次仿真結(jié)果

由圖4可以看到，凳子表面的位移最大處達(dá)到了30 mm，凳子表面的最大應(yīng)力達(dá)到了130 MPa；安全系數(shù)很低，凳子表面的安全系數(shù)大部分都在0～1。由上述的仿真分析人們可以了解到第一次的凳子建模實(shí)用度很低，在現(xiàn)實(shí)中無法正常使用。所以，筆者對這個(gè)凳子進(jìn)行了一定的優(yōu)化，考慮到凳子表面的承壓能力過低，所以在凳子底面加了橫豎兩列加強(qiáng)筋，如圖5 所示，這樣就可以使凳子在承受壓力時(shí)保持原來的形狀?？紤]到凳子的尺寸過小，在實(shí)際生活中的用途不大。所以，筆者對凳子進(jìn)行了縮放處理，把整個(gè)凳子均勻地放大了4 倍，使凳子在實(shí)際中更加實(shí)用。最后對凳子完成了優(yōu)化，對優(yōu)化后的凳子進(jìn)行仿真分析。

圖5 在凳子底部加了加強(qiáng)筋

接著對優(yōu)化后的凳子進(jìn)行了第二次仿真分析，結(jié)果如圖6 所示。

本次的仿真分析依舊假設(shè)質(zhì)量為70 kg 的人坐在上面，材料依然是ABS。由本次的仿真分析可以看到改進(jìn)之后的效果還是不錯(cuò)的。由圖6（a）可以看到，在凳子端面中心那一小部分的位移變化是最大的，但位移量在0.320 mm 左右，這個(gè)變形還是非常小的，與第一次相比效果有了明顯提升；由圖6（b）可看到，在凳子端面的最大端面的最大應(yīng)力在0.640 MPa 左右，這個(gè)應(yīng)力相比于第一次小很多；由圖6（c）可以看到，整個(gè)凳子都呈現(xiàn)綠色，安全系數(shù)在2.5～3.0 之間，存在的安全隱患比較少。由此次的優(yōu)化結(jié)果仿真分析可以看到，優(yōu)化后的凳子實(shí)用性還是很高的，最終筆者完成了這個(gè)凳子的建模，如圖7 所示。

圖6 第二次仿真結(jié)果

圖7 最終的模型

6 總結(jié)

本文通過使用CAD/CAE 對凳子建模，闡述了CAD/CAE在平時(shí)設(shè)計(jì)生產(chǎn)中的運(yùn)用，并且通過一步步的模型仿真，說明了模型的構(gòu)建應(yīng)在人們的腦子里有清晰的思路，需要大量的時(shí)間和耐心，且需要把最初的模型構(gòu)建出來進(jìn)行仿真分析，看其是否滿足所設(shè)定的要求，一般情況下是需要改進(jìn)的。此外，還要看凳子在現(xiàn)實(shí)生活中是否有足夠的實(shí)用度，它的安全系數(shù)是否足夠高。此次建模在進(jìn)行仿真之后進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)用度較高，說明本次建模是成功的。