不同軟件的選擇在現(xiàn)代設(shè)計方法課程中的應(yīng)用

劉洪宇

【摘要】在現(xiàn)代設(shè)計方法課程教學(xué)中，對32t×28.5m雙梁吊鉤橋式起重機的橋架，選擇SolidWorks軟件進行三維構(gòu)建仿真模型，利用SolidWorks軟件中集成的有限元分析模塊COSMOSWorks，對構(gòu)建的仿真模型進行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析。應(yīng)用SolidWorks軟件，對傳感器底座進行三維構(gòu)建實體模型，選擇應(yīng)用ANSYS軟件，對相應(yīng)的實體模型進行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析。通過SolidWorks軟件和ANSYS軟件與工程實際案例相結(jié)合，使學(xué)生能夠更好地理解和掌握現(xiàn)代設(shè)計方法課程課上所學(xué)的理論知識和軟件操作，真正體現(xiàn)和實踐了設(shè)計與分析一體化的思想。

【關(guān)鍵詞】現(xiàn)代設(shè)計方法;SolidWorks;COSMOSWorks;ANSYS;結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析

1引言：作為機械工程專業(yè)人才培養(yǎng)體系中重要的一門課程，現(xiàn)代設(shè)計方法是多元綜合的交叉學(xué)科并涵蓋了眾多設(shè)計方法，學(xué)生理解比較困難。提煉出有限單元法中模型簡化與建立、網(wǎng)格劃分、載荷和約束施加、求解結(jié)果運用等比較典型的難點問題，將教師已經(jīng)獲得的科研成果引入并開展研究型教學(xué)，促進學(xué)生對有限單元法的理解，將現(xiàn)代設(shè)計方法與工程實踐相結(jié)合，提升解決實際工程問題的能力。

橋式起重機是一種軌道運行式起重機，其使用最廣泛，也擁有量最大，額定起重量從幾噸到幾百噸不等，橋式起重機基本的形式是吊鉤橋式起重機。目前，橋式起重機作為實現(xiàn)現(xiàn)代化生產(chǎn)過程的機械化和自動化的主要設(shè)備，已被廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟的各行各業(yè)，如鋼鐵和冶金業(yè)、交通運輸和水利行業(yè)、能源與化工行業(yè)、機械與環(huán)保領(lǐng)域等，在國家經(jīng)濟建設(shè)中舉足輕重，發(fā)揮了重要的作用。橋式起重機的主要組成由裝有大車運行機構(gòu)的橋架、裝配有電氣設(shè)備、走臺、欄桿、還有起升機構(gòu)、司機室以及小車運行機構(gòu)等部分，大車運行機構(gòu)主要是縱向移動，小車運行機構(gòu)主要是橫向移動和小車起升機構(gòu)的升降移動，構(gòu)成立體空間的起重機吊運重物的空間。橋式起重機的橋架具有承受載荷多、工作環(huán)境惡劣的特點，橋式起重機在穩(wěn)定的工作過程中，由于起升機構(gòu)、小車及大車的縱向和橫向頻繁啟動、移動和制動，橋架等機構(gòu)承受強烈的突然沖擊和振動，產(chǎn)生持續(xù)一定時間的衰減振動。該振動對整個橋架的安全使用將會產(chǎn)生很大的影響，將會造成橋架的疲勞破壞、共振及噪聲。

在有限單元法的教學(xué)過程中，面對實際工程問題時，由于學(xué)生缺乏工程實踐經(jīng)驗，對模型的抽象和簡化、網(wǎng)格的劃分、載荷及約束等教學(xué)難點和重點，不易于理解和掌握。通過將SolidWorks軟件和ANSYS軟件融入傳統(tǒng)的多媒體教學(xué)中，則可以很好地解決上述問題。

課程結(jié)合對32t×28.5m雙梁吊鉤橋式起重機的橋架進行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析。該工程案例把SolidWorks軟件引入現(xiàn)代設(shè)計方法課程的教學(xué)中，以便提高學(xué)生應(yīng)用三維軟件在現(xiàn)代設(shè)計方法中解決實際應(yīng)用問題的能力。以32t×28.5m雙梁吊鉤橋式起重機為例，選擇SolidWorks軟件，構(gòu)建32t×28.5m雙梁吊鉤橋式起重機橋架的三維模型，采用SolidWorks軟件中自帶的有限元分析模塊對32t×28.5m橋式起重機的橋架進行了結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析。

課程結(jié)合傳感器底座結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析的工程案例，闡述了如何把SolidWorks軟件和ANSYS軟件相結(jié)合，引入教學(xué)實踐應(yīng)用中，來提高學(xué)生現(xiàn)代設(shè)計方法解決工程問題的軟件選擇和實際應(yīng)用能力。

2 SolidWorks軟件在現(xiàn)代設(shè)計方法課程教學(xué)中的應(yīng)用

2.1選擇三維SolidWorks軟件

三維建模軟件有很多，不同應(yīng)用有不同的選擇，比較流行的三維建模軟件如：Rhino（Rhinoceros犀牛）、3ds Max、PRO-E、SolidWorks等，SolidWorks軟件具有友好界面和使用方便的優(yōu)點，軟件可以參數(shù)化特征造型，各個部件獨立設(shè)計，可實現(xiàn)動態(tài)變化和測量的功能，其裝配體設(shè)計，各零件按照相應(yīng)的裝配關(guān)系設(shè)置和組合，直觀簡單，工程圖的轉(zhuǎn)化過程兼容性好，適合應(yīng)用于現(xiàn)代設(shè)計方法課程教學(xué)中，并互聯(lián)網(wǎng)功能使設(shè)計協(xié)同工作更加有效和方便。

2.2橋架的三維建模和結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析

（1）橋架的三維模型的建立

如圖1所示，選擇SolidWorks軟件建立32t×28.5m橋式起重機橋架的三維仿真模型。

（2）有限元分析模塊COSMOSWorks

有限元分析包括三個部分：前處理模塊、分析計算模塊和后處理模塊。通過前處理模塊生成有限元模型，這部分的網(wǎng)格劃分很重要，決定后期工作分析與計算的成敗，得到有限元模型的有關(guān)數(shù)據(jù)，決定著分析精度是否準(zhǔn)確，分析結(jié)果是否有效率。分析計算模塊是有限元分析的核心，對三維仿真模型及網(wǎng)格特點進行結(jié)構(gòu)分析，通過虛擬流體動力學(xué)分析和多物理場耦合分析，得出有限元模型的相關(guān)參數(shù)和數(shù)據(jù)。后處理模塊對獲得的有限元分析結(jié)果進行數(shù)據(jù)輸出和圖形顯示，通過輸出顯示對模型做出結(jié)論和判斷。

（3）橋架的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析

采用SolidWorks軟件建立的模型可實現(xiàn)與SolidWorks軟件中的有限元分析模塊的完全無縫兼容。這大大提高了整個有限元分析工作的效率。在SolidWorks軟件的材料庫中，有很多種材料，以及各種材料的不同參數(shù)。在本案例中，橋架材料為Q235鋼，相應(yīng)的密度DENS為7800kg/m³、彈性模量EX為2.1×10¹¹N/m²、屈服強度為235MPa、泊松比NUXY為0.27。在本案例中，對于32t×28.5m橋式起重機橋架，設(shè)置網(wǎng)格尺寸為160mm，公差為5mm。離散處理后，32t×28.5m橋式起重機橋架的單元總數(shù)為96331，節(jié)點總數(shù)為180851。

橋架兩端通過角形軸承箱由4個輪組支承，每個輪組包括2個調(diào)心滾子軸承。本案例采用8塊厚板替代調(diào)心滾子軸承，用厚板上所開的孔替代軸承孔，孔徑等于軸承外徑。將整個橋架模型簡化為一個簡支梁。假設(shè)軸承剛度很大，約束兩個端梁的8塊厚板位于軸承孔處的節(jié)點的徑向位移，相應(yīng)的位移為零。約束右側(cè)端梁的4塊厚板位于軸承孔處的節(jié)點的軸向位移，相應(yīng)的位移為零。

在橋架Y方向的負方向上對橋架施加9.8m/s2的重力加速度以完成重力載荷的施加。按照小車在橋架主梁上的不同位置，本文選取了滿載小車位于主梁中部這種工況。把小車自重和小車額定起重量之和的四分之一作為集中力分別施加在小車四個車輪與橋架主梁相應(yīng)的接觸處。在本案例中，起重機的跨度即L為28.5m。橋架主梁的許用垂直剛度 即許用垂直位移可由公式（1）求出。

經(jīng)過計算可得出橋架主梁的許用垂直位移為28.5mm～40.71mm。

橋架主梁的許用水平剛度 即許用水平位移可由公式（2）求出。

經(jīng)過計算可得出橋架主梁的許用水平位移為14.25mm～20.36mm。

在本案例中，橋架材料為Q235鋼，安全系數(shù)為n為1.1，屈服強度 為235MPa。橋架材料的許用應(yīng)力 可由公式（3）求出。

（3）

經(jīng)過計算可得出橋架材料的許用應(yīng)力 為213.636MPa。

案例采用SolidWorks軟件中的靜態(tài)分析模塊對相應(yīng)的橋架模型在滿載小車位于橋架的中部這種工況下進行了結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析。這種工況以下被稱為工況1。在完成求解運算后，得出了在這種工況下橋架的總體垂直位移分布圖、總體水平位移分布圖及總體Von Mises應(yīng)力分布圖。

橋架的最大垂直位移為18.79mm，發(fā)生在主梁中部，主梁其它部分的垂直位移沿主梁中部向兩個端梁方向逐漸減小，兩個端梁上的垂直位移最小。橋架上的垂直位移均小于 ，這表明該起重機橋架能夠滿足使用要求。橋架的最大水平位移為0.6050mm，發(fā)生在右側(cè)主梁中部下面，左側(cè)主梁上面和兩個端梁上的水平位移相對較大，其它部分的水平位移相對較小，橋架上的水平位移均小于 ，這表明該起重機橋架能夠滿足使用要求。橋架的最大Von Mises應(yīng)力為194.893MPa，發(fā)生在端梁的一側(cè)，兩個端梁的和兩個主梁的上部的Von Mises應(yīng)力相對較大，其它部分的Von Mises應(yīng)力相對較小。橋架上的Von Mises應(yīng)力均小于 ，這表明該起重機橋架能夠滿足使用要求。

3 ANSYS軟件在課堂教學(xué)中的靈活應(yīng)用

3.1關(guān)于選擇ANSYS軟件

基于結(jié)構(gòu)力學(xué)的有限元分析，是一種現(xiàn)代計算方法，對于結(jié)構(gòu)靜態(tài)特性分析和動態(tài)特性分析中應(yīng)用，是一種有效的數(shù)值分析方法。常用的有限元分析軟件包括ABAQUS、ANSYS、MSC，其中的ANSYS軟件，可以將有限元計算與分析、計算機圖形學(xué)和優(yōu)化技術(shù)相組合，可與CAD軟件接口連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享、轉(zhuǎn)化、交換和圖形表達。ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、磁場、流體、電場等模擬計算與分析于一體的大型通用有限元計算和分析軟件，后處理模塊可將計算結(jié)果以彩色等值線、粒子流跡、矢量、梯度、透明及半透明、立體切片等多種方式顯示出來，也可將計算結(jié)果以曲線表達、圖表形式、色彩表現(xiàn)顯示或輸出。有助于用戶將復(fù)雜的模型簡單化，被廣泛地應(yīng)用于多種工程產(chǎn)品系統(tǒng)及過程之中，如航空器、重型起重機等，為用戶提供了強大的功能，已成為解決現(xiàn)代工程學(xué)問題必不可少的有力工具。

3.2傳感器底座的三維建模和結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析

（1）傳感器底座的三維建模

采用SolidWorks軟件建立了傳感器底座的三維實體模型，并另存為Parasolid（*.x_t）文件形式，然后將其導(dǎo)入到ANSYS軟件中進行分析。

（2）傳感器底座的相關(guān)屬性設(shè)置

傳感器底座的材料屬性為： ，泊松比 ，密度為 。采用SOLID187單元和自由網(wǎng)格劃分方法對底座進行劃分網(wǎng)格，如圖3。

底座底面上的四個螺栓孔是固定在機架上為剛性約束，因此在四個螺栓孔的圓周面施加X、Z方向上位移為零的約束，在底面上施加Y方向位移為零的約束。傳感器安裝在底座上并用兩個圓孔進行支撐，因此傳感器對底座的壓力分別作用在圓孔的下半圓柱面上，大小為43.1905KN。

（3）傳感器底座的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析結(jié)果

經(jīng)過ANSYS的求解后，可得到相應(yīng)的傳感器底座的位移圖，如圖4，傳感器底座各部分處于三向應(yīng)力狀態(tài)，底座材料采用鍛制不銹鋼，其屈服強度為206.807MPa，許用安全系數(shù) 為2，則傳感器底座的許用應(yīng)力 為屈服強度 與許用安全系數(shù) 的比值，其大小為103.4035MPa。底座的最大應(yīng)力為27.63MPa，支撐傳感器的兩圓孔下圓柱面上應(yīng)力為12.292～18.427MPa，兩圓孔下圓柱面連接底座的下底面應(yīng)力分布越來越大。由座的最大應(yīng)力27.63MPa小于許用應(yīng)力103.4035MPa可知，本案例設(shè)計的張力檢測傳感器底座能夠滿足現(xiàn)場生產(chǎn)的強度要求。兩圓孔下圓柱面上承載后合位移呈拋物線，越往底面位移變形越小。傳感器底座的最大位移值為0.725×10-8mm，該值很小，因此，本案例設(shè)計的張力檢測傳感器底座能夠滿足現(xiàn)場生產(chǎn)的剛度要求。

4結(jié)論：以32t×28.5m雙梁吊鉤橋式起重機為例，采用SolidWorks軟件建立了相應(yīng)的起重機橋架的三維模型，為雙梁橋式吊鉤起重機的設(shè)計和后續(xù)分析提供了基礎(chǔ)。采用SolidWorks軟件中的靜態(tài)分析模塊對相應(yīng)的模型在滿載小車位于橋架的中部這種工況下進行了結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，得出了在這種工況下橋架的總體垂直位移分布圖、總體水平位移分布圖及總體應(yīng)力分布圖，找到了相應(yīng)的總體位移分布規(guī)律和總體應(yīng)力分布規(guī)律，相應(yīng)的起重機橋架的垂直位移、水平位移以及Von Mises應(yīng)力的最大值均小于相應(yīng)的許用值，這表明該起重機橋架能夠滿足使用要求。該案例為橋式起重機的設(shè)計、運行及維護提供了重要的參考依據(jù)。

選擇ANSYS軟件，對構(gòu)建的三維模型進行有限元分析，得到了傳感器底座的位移圖和應(yīng)力圖。本案例設(shè)計的傳感器底座能夠滿足現(xiàn)場生產(chǎn)的強度和剛度要求。

通過案例分析，可以滿足對學(xué)生應(yīng)具有一定的Solidworks軟件應(yīng)用能力的要求，使學(xué)生熟悉SolidWorks軟件在解決實際工程問題中的應(yīng)用過程。應(yīng)用ANSYS軟件對傳感器底座進行分析，能夠滿足對學(xué)生具有一定的ANSYS軟件應(yīng)用能力的要求，使學(xué)生更加明確如何將SolidWorks軟件與ANSYS軟件相結(jié)合以解決工程實際問題。選擇SolidWorks軟件和ANSYS軟件融入現(xiàn)代設(shè)計方法課程多媒體教學(xué)中，直觀感可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，動態(tài)及場景能夠豐富課堂教學(xué)手段，提高教學(xué)效果。提高了學(xué)生的機械設(shè)計能力和綜合分析應(yīng)用能力，培養(yǎng)了學(xué)生的工程應(yīng)用素養(yǎng)，使學(xué)生能夠更好地與企業(yè)接軌。

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