《機械CAD-CAM上機指導(dǎo)及練習(xí)教程》課件第6章

第6章計算機輔助工程分析6.1有限元分析6.2機構(gòu)運動分析6.3計算機輔助工程分析練習(xí)題6.1有?限?元?分?析6.1.1有限元分析概述有限元分析已成為產(chǎn)品設(shè)計過程中計算機工程輔助分析的基本方法之一，它在解決一些如計算和校驗零、部件的強度、剛度等最基本問題時得到了廣泛的應(yīng)用。作為一種十分有效的數(shù)值分析方法，有限元分析的基本思想是把所分析的結(jié)構(gòu)或零件假想地分割成由有限個單元所組成的組合體，根據(jù)一定的精度要求，用有限個參數(shù)來描述各單元體的力學(xué)特性，而整個結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性就是構(gòu)成它的全部單元體的力學(xué)特性的總和?；谶@一原理及各種物理量的平衡關(guān)系可建立起彈性體的剛度方程(即一個線性代數(shù)方程組)，通過求解該剛度方程，即可得到所需的受力、強度和剛度等參數(shù)的解。通過有限元分析能有效幫助設(shè)計者完成對設(shè)計結(jié)構(gòu)方案的分析與計算，并對計算結(jié)果按強度、剛度和穩(wěn)定性等方面進行分析和比較，通過改進和補充，得到應(yīng)力、變形分布合理同時經(jīng)濟性較好的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。目前，有限元分析軟件已比較成熟，市面上流行的軟件大致分為以下兩類：

1．通用有限元分析軟件這類商用化的通用有限元軟件的分析功能非常強大，幾乎覆蓋了所有的工程應(yīng)用領(lǐng)域。這類軟件的專業(yè)性和求解問題的能力都較強，在許多專業(yè)領(lǐng)域的分析中得到了廣泛的應(yīng)用。但這類軟件的使用往往需要經(jīng)過專門的學(xué)習(xí)，同時由于其分析對象來自于其它的CAD系統(tǒng)，因而往往需要與CAD系統(tǒng)之間進行模型數(shù)據(jù)的交換，給使用帶來一些不便。目前，我國工程界比較流行的大型有限元分析軟件主要有ANSYS、MSC/NASTRAN、ABAQUS、COSMOS等。

2．CAD/CAM集成軟件系統(tǒng)對于商品化的大型CAD/CAM集成系統(tǒng)(如UG、CATIA和I-DEAS等)，目前均已將有限元分析軟件集成在系統(tǒng)內(nèi)部，使其成為CAD/CAM集成系統(tǒng)的基本功能和重要組成部分。在這類集成系統(tǒng)中，有限元分析模塊和幾何造型模塊之間可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無縫連接，并提供了方便的前、后置處理功能，使用起來十分方便。本節(jié)以UGNX有限元分析模塊為基礎(chǔ)，介紹有限元分析應(yīng)用的一般方法與過程。6.1.2UG有限元分析環(huán)境

UG有限元分析模塊中集成了多個有限元求解器，包括結(jié)構(gòu)P.E.、NASTRAN、ANSYS和ABAQUS。該模塊可以進行多種分析，包括線性靜力學(xué)分析、普通建模、線性振動、間隙配合、模態(tài)分析和穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)等。

1．有限元分析模塊(以UGNX2.0為藍本)在UG主菜單中選擇菜單欄中的“應(yīng)用”→“結(jié)構(gòu)分析”命令，如圖6.1所示，系統(tǒng)將打開有限元分析功能菜單和結(jié)構(gòu)分析導(dǎo)航器窗口(也稱場景導(dǎo)航窗口)，其中包括了有限元場景名稱、類型、狀態(tài)、環(huán)境參數(shù)的設(shè)置。同時，在導(dǎo)航器窗口中也包括一些有限元分析的主要參數(shù)，如網(wǎng)格的劃分、載荷、邊界條件模型材料和分析任務(wù)等參數(shù)。導(dǎo)航器窗口如圖6.2所示。圖6.1有限元分析菜單圖6.2導(dǎo)航器窗口

2．有限元分析工具欄有限元分析工具欄共有五個部分，分別是結(jié)構(gòu)、有限元模型、編輯網(wǎng)格、模型準備、結(jié)構(gòu)控制，如圖6.3所示。圖6.3功能工具欄6.1.3UG有限元分析的基本解法與步驟

1.有限元分析場景建立在UG主菜單中選擇菜單欄中的“應(yīng)用”→“結(jié)構(gòu)分析”命令，進入有限元分析模塊，三維零件模型將被加載到有限元分析導(dǎo)航器窗口中。用鼠標右鍵單擊該模型，系統(tǒng)將打開一個快捷菜單，選擇“新方案”命令，如圖6.4所示，將創(chuàng)建一個新的有限元分析場景。在創(chuàng)建一個新的有限元分析場景時，系統(tǒng)會自動創(chuàng)建一個有限元分析模型。圖6.4導(dǎo)航器窗口的快捷菜單一個三維零件主模型可以創(chuàng)建多個有限元分析場景，從而實現(xiàn)不同方案的有限元分析。

2.有限元分析場景的編輯場景建立之后，隨時可對它進行編輯。在導(dǎo)航器窗口中用鼠標右鍵單擊新創(chuàng)建的場景，將打開快捷菜單，如圖6.5所示，可在此對有限元分析場景進行保存、改名、刪除、復(fù)制以及創(chuàng)建報告等操作。圖6.5有限元分析場景的快捷菜用鼠標右鍵單擊有限元分析模型(如圖6.6所示)，將打開快捷菜單，可以利用該快捷菜單創(chuàng)建各種參數(shù)，如圖6.7所示。圖6.6有限元分析模型圖6.7快捷菜單

3.網(wǎng)格的劃分網(wǎng)格的劃分是進行有限元分析的基礎(chǔ)。有限元網(wǎng)格劃分的類型有0D(點)、1D(線)、2D(面)、3D(體)以及連接的網(wǎng)格。網(wǎng)格的劃分方式可根據(jù)模型的幾何形狀確定。“有限元模型”和“編輯網(wǎng)格”的工具欄如圖6.8所示。圖6.8“有限元模型”和“編輯網(wǎng)格”的工具欄

1)實體網(wǎng)格的劃分單擊“實體網(wǎng)格”圖標，將打開如圖6.9所示的“3D網(wǎng)格”對話框。選擇要進行網(wǎng)格劃分的實體，相應(yīng)的“3D網(wǎng)格”參數(shù)設(shè)置對話框?qū)⒈患せ睢?/p>

“類型”下拉列表框：用于設(shè)置創(chuàng)建的網(wǎng)格單元體的類型，包括“四節(jié)點四面體單元”和“十節(jié)點四面體單元”。

“全局單元尺寸大小”文本框：用于調(diào)節(jié)四面體單元的邊長，以控制整個四面體的尺寸。單擊后面的圖標，系統(tǒng)將選出一個綜合考慮的數(shù)值。

“TransitionEdgeSeeding”復(fù)選框：選中該選項時，可以在不規(guī)則的邊緣上插入節(jié)點，從而使得到的模型更加符合實際情況。

“預(yù)覽”按鈕：按下該按鈕，可以在改變參數(shù)時動態(tài)觀察網(wǎng)格劃分的情況。

“中節(jié)點”下拉列表框：用于設(shè)置中節(jié)點的方式，有混合、彎曲和線性3種。

“最大雅可比矩陣值”文本框：用于設(shè)置創(chuàng)建網(wǎng)格時雅可比矩陣的最大值。創(chuàng)建一個網(wǎng)格劃分類型為四節(jié)點四面體單元的實體網(wǎng)格，其效果如圖6.10所示。圖6.9“3D網(wǎng)格”對話框圖6.10創(chuàng)建網(wǎng)格劃分

2)片體網(wǎng)格的劃分片體網(wǎng)格的劃分主要用于薄壁件、鈑金件的劃分。在“有限元模型”工具欄中單擊圖標，將打開如圖6.11所示的“2D網(wǎng)格”對話框。選擇要進行網(wǎng)格劃分的片體，“2D網(wǎng)格”參數(shù)設(shè)置對話框?qū)⒈患せ?。圖6.11“2D網(wǎng)格”對話框

“類型”下拉列表框：用于設(shè)置創(chuàng)建的網(wǎng)格單元體的類型，包括“三節(jié)點四邊形板元”、“四節(jié)點四邊形板元”、“六節(jié)點四邊形板元”和“八節(jié)點四邊形板元”。

“全局單元尺寸大小”文本框：用于調(diào)節(jié)四面體單元的邊長，以控制整個四面體的尺寸。單擊后面的圖標，系統(tǒng)將選出一個綜合考慮的數(shù)值。

“選擇內(nèi)部硬點”按鈕：按下該按鈕，可以在片體上插入節(jié)點，從而使得到的模型更加符合實際情況。其余選項與實體網(wǎng)格的劃分大致相同。

4.添加載荷單擊“載荷”圖標，將打開如圖6.12所示的“載荷”對話框。

“LoadGroup”文本框：用于確定要創(chuàng)建的載荷的名稱。

“類型”下拉列表框：用于選擇創(chuàng)建載荷的類型，有力、NormalPressure(法向壓力)、重力、壓力、Moment、邊界剪切、力矩、軸承載荷、Centrifugal(離心力)和TemperatureLoad(溫度載荷)等10種。

“應(yīng)用于”下拉列表框：用于設(shè)置載荷的目標對象，選擇要添加載荷的對象。

分量形式下拉列表框：如圖6.13所示，共有5種用于設(shè)置載荷大小和方向的不同坐標系或方法。①?XYZ分量：要求在XYZ分量上輸入數(shù)值以確定載荷的大小和方向。②?RTZ分量：要求在RTZ分量上輸入數(shù)值以確定載荷的大小和方向。③?RTP分量：要求在RTP分量上輸入數(shù)值以確定載荷的大小和方向。④垂直于：要求在垂直于某個面的方向輸入數(shù)值以確定載荷的大小。⑤沿邊界：要求沿著某個邊界方向輸入數(shù)值以確定載荷的大小。圖6.12“載荷”對話框圖6.13分量形式

“單位”下拉列表框：當(dāng)選取不同載荷類型后，單位的選擇項也發(fā)生變化。

5.邊界條件和材料的添加邊界條件用來約束零件在各個方向的自由度。必須給模型一定的邊界條件來約束某個方向的自由度，這樣才能夠進行有限元分析。

1)邊界的創(chuàng)建圖6.14“邊界條件”對話框單擊“邊界”圖標，打開如圖6.14所示的“邊界條件”對話框。

“類型”下拉列表框：該框用于選擇限制自由度的類型，有平移／旋轉(zhuǎn)、平移和旋轉(zhuǎn)。

“應(yīng)用于”下拉列表框：用于選擇自由度約束的對象類型，有面、點、邊界和曲線四種類型。

“標準類型”區(qū)域：用于選擇約束對象的條件，包括“用戶自定義”、“固定的”、“簡支”和“對稱”。

分量形式列表框：用于在不同的坐標形式下設(shè)置各個坐標分量的約束。

“位移”、“旋轉(zhuǎn)”：用于設(shè)置限制平移、旋轉(zhuǎn)自由度的大小。

“位移單位”、“旋轉(zhuǎn)單位”：用于設(shè)置限制平移、旋轉(zhuǎn)自由度時的單位。圖6.14“邊界條件”對話框

2)材料特性的添加單擊“材料”圖標，將打開如圖6.15所示的“材料”對話框，在該對話框中可以對材料的參數(shù)進行設(shè)置。也可從材料庫中選擇材料，單擊圖標，通過“搜索關(guān)鍵字”打開材料選擇對話框，如圖6.16所示。在材料庫中選擇材料后，即可直接確定并調(diào)用材料的特性，如圖6.17所示。圖6.15“材料”對話框圖6.16“搜索結(jié)果”對話框圖6.17被選中的Iron_40的部分力學(xué)性能

6．有限元分析任務(wù)的創(chuàng)建在有限元模型創(chuàng)建完后，用戶可以通過創(chuàng)建一個分析任務(wù)，來確定要進行分析的內(nèi)容，并把模型的參數(shù)和處理任務(wù)的數(shù)據(jù)提交給分析器。在“結(jié)構(gòu)控制”工具欄中單擊圖標，將打開如圖6.18所示的建立有限元分析的“解算”對話框，在該對話框中可進行指定打印輸出、適應(yīng)性分析、疲勞分析選項設(shè)置等。單擊其中的“指定打印輸出”按鈕，可選擇打印輸出的數(shù)據(jù)類型和文件夾位置，如圖6.19和圖6.20所示。圖6.18“解算”對話框圖6.19輸出類型圖6.20輸出文件夾位置

7.有限元分析的后處理創(chuàng)建好的有限元分析任務(wù)在進行解算后，所生成的數(shù)據(jù)文件保存在相應(yīng)的文件夾里，后處理是指調(diào)用計算的結(jié)果數(shù)據(jù)，將其進行可視化顯示和輸出。單擊圖標，進入有限元分析結(jié)果查看界面，系統(tǒng)將以不同的方式顯示分析結(jié)果，用不同的顏色顯示數(shù)值的大小，如圖6.21所示。同時系統(tǒng)彈出后處理結(jié)果菜單，如圖6.22所示，通過該菜單可選擇不同的后處理視圖數(shù)據(jù)類型和顯示方式。圖6.21有限元分析結(jié)果圖6.22“結(jié)果”菜單圖6.23“云圖”對話框圖6.24“動畫設(shè)置”對話框

(4)視圖：用于控制用不同視圖來顯示模型。單擊該按鈕，將打開“視圖”對話框，如圖6.25所示。在該對話框中提供了各種按鈕，可使用戶方便地觀察有限元分析的結(jié)果。

(5)顯示：提供了模型的各種圖形顯示選項，包括色彩、透明度的選擇，也可管理變形和無變形的分析結(jié)果顯示，以及渲染、照明、模態(tài)、標題等的顯示，如圖6.26所示。

圖6.25“視圖”對話框圖6.26“顯示”對話框

(6)提取數(shù)據(jù)類型：分析結(jié)構(gòu)中包含各類數(shù)據(jù)，該選項用于選擇提取某類數(shù)據(jù)進行后置處理，使其顯示出來，同時也可對分析結(jié)果數(shù)值進行按比例放大或縮小。分析結(jié)果的“類型”對話框如圖6.27所示。其中可設(shè)置載荷工況/模式、分析結(jié)果數(shù)據(jù)類型、分析結(jié)果分量(組件)等。

(7)比較：比較分析方案與結(jié)果。對于同一主模型，可建立不同分析條件(約束、載荷、材料及網(wǎng)格等)的多個分析方案，產(chǎn)生不同的分析結(jié)果。該功能可同時打開兩個窗口分別顯示不同的分析結(jié)果，進行不同方案比較。

(8)退出：退出后置處理。圖6.27“類型”對話框

8．分析數(shù)據(jù)的輸出

(1)硬拷貝。在“結(jié)果”對話框中單擊圖標，將打開“硬拷貝”對話框，如圖6.28所示。在對話框中選取相應(yīng)的輸出文件名，并指定基本格式，系統(tǒng)即可將屏幕結(jié)果輸出并保存到該圖形文件中。

(2)創(chuàng)建報告。單擊?圖標，即可將分析的結(jié)果以網(wǎng)頁形式顯示出來，并在分析導(dǎo)航器中顯示該報告，如圖6.29所示。圖6.28“硬拷貝”對話框圖6.29創(chuàng)建報告6.1.4UG有限元分析實例本節(jié)將完成圖6.30所示的彎板零件的有限元分析。該零件材料為鋼，上表面四個安裝孔工作時由螺釘固定，沿圖示中心孔邊緣存在向下的均布作用載荷(30N)。圖6.30零件圖有限元分析的過程與步驟如下：

(1)建立彎板零件的三維造型模型。

(2)在菜單欄中選擇“應(yīng)用”→“結(jié)構(gòu)分析”，進入有限元分析模塊，新建一個分析場景。

(3)設(shè)置分析環(huán)境。在“結(jié)構(gòu)分析”工具欄中單擊“環(huán)境”圖標，將彈出“環(huán)境”對話框，如圖6.31所示。其中：在“分析”下拉列表框中選擇“結(jié)構(gòu)的”；在“求解器”下拉列表框中選擇“結(jié)構(gòu)P.E”。圖6.31“環(huán)境”對話框

(4)創(chuàng)建網(wǎng)格。在“有限元模型”工具欄中單擊“3D網(wǎng)格”圖標，選擇剛才創(chuàng)建的模型，在打開的“3D網(wǎng)格”對話框的“類型”下拉列表框中選擇十節(jié)點四面體單元，設(shè)置“全局單元尺寸大小”為系統(tǒng)優(yōu)化值，單擊“確定”按鈕，創(chuàng)建的網(wǎng)格如圖6.32所示。(注意：該零件也可采用2D網(wǎng)格，請讀者自行考慮。)

(5)創(chuàng)建邊界。在“結(jié)構(gòu)分析”工具欄中單擊“邊界”圖標，選擇頂面上四個孔的邊緣為約束面，“標準類型”為“固定的”，如圖6.33所示。圖6.32創(chuàng)建網(wǎng)格圖6.33創(chuàng)建邊界

(6)創(chuàng)建載荷。在“結(jié)構(gòu)分析”工具欄中單擊“載荷”圖標，在打開的如圖6.34所示的“載荷”對話框中選擇“類型”為“力”，再選擇中間方孔的邊緣，在“Fz”文本框中輸入-30。圖6.34創(chuàng)建載荷

(7)添加材料。在“結(jié)構(gòu)分析”工具欄中單擊“材料”圖標，打開“材料”對話框，如圖6.15所示。單擊“材料庫”按鈕，在材料庫中選擇鋼(STEEL)，系統(tǒng)在“材料”對話框中將顯示該材料的屬性，如圖6.35所示。單擊“確定”按鈕，便完成材料的添加。圖6.35添加材料

(8)解算。在“結(jié)構(gòu)控制”工具欄中單擊“解算”圖標，在打開的“解算”對話框中編輯解法參數(shù)后，單擊“確定”按鈕，進行解算。

(9)查看后處理分析結(jié)果。在“結(jié)構(gòu)控制”工具欄中單擊“后處理”圖標，進入后處理分析結(jié)果觀察環(huán)境，可選擇各種不同的分析結(jié)果進行觀察分析。圖6.36所示為其中應(yīng)力狀態(tài)和變形狀況的顯示。圖6.36分析結(jié)果6.2機構(gòu)運動分析6.2.1機構(gòu)運動分析概述機構(gòu)運動分析可以使原來在二維圖紙上難于表達和設(shè)計的運動變得非常直觀和易于修改，并且能夠大大簡化機構(gòu)的設(shè)計開發(fā)過程，縮短開發(fā)周期，減少開發(fā)費用，同時提高產(chǎn)品的質(zhì)量。目前，機構(gòu)運動分析可以對分析的機構(gòu)添加運動副、驅(qū)動器而使其運動起來，實現(xiàn)機構(gòu)的運動仿真，并可運用后處理功能查看當(dāng)前機構(gòu)的運動，對機構(gòu)進行運動軌跡、位移、運動干涉情況的分析。

1)機構(gòu)運動分析的工作過程建立機構(gòu)運動分析的工作過程總體上可分成四個部分：零件造型和創(chuàng)建機構(gòu)裝配體，前處理，機構(gòu)運動解算，后處理。前處理包括在三維模型構(gòu)件上設(shè)置連桿、運動副和機構(gòu)載荷。機構(gòu)運動解算則利用分析解算器對輸入數(shù)據(jù)進行處理運算，生成內(nèi)部的輸出數(shù)據(jù)文件。后處理階段是指解釋解算器的內(nèi)部輸出數(shù)據(jù)和把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成動畫顯示數(shù)據(jù)、圖表數(shù)據(jù)和報表數(shù)據(jù)的過程。圖6.37是機構(gòu)運動分析的工作流程圖。圖6.37機構(gòu)運動分析的工作流程圖

2)機構(gòu)分析的特點機構(gòu)是由構(gòu)件組合而成的。其中，每個構(gòu)件都以一定的方式至少與另一個構(gòu)件相連接，這種連接既使兩構(gòu)件直接接觸，又使兩構(gòu)件能產(chǎn)生一定的相對運動。機構(gòu)分析的過程與零件裝配的過程極為相似，但也有其特點。機構(gòu)分析與零件裝配的相似點包括：①兩者皆利用“元件放置”對話框連接或安裝零部件；②裝配和子裝配之間的關(guān)系相同，系統(tǒng)將連接信息保存在裝配文件中。機構(gòu)分析與零件裝配的不同之處在于：①創(chuàng)建機構(gòu)應(yīng)用“元件放置”對話框的“連接”功能來連接機構(gòu)中的各個構(gòu)件，而零件裝配直接在“元件放置”對話框中通過定義裝配約束來安裝各個零部件；②由零件裝配得到裝配體，其內(nèi)部的零部件之間沒有相對運動；而由連接得到的機構(gòu)，其內(nèi)部的構(gòu)件之間可以產(chǎn)生一定的相對運動；③創(chuàng)建機構(gòu)以后必須添加驅(qū)動器才能進行機構(gòu)運動分析。6.2.2UG運動分析的基本解法與步驟

1．運動分析場景(以UGNX4.0為藍本)在UG主菜單中選擇“起始”→“運動仿真”命令，如圖6.38所示，系統(tǒng)將進入運動仿真菜單。

在窗口右邊單擊“運動分析導(dǎo)航器”圖標，將打開如圖6.39所示的“運動導(dǎo)航器”(場景導(dǎo)航)窗口。場景導(dǎo)航窗口中包括了運動場景名稱、類型、狀態(tài)、環(huán)境等參數(shù)，還包括了主要的運動參數(shù)，如連桿、運動副、載荷(力、力矩)等。圖6.38運動仿真菜單圖6.39“運動導(dǎo)航器”窗口

2．運動分析工具欄運動分析工具欄分為五個部分，即運動、連桿及運動副、力類對象、模型準備和運動分析，如圖6.40所示。

圖6.40運動分析的五個功能菜單

3．運動分析場景建立對于用UG建立的一個三維實體模型，在打開的“運動導(dǎo)航器”窗口中用鼠標右鍵單擊該模型，在彈出的如圖6.41所示的右鍵快捷菜單中選擇“新建仿真”命令，即可創(chuàng)建一個新的運動場景。通常一個三維模型可以創(chuàng)建多個運動場景，實現(xiàn)不同的運動方案。圖6.41運動導(dǎo)航器右鍵快捷菜單在場景導(dǎo)航窗口中用鼠標右鍵單擊已創(chuàng)建的場景，將彈出如圖6.42所示的編輯運動場景快捷菜單，利用該菜單可以對運動場景進行保存、更名、刪除、復(fù)制以及運動場景參數(shù)輸出等操作。在編輯運動場景快捷菜單中選擇“環(huán)境”命令，系統(tǒng)將打開如圖6.43所示的“環(huán)境”對話框，在該對話框中可以選擇進行運動學(xué)仿真或動態(tài)仿真。圖6.42編輯運動場景快捷菜單圖6.43“環(huán)境”對話框當(dāng)創(chuàng)建一個完整運動場景并且設(shè)置好模型參數(shù)之后，就可以將該場景輸出。輸出的文件類型有ANL文件、MPEG文件、GIF文件、VRML文件或VFM可視化文件，其中ANL是UG的默認文件，在運動仿真時會自動生成。

4．連桿建立運動仿真中將運動的部件定義成連桿，單擊連桿圖標，系統(tǒng)將打開如圖6.44所示的“連桿”對話框，通過該對話框的各個功能，可對連桿進行定義。

1)建立步驟

UG提供的建立連桿的步驟是變化的：若質(zhì)量屬性為“自動”，則需三個步驟；若質(zhì)量屬性為“自定義”，則需五個步驟。

(1)選擇連桿：定義連桿幾何體。

(2)定義質(zhì)量：用于設(shè)置連桿的質(zhì)心位置及質(zhì)量大小。

(3)定義慣量：用于設(shè)置連桿的慣性力和慣性力矩的大小。

(4)初始化平移速率：用于設(shè)置連桿的初始化平移速率。

(5)初始化旋轉(zhuǎn)速率：用于設(shè)置連桿的初始化旋轉(zhuǎn)速率。

2)質(zhì)量特性選項設(shè)置連桿的質(zhì)量特性選項有三種情況：

(1)自動：由系統(tǒng)自動生成連桿的質(zhì)量特性。

(2)用戶定義：由用戶自定義連桿的質(zhì)量特性，選擇該選項后，“步驟選擇”中的和圖標將被激活，如圖6.45所示。

(3)無：無質(zhì)量特性。圖6.44“連桿”對話框(1)圖6.45“連桿”對話框(2)

3)固定連桿選項該選項將定義連桿為固定桿。此時，系統(tǒng)將自動為該連桿添加一個固定運動副。

4)連桿特性的編輯對于已建立的連桿，可對其參數(shù)進行編輯和修改。在運動導(dǎo)航器中選擇要編輯的連桿，雙擊該連桿將會出現(xiàn)連桿編輯對話框，在此可以對連桿進行參數(shù)編輯。編輯過程與設(shè)置連桿過程完全一樣，此處不再重復(fù)。5．運動副的建立與編輯圖6.46“運動副”對話框1)一般運動副的建立兩個連桿間的動力傳遞和相對運動必須通過一定的運動副連接。在UG運動模塊中，只要是兩個被定義成不同連桿的幾何體，就可以用運動副連接。單擊“連桿及運動副”圖標，將打開如圖6.46所示的“運動副”對話框。圖6.46“運動副”對話框

UG運動模塊給用戶提供了8種一般運動副類型：

(1)旋轉(zhuǎn)副。旋轉(zhuǎn)副可以設(shè)定一個活動構(gòu)件(連桿)繞某根軸和固定機架運動，也可以是兩個構(gòu)件繞某根軸線旋轉(zhuǎn)。

(2)滑動副?；瑒痈笔莾蓚€相互相連的構(gòu)件(連桿)之間的相對活動，可以是兩個構(gòu)件一起在某個平面上沿某個方向運動，且二者之間有相對運動，也可以是一個固定一個自由運動。

(3)圓柱副。圓柱副是一個構(gòu)件與另一個構(gòu)件的圓柱表面接觸，并繞軸線作相對運動，被繞著的構(gòu)件可以是固定的也可以是自由的。

(4)螺旋連接。螺旋連接實現(xiàn)了一個構(gòu)件繞另一個構(gòu)件(或機構(gòu))作相對的螺旋運動。

(5)萬向節(jié)。萬向節(jié)可以實現(xiàn)兩個構(gòu)件之間繞相互垂直的軸作相對運動。第一個構(gòu)件繞與之垂直的軸(第二構(gòu)件的)旋轉(zhuǎn)，第二個構(gòu)件也可以繞與之垂直的軸(第一構(gòu)件的)旋轉(zhuǎn)。

(6)球絞連接。球絞連接實現(xiàn)了兩個構(gòu)件相互之間作各個自由度的相對運動。

(7)平面連接。平面連接實現(xiàn)了兩個構(gòu)件相互之間以平面接觸、相互約束，在二維方向上運動。

(8)固定連接。固定連接實現(xiàn)了兩個構(gòu)件之間固定的連接，比如一般將基架設(shè)定為固定運動副。

2)建立運動副的步驟如果要建立兩個構(gòu)件間的運動副，則其步驟為：

(1)第一連桿：選擇要進行連接的第一連桿，

(2)第一連桿上的方向：設(shè)置運動副在第一連桿上的位置和方向。運動副的方向由其自由運動的方向決定。轉(zhuǎn)動副(旋轉(zhuǎn)副和柱面副)按右手螺旋法則繞運動副的坐標系的Z軸轉(zhuǎn)動。線性運動副沿Z軸移動，平面運動副可以沿XY方向移動及繞Z軸旋轉(zhuǎn)。

(3)第二連桿：選擇方法和選擇第一連桿一樣。注意：當(dāng)需要創(chuàng)建相對于第一連桿構(gòu)成運動副的連桿時，才需要選擇第二連桿。一般情況下，如果是創(chuàng)建相對“地”的運動副，則該步驟可以跳過。

(4)第二連桿的方向：當(dāng)選擇第二連桿后，該圖標自動被激活，選擇方法和選擇第一連桿的方向一樣。

3)運動副的驅(qū)動運動副的驅(qū)動是加在運動副上控制運動的運動參數(shù)。如圖6.47所示，有5種運動驅(qū)動方式。圖6.475種運動驅(qū)動方式圖6.48恒定運動驅(qū)動方式

(1)否：該運動副上沒有原始驅(qū)動。

(2)恒定的：運動驅(qū)動屬于基于時間的運動，所需參數(shù)有位移、速度和加速度，如圖6.48所示?！拔灰啤保憾x運動副的初始位置。0表示機構(gòu)建立在初始位置。對移動副，其單位為英寸或毫米；而對轉(zhuǎn)動副，其單位為度或弧度?！八俣取保憾x運動副的初始速度。對于線性速度，其單位是in/s或mm/s；對于旋轉(zhuǎn)副，其單位是°/s或rad/s。“加速度”：定義運動副的速度變化。0為勻速運動。對于線性加速度，其單位為in/s2或mm/s2；對于旋轉(zhuǎn)副，其單位是°/s2或rad/s2。

(3)諧波：諧波運動生成一個光滑的正弦運動，該運動驅(qū)動中所需參數(shù)有幅值、頻率、相位角和位移。

(4)一般：其運動函數(shù)是描述復(fù)雜運動的數(shù)學(xué)函數(shù)。當(dāng)選擇該運動驅(qū)動方式時，用戶可以輸入一個數(shù)學(xué)函數(shù)來定義運動副的運動，如圖6.49所示。②勻加速運動：加速度?=?3，速度?=?10，初位?=?5，可表示為3×TIME×TIME+10×TIME+5圖6.50所示為“函數(shù)編輯器”對話框。圖6.49“一般”驅(qū)動對話框圖6.50“函數(shù)編輯器”對話框

(5)關(guān)節(jié)仿真：設(shè)定運動副以特定的步數(shù)運動，每步的步長為所定義的距離值(旋轉(zhuǎn)或移動)。關(guān)節(jié)仿真所需參數(shù)是步長和步數(shù)。

4)運動副顯示比例該選項用于設(shè)置運動副在圖形窗口中象征符號的顯示大小，以便查看各個零件之間的關(guān)系。

5)運動副名稱該選項用于設(shè)置運動副的名稱。用戶可以直接在文本框中輸入所要的名字，默認名字是J001、J002等。

6)特殊運動副的建立齒輪/齒條副：齒輪/齒條副可以模擬齒輪和齒條之間的嚙合運動。選擇現(xiàn)有的旋轉(zhuǎn)副和滑動副，即可創(chuàng)建齒輪/齒條副，并定義傳動比，如圖6.51所示。齒輪：齒輪副可以模擬一對齒輪。選擇兩個現(xiàn)有的旋轉(zhuǎn)副，即可創(chuàng)建齒輪副，并定義這對齒輪的傳動比，如圖6.52所示。圖6.51“齒輪和齒條副”對話框圖6.52“齒輪”對話框線在線上副：線在線上副可以實現(xiàn)兩個連桿間的點接觸，常見的是兩連桿之間的凸輪關(guān)系。在線在線上副中，兩連桿中的曲線必須保持接觸且相切。線在線上副有四個自由度，選擇步驟與參數(shù)設(shè)置如圖6.53所示。圖6.53“線在線上副”對話框

7)運動副的編輯當(dāng)運動副參數(shù)設(shè)置不正確時，可以通過編輯來修改運動副及參數(shù)。此時可通過“運動導(dǎo)航器”打開編輯窗口，如圖6.54所示。圖6.54運動副的編輯

6．創(chuàng)建標記如要了解構(gòu)件上某點的機構(gòu)分析結(jié)果，如某點的位移、速度、加速度等，可以在該構(gòu)件的相應(yīng)點處創(chuàng)建一個標記，通過標記可獲取構(gòu)件上標記所在位置的機構(gòu)分析結(jié)果。菜單中選擇“插入”→“標記”或點擊圖標后，可在圖形窗口中直接選取標記所在的構(gòu)件，選取構(gòu)件后，用系統(tǒng)彈出的點構(gòu)造器在所選構(gòu)件上選擇相應(yīng)點來指定標記的位置(系統(tǒng)賦予該標記一個默認方位)；用戶也可用矢量構(gòu)造器重新定義標記的方位。選擇“確定”按鈕，將在所選構(gòu)件的指定位置處創(chuàng)建一個標記。

7．機構(gòu)載荷在運動分析時可以通過添加一定的外載荷，以使整個運動模型在真實條件下進行仿真運動。外加載荷只能設(shè)置在兩連桿之間、連桿與基架間或運動副上，可以模擬兩個零件間的彈性連接、彈簧和阻尼的狀態(tài)以及傳動力與原動力等多種零件之間的相互作用。

1)運動載荷的類型在UG運動分析中，載荷的類型有以下幾種：

(1)彈簧力：表示兩個零件之間在特定的方向上和一定的距離的狀態(tài)下相互之間的作用，相當(dāng)于在兩個連桿間或運動副上添加了一個彈簧，可以是拉伸彈簧也可以是扭轉(zhuǎn)彈簧。

(2)緩沖力：也叫阻尼力，對運動起到消耗能量、降低運動的作用。它可以添加在兩連桿之間、連桿與基架之間以及運動副上，有拉伸緩沖力和扭轉(zhuǎn)緩沖力。

(3)標量力：可以使一個連桿運動，也可以給一個處于靜止狀態(tài)的連桿加載荷，還可以作為限制和延緩連桿運動的反作用力。標量力只需設(shè)定大小。

(4)標量力矩：只能應(yīng)用于轉(zhuǎn)動副上，正的標量力矩表示添加在轉(zhuǎn)動副上繞Z軸順時針旋轉(zhuǎn)的力矩。

(5)矢量力：作用在連桿上有一定方向和大小的力，在運動分析過程中，方向在某一坐標中不變。

(6)矢量力矩：作用在連桿上的有一定的大小和方向的力矩。

(7)彈性襯套力：表示兩個零件之間在特定的方向上和一定的距離的狀態(tài)下相互之間的作用，是拉伸彈簧和扭轉(zhuǎn)彈簧的組合，起到力和力矩的效果。

(8)

3D接觸：利用3D接觸功能，可建立連桿與曲面之間的接觸模型?？梢允俏矬w和靜止物體之間的碰撞，也可以是兩個運動物體的碰撞。

(9)

2D接觸：是指在二維平面上的接觸功能。2D接觸既有曲線上運動副的特點，也有碰撞載荷的特點，用于設(shè)置連桿上兩條平面曲線之間的碰撞載荷。

2)運動載荷的創(chuàng)建下面以彈簧力的創(chuàng)建為例，說明載荷的創(chuàng)建過程，其余載荷的創(chuàng)建方法大致相同。在“機構(gòu)載荷”工具欄中單擊圖標，將打開如圖6.55所示的“彈簧”對話框，選擇彈簧力附著的類型，即是作用在連桿上還是作用在運動副上，分別對兩種狀況設(shè)置彈簧參數(shù)，如圖6.55和圖6.56所示，輸入相應(yīng)的彈簧參數(shù)。對拉伸彈簧，其參數(shù)有自由長度和彈簧剛度(也稱彈簧系數(shù))；對扭轉(zhuǎn)彈簧則有自由角度和彈簧剛度。彈簧力?=?彈簧剛度×位移?=?彈簧剛度×(自由角度?-?變形后角度)

圖6.55“彈簧”對話框(一)圖6.56“彈簧”對話框(二)

3)確定附著連桿和附著點根據(jù)不同類型，選擇彈簧附著的連桿和附著點。可通過“點構(gòu)造器”對話框來定義一個彈簧的附著點。

4)運動載荷參數(shù)的編輯當(dāng)載荷的設(shè)置不符合要求或因其他原因需要改動時，需對載荷進行編輯。單擊“運動”工具欄中的圖標，打開“根據(jù)類型選擇”對話框，如圖6.57所示。在類型中選擇“力類對象”(載荷)后，在模型窗口中選擇某一載荷，就可以對其進行編輯。圖6.57“根據(jù)類型選擇”對話框

8．運動仿真分析

UG的運動分析運算求解是利用ADAMS解算器對輸入數(shù)據(jù)進行處理運算，生成內(nèi)部的輸出數(shù)據(jù)文件，其后處理功能是解釋ADAMS的內(nèi)部輸出數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成動畫仿真的形式顯示分析結(jié)果，因此，也稱之為運動仿真。

1)運動分析仿真過程

(1)運動仿真。單擊圖標，將打開創(chuàng)建運動仿真的“分析選項”對話框，如圖6.58所示。靜力平衡分析：意味著模型處于靜止的狀態(tài)，在靜止狀態(tài)下整個機構(gòu)受重力的作用。如圖6.59所示的“靜力平衡”對話框。靜力/動力分析：此時“時間”和“步數(shù)”文本框被激活，用來分別輸入仿真分析的時間和指定時間內(nèi)機構(gòu)瞬間狀態(tài)位置的個數(shù)。圖6.58“分析選項”對話框圖6.59“靜力平衡”對話框

(2)動畫仿真?！皠赢嫛睂υ捒蛉鐖D6.60所示。其主要操作有：完整過程：單擊該按鈕可以看到運動模型在設(shè)定時間和步數(shù)里的整個運動過程。單步向前：單擊該按鈕，可以看到運動模型在設(shè)定時間和步數(shù)里前進一步，以方便用戶更仔細地觀察運動過程。單步向后：單擊該按鈕，可以看到運動模型在設(shè)定時間和步數(shù)里后退一步，以方便用戶觀察上一步運動的情況。設(shè)計位置：單擊該按鈕，可以看到運動模型回到未進行運動仿真前處理的初始三維狀態(tài)。裝配位置：單擊該按鈕，可以看到運動模型回到進行運動仿真處理后的運動分析模型。跟蹤當(dāng)前位置：單擊該按鈕，可以跟蹤運動模型中在封裝中設(shè)定的對象在當(dāng)前位置的運動。跟蹤整個機構(gòu)：單擊該按鈕，可以跟蹤整個運動模型的運動，也就是對整個機構(gòu)運動過程進行復(fù)制。爆炸機構(gòu)：建立裝配爆炸圖。測量：用來測量機構(gòu)對象及點之間的距離和角度，并建立安全區(qū)域。跟蹤：跟蹤在每步分析中某個對象的運動情況。干涉：檢查運動過程中是否出現(xiàn)干涉，若出現(xiàn)干涉，將給出一定的響應(yīng)。圖6.60“動畫”對話框圖6.61“定義圖表”對話框

2)運動分析數(shù)據(jù)的輸出

(1)運動分析動畫的輸出。運動分析過程的動畫可直接輸出，輸出文件共有5種格式，如MPEG、GIF/BMP等。輸出時，可在運動場景導(dǎo)航窗口中用鼠標右鍵單擊一個運動場景點，在彈出的快捷菜單中單擊“導(dǎo)出”命令即可。

(2)運動分析結(jié)果數(shù)據(jù)的輸出。在運動分析過程中的各種數(shù)據(jù)，除了以動畫形式輸出以外，還可以以圖表形式輸出。該功能主要是利用微軟的Excel軟件功能來實現(xiàn)的。單擊按鈕，將打開如圖6.61所示的“定義圖表”對話框，設(shè)置好所有參數(shù)后，UG將自動調(diào)用Excel，將結(jié)果數(shù)據(jù)以圖表的形式在Excel中輸出。6.2.3運動分析實例完成圖6.62所示的四桿機構(gòu)運動分析。

1．建立運動分析模型

(1)建立四桿機構(gòu)的零件模型，并建立一個裝配體。圖6.62四桿機構(gòu)

(2)選擇菜單欄中的“應(yīng)用”→“運動分析”，進入運動分析模塊。在運動分析導(dǎo)航窗口中用鼠標右鍵單擊被選中模型的名字，以創(chuàng)建新方案。

(3)單擊“連桿”圖標，打開如圖6.63所示的“連桿”對話框，創(chuàng)建連桿。①選擇桿1，單擊“應(yīng)用”按鈕，創(chuàng)建連桿L001。②選擇桿2，單擊“應(yīng)用”按鈕，創(chuàng)建連桿L002。③選擇桿3，單擊“應(yīng)用”按鈕，創(chuàng)建連桿L003。

(4)單擊“運動副”圖標，打開如圖6.64所示“運動副”對話框。圖6.63“連桿”對話框圖6.64“運動副”對話框①在“運動副”對話框中選擇轉(zhuǎn)動副圖標，第一連桿選擇連桿1的內(nèi)孔表面，為確定方位，再選連桿1所在的內(nèi)孔表面。第二連桿選連桿4的內(nèi)孔圓心，如圖6.65所示。②在“運動驅(qū)動”下拉列表框中選擇“恒定的”，參數(shù)設(shè)置如圖6.66所示。

圖6.65連桿的選擇圖6.66運動驅(qū)動設(shè)置③單擊“確定”按鈕，就完成了運動副J001的建立。在窗口中顯示其象征符號，如圖6.67所示。④按上述方法，分別建立轉(zhuǎn)動副J002、J003，J004。但在建立過程中，在“運動驅(qū)動”下拉列表中選擇“無”。完成后，運動導(dǎo)航器中的結(jié)果如圖6.68所示。⑤創(chuàng)建標記。在連桿L002的頂端創(chuàng)建一個標記A009，通過標記可獲得構(gòu)件上該標記處位置的分析結(jié)果，可詳細地了解某一點的位移、速度及加速度等信息。圖6.67轉(zhuǎn)動副J001的建立

圖6.68各轉(zhuǎn)動副的建立至此，四桿機構(gòu)的運動分析模型建立完畢。所建立的機構(gòu)模型如圖6.69所示。

2．運動分析

(1)單擊“運動分析”工具欄中的圖標，將打開如圖6.70所示的“分析選項”對話框。

(2)在類型中選擇“靜力／動力分析”單選按鈕，在時間文本框中輸入1，在步數(shù)文本框中輸入20。

(3)單擊“確定”按鈕，打開如圖6.71所示的“動畫”對話框。圖6.69機構(gòu)運動分析模型圖6.70“分析選項”對話框

圖6.71“動畫”對話框

(4)單擊??按鈕，可以觀看機構(gòu)運動過程的動畫，同時可改變循環(huán)方式等設(shè)置，以觀察不同的效果。圖6.72所示為“動畫”過程。

(5)單擊??按鈕進行運動對象跟蹤，單擊按鈕，可看到跟蹤整個機構(gòu)的“動畫”過程，如圖6.73所示。

(6)當(dāng)觀看完運動全過程后，系統(tǒng)會創(chuàng)建一個ANL動畫文件，并保存在零件所在路徑中。圖6.72“動畫”過程圖6.73跟蹤整個機構(gòu)的“動畫”過程

(7)用線圖輸出分析結(jié)果。單擊按鈕，將出現(xiàn)“定義圖表”對話框，如圖6.74所示。選擇J001的位移，標記A009的位移和速度，通過位移線圖、速度線圖分析構(gòu)件J001和構(gòu)件L002上標記A009的位移和速度的運動規(guī)律。圖6.75所示為輸出的線圖。圖6.74“定義圖表”對話框圖6.75線圖輸出結(jié)果6.3計算機輔助工程分析練習(xí)題

1.有限元分析練習(xí)題

(1)槽鋼懸臂鋼梁，梁長1000mm，截面如題圖6.1所示，材料Q235。梁一端固定，另一端受向下集中力載荷(50000N)。試分析其受力及變