基于CATIA的HP500線切割機(jī)中拖板的三維建模與有限元分析

張 崢

（蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215000）

線切割機(jī)一直以來在機(jī)械加工中占有很重要的地位，主要用于加工模具以及一些形狀復(fù)雜的零件，具有加工質(zhì)量好、精度高，自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)。近年來機(jī)械加工行業(yè)對(duì)線切割機(jī)的需求量也在逐步上升。HP500線切割機(jī)屬于中走絲線切割機(jī)，機(jī)械結(jié)構(gòu)主要有床身、下拖板、中托板、上托板、工作臺(tái)、導(dǎo)軌、絲杠等組成。

隨著電腦硬件技術(shù)的發(fā)展，其運(yùn)算功能越來越強(qiáng)大，伴隨著工程分析軟件的迅速發(fā)展使得電腦輔助工程分析（Computer-Aided Engineering，CAE）的可行性提高，進(jìn)而在產(chǎn)品的開發(fā)上占有的地位愈發(fā)重要。現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品的外形日趨復(fù)雜，常常是通過電腦輔助設(shè)計(jì)（Computer-Aided Design，CAD）來進(jìn)行產(chǎn)品的開發(fā)和設(shè)計(jì)。但設(shè)計(jì)出來的產(chǎn)品是否滿足要求，機(jī)械強(qiáng)度是否足夠，都必須進(jìn)行進(jìn)一步的確認(rèn)。因此，此時(shí)電腦輔助工程分析（CAE）的作用尤為重要，可以使產(chǎn)品的開發(fā)工作更加完善，并能達(dá)到產(chǎn)品設(shè)計(jì)的最佳化。本文利用法國達(dá)索公司開發(fā)CATIA應(yīng)用軟件對(duì)HP500線切割機(jī)中拖板進(jìn)行了三維實(shí)體建模與有限元分析，實(shí)例說明了CAD/CAE工具在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和分析中的重要地位。

1 基于CATIA的三維建模

（1）三維建模方式與設(shè)計(jì)方法。CATIA建模的方式有多種，分為基于約束的建模、參數(shù)化建模、非參數(shù)化建模和混合建模。一般在工業(yè)設(shè)計(jì)中使用的比較多的是前面兩種，對(duì)于產(chǎn)品不是很復(fù)雜的多使用基于約束的建模。這種建模方法是通過尺寸驅(qū)動(dòng)或幾何位置驅(qū)動(dòng)達(dá)到設(shè)計(jì)和修改模型的目的，是CATIA中最常用的一種方法。

CATIA的基本設(shè)計(jì)方法有三種，即自上而下、自下而上和逆向設(shè)計(jì)。比較通用的是自上而下的設(shè)計(jì)方法。

（2）HP500線切割機(jī)中拖板的三維建模。HP500線切割機(jī)中拖板為鑄造件，結(jié)構(gòu)雖然復(fù)雜但是整體對(duì)稱也比較勻稱。可以采用自上而下的設(shè)計(jì)方法，通過實(shí)體命令拉伸、切除、陣列、打孔、鏡像等得到。

2 有限元分析過程

2.1 CATIA的有限元分析功能及流程

（1）CATIA有限元分析功能簡介。CATIA的工程分析功能主要包括4個(gè)模塊，分為創(chuàng)成式結(jié)構(gòu)分析模塊（Generative Structural Analysis）、高級(jí)網(wǎng)格劃分模塊（Advanced Meshing Tools）、連接分析模塊（Analysis Connections）和裝配變形公差分析（Tolerance Analysis ofDeformable Assembly）。在CATIA中可對(duì)單個(gè)零件（Part）或多個(gè)零件組裝而成的部件（Assembly）進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變和頻率分析。實(shí)現(xiàn)了在無紙化工作環(huán)境下對(duì)產(chǎn)品的工程分析，大大縮短了產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本。

（2）CATIA有限元分析流程，如圖1。①創(chuàng)建數(shù)模，并從三維實(shí)體建模模塊入有限元分析模塊。②實(shí)體的有限元網(wǎng)格劃分。③在形體上施加約束和載荷。④分析計(jì)算，解方程和生成應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果。⑤數(shù)據(jù)結(jié)果輸出，單元網(wǎng)格、應(yīng)力或變形顯示，對(duì)關(guān)心的區(qū)域可細(xì)化網(wǎng)格、重新計(jì)算。上述①～②過程是有限元分析預(yù)（前）處理，④是計(jì)算過程，⑤是有限元后處理。有限元文件的類型為CATAnalysis。

圖1CATIA有限元分析流程

2.2 有限元分析及結(jié)果

進(jìn)入有限元分析介面后，進(jìn)行對(duì)中托板添加約束和載荷以及網(wǎng)格的劃分，并進(jìn)行求解，就可以得到等效應(yīng)力圖（如圖2）和變形位移云圖（如圖3），而且可以生成工程分析報(bào)告。

圖2 等效應(yīng)力圖

圖3 變形位移云圖

3 結(jié)語

除了對(duì)中拖板進(jìn)行了有限元分析，還對(duì)床身以及其他零部件進(jìn)行了有限元分析。通過有限元分析，大大提高了生產(chǎn)效率，縮短了生產(chǎn)周期。值得一提的是在強(qiáng)度滿足的條件下，優(yōu)化了中拖板的結(jié)構(gòu)，直接減少了鑄鐵的使用材料，為產(chǎn)品的投入降低了成本。

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