Pro/MECHANICA在結構設計中的應用

吳小亞（廣州東芝白云菱機電力電子有限公司，廣東廣州510460）

Pro/MECHANICA在結構設計中的應用

吳小亞
（廣州東芝白云菱機電力電子有限公司，廣東廣州510460）

近年來，各種CAE(計算機輔助分析)軟件異軍突起，各主流三維設計軟件公司都推出了各自的CAE應用模塊，Pro/ME?CHANICA以其與三維建模模塊的無縫集成——建模模塊中的模型無需任何轉換即可直接用于Pro/MECHANICA分析而廣為稱道。以作者多年的應用經驗為基礎，并結合一個較簡單的實例對Pro/MECHANICA的應用進行簡要介紹。

Pro/MECHANICA；結構設計；計算機輔助分析

0　引言

CAE（計算機輔助分析）技術的興起，計算機能越來越多地替人們完成復雜的計算工作，并得出設計優化方案，從而降低設計工作強度、提高工作效率，加快產品開發速度和增強產品競爭力。

1　結構設計的任務

結構設計的任務可概括為：以最低的成本，最快的速度，設計出符合產品預定功能要求、壽命要求和安全要求的產品。

如設計不當，在產品中就會發生構件失效的情況，如某個零件因為強度不足而發生變形、斷裂等。構件的失效直接導致產品功能的失效，是非常嚴重的設計缺陷。在設計階段有必要對關鍵零部件的強度進行校驗，從而防止失效的發生。手工計算工作量很大，且對專業知識要求較高，而一般的工程技術人員并不具備進行復雜計算的能力；做樣機試驗又成本高，周期長。所以最好的解決之道就是通過CAE軟件進行分析，在設計之初即找出問題點加以解決，并找出最優方案，降低成本。Pro/MECHANICA與Pro/E無縫集成，在Pro/E中創建的模型可直接用于Pro/MECHANI?CA中進行分析，因而使用非常方便。

一般通過以下幾個要素來評價一個構件的合理性：

（1）強度：構件抵抗破壞的能力，即構件在工作載荷下不會被破壞；

（2）剛度：構件抵抗變形的能力，即構件在工作載荷下不會發生過大變形而失效；

（3）穩定性：構件保持原來平衡狀態的能力，即構件在工作載荷下保持原有平衡狀態，細長壓桿一般要考慮穩定性的問題；

（4）成本：成本要低，不能為了滿足前面三個要素而一味地增大尺寸或選用高性能的優質材料，從而增加成本。

2　Pro/MECHANICA的分析流程

分析前需獲取的信息：構件的詳細尺寸和構件所使用的材料的各項力學性能，實際應用中的裝配和受力情況等。

Pro/MECHANICA的分析流程：1.創建模型→2.定義單位→3.定義材料→4.定義約束→5.定義載荷→6.創建分析→7.運行分析→8.獲取結果→9.優化分析并找出最佳方案。

創建模型：按1∶1比例創建模型并簡化模型，刪除對分析結果影響不大或無關的特征，如倒圓角等。簡化特征的優點是在不影響計算結果的情況下加快MECHANICA分析的運行速度，節省工作時間，提高工作效率。

定義單位：為了便于讀解分析結果，推薦把單位設置為毫米牛頓秒（mm·N·s），這樣得出的應力單位為兆帕（MPa）。

定義材料：根據設計構件所選用的材料來定義材料，如果Pro/E自帶材料庫中沒有的材料，需要自行定義。

定義約束和定義載荷：此兩步最為關鍵，因為約束和載荷的設置，直接影響到計算結果的真實性，所以，約束和載荷的設置，務必接近構件的真實工作狀態，否則，分析結果會失真。

創建分析：創建所需的分析。利用Pro/ME?CHANICA可進行靜態、動態、模態、失穩、疲勞等多種分析。

運行分析：一般情況下使用系統的缺省設置建立靜態分析，為了使計算機快速完成分析任務，要為分析合理分配內存，分配內存大小不要超過計算物理內存容量的一半。

獲取結果：可以根據需要獲取應力、應變、位移等參數，并可通過云紋圖、等值線等顯示方式查看結果。

優化分析并找出最佳方案：可以利用Pro/ME?CHANICA的優化設計研究功能獲得最佳解決方案。

3　Pro/MECHANICA分析實例

本例對具體的操作步驟不做敘述，主要針對困擾一般技術人員的結果解讀部份做比較詳細的介紹，如對具體操作步驟有興趣的讀者可以參考參考文獻[1]或其他相關書籍。

下面，以一個額定載荷為10 t（約100 000 N）的吊機的支柱為例，對Pro/MECHANI?CA的應用進行簡要介紹。吊機支柱為鋼結構，材料為碳素結構鋼Q235-A。其屈服強度σs≥235 MPa，抗拉強度σb≥400 MPa。要求吊機支柱安全系數大于4，位移不超過10mm。其尺寸如圖1所示。

圖1　吊機支柱外形

建模并定義材料為鋼，約束為底部完全固定，由于吊機兩邊都有支柱，故單邊支柱載荷為50 000N（施加載荷前定義好載荷區域）。定義好約束和載荷后的模型如圖2。以系統默認方式建立靜態分析并運行分析，分析時間的長短視分析類型、模型的復雜程度和計算機的配置而定。短則幾十秒，長則幾個小時。

分析完成后獲取結果如圖3和圖4所示。

在本實例中，需要獲取的數據是范氏等效應力和位移。從分析結果可以看出，此吊機支柱的最大應力為65.06MPa（可以通過信息菜單→模型最大值進行查看），主要集中在載荷施加區域，柱身的最大應力為16.64MPa，而其他大部分區域的應力小于16.64MPa，各部分最大應力都遠遠小于Q235-A鋼的抗拉強度400 MPa。安全系數=400/ 65.06≈6.1。最大位移為5.905mm，位于吊機支柱的支撐部位。從分析結果可以得出結論：安全系數大于4，位移不超過10mm，完全滿足設計預期要求。

由于本吊機支柱屬于較典型的壓桿，有必要對其穩定性（Buckling）進行分析。穩定性分析的關鍵是找出失穩臨界載荷和構件發生屈曲時的模態形狀。Pro/MECHANICA通過求解“失穩載荷因子”，通過下式來計算失穩臨界載荷：

失穩臨界載荷=失穩載荷因子×靜態分析中施加的載荷大小

圖2　約束和載荷的施加

圖3　應力云紋圖

圖4　位移云紋圖

在失穩分析中，通常只需著重關注一階失穩即可。下面來求解并解讀其穩定性方面的數據。

分析結果如圖5所示。

從分析結果中可知，失穩載荷因子等于6.155，由于靜態分析中施加的載荷大小為50 000 N，從而可得失穩臨界載荷等于6.155×50 000= 307 750N，也就是說，當載荷超過307 750N時，此構件會失穩，工作中必須確保最大載荷不超過307 750 N，并留有一定的安全余量。圖5中的變形形狀即是一階失穩后的變形形狀。

圖5　一階失穩分析結果

4　結束語

從上面的介紹可知，只需要一些基本的力學知識，就可以利用Pro/MECHANICA來完成一些復雜零件的結構設計和分析工作。原本非常專業的計算工作變的如此簡單、快捷，且計算結果能直觀地在圖形上反映，方便實用。

［1］二代龍震工作室.Pro/MECHANICAWildfire 3.0/4.0結構/熱力分析［M］.北京：電子工業出版社，2008.

(編輯：向飛)

Application of Pro/MECHANICA in Structure Design

WU Xiao-ya
（Guangzhou TOSHIBA Baiyun RYOKIPower Electronics Co.，Ltd.，Guangzhou510460，China）

In recentyears，various CAE(Computer Aided Engineering)software rose，eachmainstream of 3D design software companies have launched their own CAE applicationmodules，Pro/MECHANICA known as its seam less integration with 3Dmodelingmodule，that model inmodelingmodulewithoutany transformation isapplied to the analysisof Pro/MECHANICA directly.Based on yearsofexperience in applications，combined with a simpleexample，this paperbriefly described theapplication of Pro/MECHANICA.

Pro/MECHANICA；structure design；computer aided engineering

TP391.7

A

1009－9492(2015)06－0121－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.06.033

2015－01－17

吳小亞，男，1981年生，湖南婁底人，大學本科。研究領域：變頻器結構設計。已發表論文1篇。