ANSYS在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

何陽(yáng)

（湖南省農(nóng)林工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究總院 湖南長(zhǎng)沙 410000）

ANSYS在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

何陽(yáng)

（湖南省農(nóng)林工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究總院 湖南長(zhǎng)沙 410000）

本文分析了機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)內(nèi)容以及設(shè)計(jì)技術(shù)，希望能夠?qū)ψx者提供一些借鑒和參考。

機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；內(nèi)容；技術(shù)

1 前言

當(dāng)前，我國(guó)機(jī)械行業(yè)快速發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，這對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

2 機(jī)械設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)控制的基本內(nèi)容

現(xiàn)代化機(jī)械制造企業(yè)已經(jīng)不適合再使用以前的機(jī)械設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，需要在之前標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上做出很大的更新，這是必須面臨的形勢(shì)。因?yàn)槲覈?guó)整體生產(chǎn)方式由粗獷開(kāi)放型轉(zhuǎn)向細(xì)致加工型，朝著現(xiàn)代化方向更進(jìn)，機(jī)械設(shè)計(jì)制造也應(yīng)當(dāng)面臨更高的要求，同時(shí)還要體現(xiàn)出環(huán)保理念。因此機(jī)械設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，主要通過(guò)兩個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。

在機(jī)械設(shè)計(jì)及安全標(biāo)準(zhǔn)方面，樹(shù)立機(jī)械設(shè)計(jì)安全理念。①保障設(shè)備安全及其科技先進(jìn)性，使用符合或者過(guò)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械設(shè)備，引入科學(xué)方式進(jìn)行維護(hù)，保證其機(jī)械裝備正常服役年限。②機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)生產(chǎn)的原材料必須堅(jiān)固可靠，預(yù)防在運(yùn)行中可能對(duì)工作人員或設(shè)備自身產(chǎn)生傷害，提高機(jī)械設(shè)備的安全性。③設(shè)計(jì)師要重視對(duì)機(jī)械安全事故的評(píng)析，對(duì)發(fā)生過(guò)的機(jī)械事故案例整合學(xué)習(xí)，對(duì)機(jī)械設(shè)備之外的安全問(wèn)題發(fā)出警示警告，對(duì)操作人員進(jìn)行人性化、安全性提示。④機(jī)械設(shè)計(jì)需要體現(xiàn)以人為本的理念，需要不斷進(jìn)行簡(jiǎn)單化、智能化，避免工作人員在具體操作中出現(xiàn)使用疲勞的現(xiàn)象。

在機(jī)械設(shè)計(jì)綠色設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)方面。現(xiàn)代企業(yè)設(shè)計(jì)必須具有環(huán)保理念，否則絕對(duì)不會(huì)長(zhǎng)期持續(xù)發(fā)展下去，被政府或者其他綠色機(jī)械制造企業(yè)所取締。這也是我國(guó)現(xiàn)代市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制、資源整合的要求。綠色設(shè)計(jì)產(chǎn)品理念，也是現(xiàn)代化機(jī)械制造應(yīng)當(dāng)貫徹的機(jī)械設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。綠色設(shè)計(jì)在機(jī)械產(chǎn)品中分為三大類(lèi)：

（1）資源屬性綠色設(shè)計(jì)；

（2）生態(tài)環(huán)境屬性綠色設(shè)計(jì)；

（3）對(duì)人健康影響的基本屬性。綠色設(shè)計(jì)理念，貫穿機(jī)械設(shè)計(jì)的始終，在各個(gè)階段都有不同的綠色設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

在物料準(zhǔn)備階段，機(jī)械設(shè)計(jì)初期就必須體現(xiàn)綠色環(huán)保的觀念。選擇材料時(shí)，優(yōu)選無(wú)公害、環(huán)境友好、沒(méi)有污染、能夠循環(huán)利用的材料。堅(jiān)決抵制高污染原材料的使用。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，需要保障設(shè)計(jì)產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)產(chǎn)品使用材料也應(yīng)當(dāng)體現(xiàn)出節(jié)約成本特點(diǎn)，降低物料使用量。具體的設(shè)計(jì)，壓縮機(jī)械設(shè)計(jì)產(chǎn)品的質(zhì)量體積，極少零部件的使用，以保障質(zhì)量、減少成本的策略實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的綠色環(huán)保。在機(jī)械制造階段，減少“三廢”排放，降低操作難度，提高對(duì)資源的利用率。在產(chǎn)品使用階段，通過(guò)對(duì)外包裝以及消費(fèi)情況的控制，展現(xiàn)綠色設(shè)計(jì)理念。包裝方面除了便于搬運(yùn)拆卸，還應(yīng)減少使用包裝材料，對(duì)消費(fèi)者，也應(yīng)當(dāng)提出環(huán)保使用的建議，在包裝上進(jìn)行重點(diǎn)提醒。

3 機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)中的技術(shù)

機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)中的技術(shù)，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，分別是有限元建模技術(shù)和ANSYS軟件技術(shù)，對(duì)其做如下分析：

3.1 元建模技術(shù)

機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜、繁瑣的工作，將有限元做為設(shè)計(jì)建模的理論基礎(chǔ)，積極分析機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。有限元建模技術(shù)，促使機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，趨向于真實(shí)的求解區(qū)域，可以將機(jī)械動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的不同單元體，組合到同一個(gè)求解區(qū)域內(nèi)，規(guī)劃出機(jī)械產(chǎn)品所需的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，有限元建模技術(shù)根據(jù)幾類(lèi)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，模擬可能使用的幾何形狀，體現(xiàn)數(shù)值分析方法的優(yōu)勢(shì)。有限元建模技術(shù)在機(jī)械動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)中，需要注重單元函數(shù)的求解過(guò)程，得出未知函數(shù)的準(zhǔn)確表達(dá)。

3.2 SYS軟件技術(shù)

ANSYS軟件降低了機(jī)械動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)中的計(jì)算難度，提供可靠的操作和計(jì)算。ANSYS軟件，能夠根據(jù)機(jī)械產(chǎn)品動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的需求，規(guī)劃出問(wèn)題的范疇，在此基礎(chǔ)上輔助構(gòu)建有限元，優(yōu)化機(jī)械產(chǎn)品動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的步驟。ANSYS軟件技術(shù)中，可以根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)的優(yōu)化需求，引入CAD軟件，完善計(jì)算數(shù)據(jù)的使用。ANSYS軟件技術(shù)，廣泛應(yīng)用在交通、家電等行業(yè)的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，清晰的反饋設(shè)計(jì)結(jié)果，表達(dá)機(jī)械產(chǎn)品的非線性動(dòng)態(tài)變化，有利于提升動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，消除潛在的設(shè)計(jì)誤差。

4 有限元技術(shù)的應(yīng)用

4.1 單元類(lèi)型

架橋機(jī)主梁由多個(gè)空間梁?jiǎn)卧M成，并焊接在一起，對(duì)于主梁型鋼結(jié)構(gòu)，抽象為比較理想的剛接或鉸接桿系結(jié)構(gòu)，按照梁?jiǎn)卧獙?duì)架橋機(jī)主梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)荷載情況，根據(jù)杠桿原理，處理?xiàng)U件節(jié)點(diǎn)載荷!同時(shí)，合理劃分機(jī)械設(shè)計(jì)模型網(wǎng)格，確保機(jī)械設(shè)計(jì)的科學(xué)性和精度，網(wǎng)格數(shù)量對(duì)于機(jī)械設(shè)計(jì)規(guī)模和計(jì)算精度有著直接的關(guān)系，機(jī)械設(shè)計(jì)精度隨著網(wǎng)格數(shù)量的增多而不斷提高，但是這樣會(huì)增加計(jì)算量，綜合考慮網(wǎng)格數(shù)量和機(jī)械設(shè)計(jì)精度，在確保機(jī)械設(shè)計(jì)精度的基礎(chǔ)上，最大程度地減少網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量。

4.2 適應(yīng)機(jī)械設(shè)計(jì)計(jì)算特點(diǎn)，對(duì)于梯度變化較大的主梁結(jié)構(gòu)部位，仔細(xì)分析數(shù)據(jù)變化規(guī)律，合理劃分網(wǎng)格，根據(jù)主梁結(jié)構(gòu)的剛度和結(jié)構(gòu)質(zhì)量情況，確定振型和固有頻率。

4.3 載荷處理

在機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)用有限元法，主梁結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)主要用于傳遞載荷和力，在架橋機(jī)結(jié)構(gòu)剛度方程中，當(dāng)各個(gè)單元有非節(jié)點(diǎn)載荷或者均布載荷時(shí)，非節(jié)點(diǎn)載荷轉(zhuǎn)換為應(yīng)力比較集中的等效節(jié)點(diǎn)載荷，移置非節(jié)點(diǎn)載荷，約束非節(jié)點(diǎn)載荷單元結(jié)構(gòu)的位移和變形，結(jié)合材料力學(xué)，計(jì)算支反力，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的等效節(jié)點(diǎn)載荷，計(jì)算架橋機(jī)主梁機(jī)械結(jié)構(gòu)的載荷向量，在主梁相關(guān)構(gòu)件或者部位上，主梁外載荷進(jìn)行簡(jiǎn)化，基于有限元模型，正確處理主梁結(jié)構(gòu)載荷。

5 計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用主要體現(xiàn)多個(gè)方面，例如繪圖、圖形符號(hào)的應(yīng)用以及三維模型的構(gòu)建等等。機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程是比較復(fù)雜的，其中要用到很多的符號(hào)和圖形，而符號(hào)和圖形設(shè)計(jì)和應(yīng)用都是利用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)完成的。計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的應(yīng)用讓機(jī)械設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)工作變得簡(jiǎn)單，極大地縮短了設(shè)計(jì)周期，同時(shí)也可以有效的避免設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)差錯(cuò)，提高設(shè)計(jì)結(jié)果精確性，計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)是機(jī)械設(shè)計(jì)中圖形符號(hào)應(yīng)用不可缺少的技術(shù)和工具。

機(jī)械設(shè)計(jì)的繪圖環(huán)節(jié)是設(shè)計(jì)工程中最重要的部分，計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)的繪圖工作中，就可以為機(jī)械設(shè)計(jì)提供極大的幫助，不僅可以縮短繪圖時(shí)間，提高工作效率，同時(shí)也能極大的提高機(jī)械設(shè)計(jì)繪圖的質(zhì)量。

計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)還可以應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)中三維立體模型的構(gòu)建，將設(shè)計(jì)產(chǎn)品以三維可視化形態(tài)呈現(xiàn)出來(lái)有利于進(jìn)行更準(zhǔn)確的分析，提高了工作效率，也可以將設(shè)計(jì)結(jié)果形象、直觀地呈現(xiàn)出來(lái)，提高了機(jī)械設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性。計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)除了以上應(yīng)用之外，還可以解決機(jī)械設(shè)計(jì)制造過(guò)程中的其他各種問(wèn)題。例如在汽車(chē)設(shè)計(jì)制造過(guò)程中，對(duì)汽車(chē)整體質(zhì)量有重要影響的一個(gè)因素就是汽車(chē)覆蓋膜具的設(shè)計(jì)質(zhì)量，所以對(duì)汽車(chē)覆蓋膜具的設(shè)計(jì)制造要求非常嚴(yán)格，尤其是汽車(chē)覆蓋膜具的設(shè)計(jì)圖紙與實(shí)體模型之間的一致性要高，如果兩者之間存在較多差距的話(huà)就屬于不合格，需要返工，這樣就會(huì)降低工作效率，增加設(shè)計(jì)成本，甚至還會(huì)影響產(chǎn)品在市場(chǎng)上的正常運(yùn)行。但如果將計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)制造當(dāng)中就可以根據(jù)差異的具體情況及時(shí)對(duì)圖紙的相關(guān)參數(shù)進(jìn)調(diào)整，對(duì)模型的結(jié)構(gòu)進(jìn)行及時(shí)修改完善，保證圖紙與模型之間的高度一致性，避免不必要的返工現(xiàn)象，提高工作效率。

6 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，隨著科技水平的不斷提升，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)也將更加完善，促進(jìn)機(jī)械制造行業(yè)的快速發(fā)展。

[1]韓俊平.試論機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)及其相關(guān)技術(shù)[J].機(jī)電信息，2014（03）：110～111.

[2]張志強(qiáng)，郭京波.機(jī)械動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)綜述[J].石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報(bào)，2015（01）：74～76+95.

TH122

A

1004-7344（2016）08-0250-02

2016-2-16

何陽(yáng)（1988-），男，初級(jí)，本科，主要從事設(shè)備鋼結(jié)構(gòu)工作。