基于CAD/CAE 的一種板凳研究

胡永康，孫樂俊

（武漢理工大學 汽車工程學院，湖北 武漢430070）

本學期筆者學習了汽車CAD/CAE ，想要成為一名合格的車輛工程專業學生，很有必要掌握它[1]。筆者通過使用UG創建一個凳子模型。凳子在人們生活中的使用量非常大，凳子是人們生活中的必需品，每一個人都需要用到它。所以人們使用的凳子必須安全系數很高，人們累了可以坐在上面休息一會，緩解一下自己勞累的身心，所以不能讓其存在安全隱患。把凳子端面四個角都設計成傾斜的圓曲面，防止有人不小心碰到端面的角而造成傷害，從而加強凳子的強度，提高安全系數。

1 關于UG 軟件

UG 是Unigraphics 的縮寫，這是一個交互式CAD/CAM（計算機輔助設計與計算機輔助制造）系統，可以方便實現各種復雜實體的建構，功能強大[2]。它最開始主要在工作站使用，但隨著電腦的性能越來越強大，此軟件在個人電腦上的應用增長十分迅速，目前，已經成為模具行業三維設計的一個主流應用[3]。UG 的目標是用最新的數學技術，即自適應局部網格加密、多重網格和并行計算，為復雜應用問題的求解提供一個靈活的可再使用的軟件基礎[4]。

2 凳子基本輪廓的建模

確定基準坐標系后，以xy 平面采用拉伸命令，然后以坐標原點為中心畫一個100 mm×100 mm 的矩形（此矩形過小，之后會有改進）選擇拉伸距離為150 mm，拉伸方向為z 的負方向，拔模的角度為-5°。

2.1 尖角的去除

考慮到凳子表面的四個角過尖會存在一定的安全隱患，所以，對凳子端面進行了修剪體的處理，使之更安全。筆者先選擇了一個基準平面，然后進行畫線，找到離一個端點為20 mm 的兩點，再選以一個相鄰面進行同樣的操作；采用修剪體的操作成功地將尖角去除，最后采用陣列特征，數量為4 個節，距角方向為z 軸。

2.2 邊導圓的設計

去除尖角處的平面將會產生3 個新的角，并且凳子的長角處也是尖的，這不但存在安全隱患，還影響了整體的美觀。所以筆者對它進行了邊導圓的設計，使之更加美觀。在端面處的邊導圓的半徑為3 mm，凳腳處的半徑為6 mm。最后成功地完成了邊導圓的設計，如圖1 所示。

圖1 邊導圓

3 凳子成形

接著筆者進行了抽殼和拉伸步驟，使凳子呈現其基本形狀。從底面進行抽殼的抽殼厚度為1.5 mm，然后進行拉伸處理，選取4 個表面中任一表面為參考面，進行輪廓的大致繪制，然后用快速尺寸進行約束。拉伸時距離為150 mm，布爾為減去。最后采用陣列特征，凳子已基本成形，如圖2所示。

圖2 基本成形的凳子

4 凳腳的優化

考慮到凳腳與地的接觸面積過小，穩定性不夠，決定把凳腳與地面的接觸面積加大，使之更加穩定。以凳腳平面為基準平面，進行拉伸，拉伸長度為1 mm，然后采用加厚命令，使凳腳更加穩定，最后采用陣列特征，如圖3 所示。

圖3 優化后的凳腳

5 仿真分析

對原本設計的凳子模型進行仿真分析，發現凳子表面變形嚴重，不能投入到實際中使用。不能承受過大的質量，還需要進行改進。假設體重為70 kg 的人坐在上面，凳子采用的材料是塑料ABS，然后對凳子進行了第一次仿真分析[5]，如圖4 所示。

圖4 第一次仿真結果

由圖4可以看到，凳子表面的位移最大處達到了30 mm，凳子表面的最大應力達到了130 MPa；安全系數很低，凳子表面的安全系數大部分都在0～1。由上述的仿真分析人們可以了解到第一次的凳子建模實用度很低，在現實中無法正常使用。所以，筆者對這個凳子進行了一定的優化，考慮到凳子表面的承壓能力過低，所以在凳子底面加了橫豎兩列加強筋，如圖5 所示，這樣就可以使凳子在承受壓力時保持原來的形狀。考慮到凳子的尺寸過小，在實際生活中的用途不大。所以，筆者對凳子進行了縮放處理，把整個凳子均勻地放大了4 倍，使凳子在實際中更加實用。最后對凳子完成了優化，對優化后的凳子進行仿真分析。

圖5 在凳子底部加了加強筋

接著對優化后的凳子進行了第二次仿真分析，結果如圖6 所示。

本次的仿真分析依舊假設質量為70 kg 的人坐在上面，材料依然是ABS。由本次的仿真分析可以看到改進之后的效果還是不錯的。由圖6（a）可以看到，在凳子端面中心那一小部分的位移變化是最大的，但位移量在0.320 mm 左右，這個變形還是非常小的，與第一次相比效果有了明顯提升；由圖6（b）可看到，在凳子端面的最大端面的最大應力在0.640 MPa 左右，這個應力相比于第一次小很多；由圖6（c）可以看到，整個凳子都呈現綠色，安全系數在2.5～3.0 之間，存在的安全隱患比較少。由此次的優化結果仿真分析可以看到，優化后的凳子實用性還是很高的，最終筆者完成了這個凳子的建模，如圖7 所示。

圖6 第二次仿真結果

圖7 最終的模型

6 總結

本文通過使用CAD/CAE 對凳子建模，闡述了CAD/CAE在平時設計生產中的運用，并且通過一步步的模型仿真，說明了模型的構建應在人們的腦子里有清晰的思路，需要大量的時間和耐心，且需要把最初的模型構建出來進行仿真分析，看其是否滿足所設定的要求，一般情況下是需要改進的。此外，還要看凳子在現實生活中是否有足夠的實用度，它的安全系數是否足夠高。此次建模在進行仿真之后進行優化，實用度較高，說明本次建模是成功的。