不同軟件的選擇在現代設計方法課程中的應用

劉洪宇

【摘要】在現代設計方法課程教學中，對32t×28.5m雙梁吊鉤橋式起重機的橋架，選擇SolidWorks軟件進行三維構建仿真模型，利用SolidWorks軟件中集成的有限元分析模塊COSMOSWorks，對構建的仿真模型進行結構靜力學分析。應用SolidWorks軟件，對傳感器底座進行三維構建實體模型，選擇應用ANSYS軟件，對相應的實體模型進行結構靜力學分析。通過SolidWorks軟件和ANSYS軟件與工程實際案例相結合，使學生能夠更好地理解和掌握現代設計方法課程課上所學的理論知識和軟件操作，真正體現和實踐了設計與分析一體化的思想。

【關鍵詞】現代設計方法;SolidWorks;COSMOSWorks;ANSYS;結構靜力學分析

1引言：作為機械工程專業人才培養體系中重要的一門課程，現代設計方法是多元綜合的交叉學科并涵蓋了眾多設計方法，學生理解比較困難。提煉出有限單元法中模型簡化與建立、網格劃分、載荷和約束施加、求解結果運用等比較典型的難點問題，將教師已經獲得的科研成果引入并開展研究型教學，促進學生對有限單元法的理解，將現代設計方法與工程實踐相結合，提升解決實際工程問題的能力。

橋式起重機是一種軌道運行式起重機，其使用最廣泛，也擁有量最大，額定起重量從幾噸到幾百噸不等，橋式起重機基本的形式是吊鉤橋式起重機。目前，橋式起重機作為實現現代化生產過程的機械化和自動化的主要設備，已被廣泛應用于國民經濟的各行各業，如鋼鐵和冶金業、交通運輸和水利行業、能源與化工行業、機械與環保領域等，在國家經濟建設中舉足輕重，發揮了重要的作用。橋式起重機的主要組成由裝有大車運行機構的橋架、裝配有電氣設備、走臺、欄桿、還有起升機構、司機室以及小車運行機構等部分，大車運行機構主要是縱向移動，小車運行機構主要是橫向移動和小車起升機構的升降移動，構成立體空間的起重機吊運重物的空間。橋式起重機的橋架具有承受載荷多、工作環境惡劣的特點，橋式起重機在穩定的工作過程中，由于起升機構、小車及大車的縱向和橫向頻繁啟動、移動和制動，橋架等機構承受強烈的突然沖擊和振動，產生持續一定時間的衰減振動。該振動對整個橋架的安全使用將會產生很大的影響，將會造成橋架的疲勞破壞、共振及噪聲。

在有限單元法的教學過程中，面對實際工程問題時，由于學生缺乏工程實踐經驗，對模型的抽象和簡化、網格的劃分、載荷及約束等教學難點和重點，不易于理解和掌握。通過將SolidWorks軟件和ANSYS軟件融入傳統的多媒體教學中，則可以很好地解決上述問題。

課程結合對32t×28.5m雙梁吊鉤橋式起重機的橋架進行結構靜力學分析。該工程案例把SolidWorks軟件引入現代設計方法課程的教學中，以便提高學生應用三維軟件在現代設計方法中解決實際應用問題的能力。以32t×28.5m雙梁吊鉤橋式起重機為例，選擇SolidWorks軟件，構建32t×28.5m雙梁吊鉤橋式起重機橋架的三維模型，采用SolidWorks軟件中自帶的有限元分析模塊對32t×28.5m橋式起重機的橋架進行了結構靜力學分析。

課程結合傳感器底座結構靜力學分析的工程案例，闡述了如何把SolidWorks軟件和ANSYS軟件相結合，引入教學實踐應用中，來提高學生現代設計方法解決工程問題的軟件選擇和實際應用能力。

2 SolidWorks軟件在現代設計方法課程教學中的應用

2.1選擇三維SolidWorks軟件

三維建模軟件有很多，不同應用有不同的選擇，比較流行的三維建模軟件如：Rhino（Rhinoceros犀牛）、3ds Max、PRO-E、SolidWorks等，SolidWorks軟件具有友好界面和使用方便的優點，軟件可以參數化特征造型，各個部件獨立設計，可實現動態變化和測量的功能，其裝配體設計，各零件按照相應的裝配關系設置和組合，直觀簡單，工程圖的轉化過程兼容性好，適合應用于現代設計方法課程教學中，并互聯網功能使設計協同工作更加有效和方便。

2.2橋架的三維建模和結構靜力學分析

（1）橋架的三維模型的建立

如圖1所示，選擇SolidWorks軟件建立32t×28.5m橋式起重機橋架的三維仿真模型。

（2）有限元分析模塊COSMOSWorks

有限元分析包括三個部分：前處理模塊、分析計算模塊和后處理模塊。通過前處理模塊生成有限元模型，這部分的網格劃分很重要，決定后期工作分析與計算的成敗，得到有限元模型的有關數據，決定著分析精度是否準確，分析結果是否有效率。分析計算模塊是有限元分析的核心，對三維仿真模型及網格特點進行結構分析，通過虛擬流體動力學分析和多物理場耦合分析，得出有限元模型的相關參數和數據。后處理模塊對獲得的有限元分析結果進行數據輸出和圖形顯示，通過輸出顯示對模型做出結論和判斷。

（3）橋架的結構靜力學分析

采用SolidWorks軟件建立的模型可實現與SolidWorks軟件中的有限元分析模塊的完全無縫兼容。這大大提高了整個有限元分析工作的效率。在SolidWorks軟件的材料庫中，有很多種材料，以及各種材料的不同參數。在本案例中，橋架材料為Q235鋼，相應的密度DENS為7800kg/m³、彈性模量EX為2.1×10¹¹N/m²、屈服強度為235MPa、泊松比NUXY為0.27。在本案例中，對于32t×28.5m橋式起重機橋架，設置網格尺寸為160mm，公差為5mm。離散處理后，32t×28.5m橋式起重機橋架的單元總數為96331，節點總數為180851。

橋架兩端通過角形軸承箱由4個輪組支承，每個輪組包括2個調心滾子軸承。本案例采用8塊厚板替代調心滾子軸承，用厚板上所開的孔替代軸承孔，孔徑等于軸承外徑。將整個橋架模型簡化為一個簡支梁。假設軸承剛度很大，約束兩個端梁的8塊厚板位于軸承孔處的節點的徑向位移，相應的位移為零。約束右側端梁的4塊厚板位于軸承孔處的節點的軸向位移，相應的位移為零。

在橋架Y方向的負方向上對橋架施加9.8m/s2的重力加速度以完成重力載荷的施加。按照小車在橋架主梁上的不同位置，本文選取了滿載小車位于主梁中部這種工況。把小車自重和小車額定起重量之和的四分之一作為集中力分別施加在小車四個車輪與橋架主梁相應的接觸處。在本案例中，起重機的跨度即L為28.5m。橋架主梁的許用垂直剛度 即許用垂直位移可由公式（1）求出。

經過計算可得出橋架主梁的許用垂直位移為28.5mm～40.71mm。

橋架主梁的許用水平剛度 即許用水平位移可由公式（2）求出。

經過計算可得出橋架主梁的許用水平位移為14.25mm～20.36mm。

在本案例中，橋架材料為Q235鋼，安全系數為n為1.1，屈服強度 為235MPa。橋架材料的許用應力 可由公式（3）求出。

（3）

經過計算可得出橋架材料的許用應力 為213.636MPa。

案例采用SolidWorks軟件中的靜態分析模塊對相應的橋架模型在滿載小車位于橋架的中部這種工況下進行了結構靜力學分析。這種工況以下被稱為工況1。在完成求解運算后，得出了在這種工況下橋架的總體垂直位移分布圖、總體水平位移分布圖及總體Von Mises應力分布圖。

橋架的最大垂直位移為18.79mm，發生在主梁中部，主梁其它部分的垂直位移沿主梁中部向兩個端梁方向逐漸減小，兩個端梁上的垂直位移最小。橋架上的垂直位移均小于 ，這表明該起重機橋架能夠滿足使用要求。橋架的最大水平位移為0.6050mm，發生在右側主梁中部下面，左側主梁上面和兩個端梁上的水平位移相對較大，其它部分的水平位移相對較小，橋架上的水平位移均小于 ，這表明該起重機橋架能夠滿足使用要求。橋架的最大Von Mises應力為194.893MPa，發生在端梁的一側，兩個端梁的和兩個主梁的上部的Von Mises應力相對較大，其它部分的Von Mises應力相對較小。橋架上的Von Mises應力均小于 ，這表明該起重機橋架能夠滿足使用要求。

3 ANSYS軟件在課堂教學中的靈活應用

3.1關于選擇ANSYS軟件

基于結構力學的有限元分析，是一種現代計算方法，對于結構靜態特性分析和動態特性分析中應用，是一種有效的數值分析方法。常用的有限元分析軟件包括ABAQUS、ANSYS、MSC，其中的ANSYS軟件，可以將有限元計算與分析、計算機圖形學和優化技術相組合，可與CAD軟件接口連接，實現數據的共享、轉化、交換和圖形表達。ANSYS軟件是融結構、磁場、流體、電場等模擬計算與分析于一體的大型通用有限元計算和分析軟件，后處理模塊可將計算結果以彩色等值線、粒子流跡、矢量、梯度、透明及半透明、立體切片等多種方式顯示出來，也可將計算結果以曲線表達、圖表形式、色彩表現顯示或輸出。有助于用戶將復雜的模型簡單化，被廣泛地應用于多種工程產品系統及過程之中，如航空器、重型起重機等，為用戶提供了強大的功能，已成為解決現代工程學問題必不可少的有力工具。

3.2傳感器底座的三維建模和結構靜力學分析

（1）傳感器底座的三維建模

采用SolidWorks軟件建立了傳感器底座的三維實體模型，并另存為Parasolid（*.x_t）文件形式，然后將其導入到ANSYS軟件中進行分析。

（2）傳感器底座的相關屬性設置

傳感器底座的材料屬性為： ，泊松比 ，密度為 。采用SOLID187單元和自由網格劃分方法對底座進行劃分網格，如圖3。

底座底面上的四個螺栓孔是固定在機架上為剛性約束，因此在四個螺栓孔的圓周面施加X、Z方向上位移為零的約束，在底面上施加Y方向位移為零的約束。傳感器安裝在底座上并用兩個圓孔進行支撐，因此傳感器對底座的壓力分別作用在圓孔的下半圓柱面上，大小為43.1905KN。

（3）傳感器底座的結構靜力學分析結果

經過ANSYS的求解后，可得到相應的傳感器底座的位移圖，如圖4，傳感器底座各部分處于三向應力狀態，底座材料采用鍛制不銹鋼，其屈服強度為206.807MPa，許用安全系數 為2，則傳感器底座的許用應力 為屈服強度 與許用安全系數 的比值，其大小為103.4035MPa。底座的最大應力為27.63MPa，支撐傳感器的兩圓孔下圓柱面上應力為12.292～18.427MPa，兩圓孔下圓柱面連接底座的下底面應力分布越來越大。由座的最大應力27.63MPa小于許用應力103.4035MPa可知，本案例設計的張力檢測傳感器底座能夠滿足現場生產的強度要求。兩圓孔下圓柱面上承載后合位移呈拋物線，越往底面位移變形越小。傳感器底座的最大位移值為0.725×10-8mm，該值很小，因此，本案例設計的張力檢測傳感器底座能夠滿足現場生產的剛度要求。

4結論：以32t×28.5m雙梁吊鉤橋式起重機為例，采用SolidWorks軟件建立了相應的起重機橋架的三維模型，為雙梁橋式吊鉤起重機的設計和后續分析提供了基礎。采用SolidWorks軟件中的靜態分析模塊對相應的模型在滿載小車位于橋架的中部這種工況下進行了結構靜力學分析，得出了在這種工況下橋架的總體垂直位移分布圖、總體水平位移分布圖及總體應力分布圖，找到了相應的總體位移分布規律和總體應力分布規律，相應的起重機橋架的垂直位移、水平位移以及Von Mises應力的最大值均小于相應的許用值，這表明該起重機橋架能夠滿足使用要求。該案例為橋式起重機的設計、運行及維護提供了重要的參考依據。

選擇ANSYS軟件，對構建的三維模型進行有限元分析，得到了傳感器底座的位移圖和應力圖。本案例設計的傳感器底座能夠滿足現場生產的強度和剛度要求。

通過案例分析，可以滿足對學生應具有一定的Solidworks軟件應用能力的要求，使學生熟悉SolidWorks軟件在解決實際工程問題中的應用過程。應用ANSYS軟件對傳感器底座進行分析，能夠滿足對學生具有一定的ANSYS軟件應用能力的要求，使學生更加明確如何將SolidWorks軟件與ANSYS軟件相結合以解決工程實際問題。選擇SolidWorks軟件和ANSYS軟件融入現代設計方法課程多媒體教學中，直觀感可以激發學生的學習興趣，動態及場景能夠豐富課堂教學手段，提高教學效果。提高了學生的機械設計能力和綜合分析應用能力，培養了學生的工程應用素養，使學生能夠更好地與企業接軌。

參考文獻：

[1]秦勤，郜志英，吳迪平.現代設計方法課程有限單元法教學探討[J].中國冶金教育，2017（1）.

[2]江洪.SolidWorks有限元分析實例解析[M].北京：機械工業出版社，2007.

[3]張應遷，張洪才.ANSYS有限元分析從入門到精通[M].北京：人民郵電出版社，2010.