UG有限元分析法在“機械設計”課程教學中的應用研究

鄧松松 鄭繼明

（貴州師范大學 機械與電氣工程學院，貴陽 550001）

“機械設計”課程教學中的重點和難點是零部件結(jié)構(gòu)的應力、應變分析。該課程特點是計算公式較多、重點知識多、實踐性強以及與多課程有聯(lián)系。因此，學生在學習該課程時覺得應力、應變分析很抽象，難以理解重難點知識和計算公式，導致常規(guī)教學方法難以達到理想效果。如何運用新方法和新技術提高教學效果，是當今教學改革深入亟待解決的重要問題之一。UG軟件是一個集成化的CAD/CAM/CAE系統(tǒng)軟件[1]，其CAD/CAM/CAE模塊之間都可以自由切換。同其他軟件相比，UG軟件具有最領先的計算機輔助設計、分析以及制造能力，能夠?qū)崿F(xiàn)三維建模、虛擬裝配以及仿真等功能，廣泛應用在機械行業(yè)、航天以及汽車等領域。將UG有限元分析法合理地應用于“機械設計”課程教學活動，能夠提高教學效果和培養(yǎng)學生的濃厚興趣。

1 “機械設計”教學分析

“機械設計”課程包含6個章節(jié)[2]，分別是緒論、機械設計總論、聯(lián)接、機械傳動、軸系零部件以及其他零部件。緒論是對機械設計課程的高度概括。軸系零部件和其他零部件涉及理論知識學習和零部件設計計算等。這3個部分的知識點內(nèi)容不適于有限元分析法，但可以用UG軟件來輔助教學。選取課本中的案例，通過UG軟件繪制零件的三維模型制作成PPT等進行教學。機械設計總論、聯(lián)接以及機械傳動這3個部分的知識點內(nèi)容都涉及強度分析和變形分析，可以應用UG有限元分析法來深入分析與講解相關知識點。

2 UG有限元分析法在“機械設計”課程教學的教學設計

2.1 UG有限元分析法流程

應用UG軟件，按照圖1流程制作教學案例。

圖1 操作流程圖

2.2 應用UG有限元分析法講解“機械設計”課程的教學過程設計

在“機械設計”課程教學中，首先選取該課程中要講解知識點的案例，使用UG進行三維幾何建模。其次，進行有限元建模與分析，用鼠標點擊“應用模塊”→“前/后處理”進入前處理，進而進行案例的應力和應變分析。再次，把分析好的模型和截圖的圖片制作成資料，采用錄屏軟件來錄制動畫視頻，制作成應力和應變分析動畫。最后，把圖片資料制作成PPT或動畫視頻等，將應用UG有限元分析法講解機械設計課程問題的案例做成授課資料。

教師在授課時可以用事先準備好的案例輔助教學，對照制作的PPT，一邊詳細地跟學生講解受力分析云圖結(jié)果，一邊讓學生看圖，也可以播放一段動畫視頻。授課結(jié)束后，可與學生交流和討論。

3 UG有限元分析法制作“機械設計”課程教學案例

3.1 創(chuàng)建CAD模型與創(chuàng)建理想化模型

首先，單擊UG軟件進入CAD模塊，繪制水箱底座的三維實體模型，如圖2（a）所示。其次，在單擊【應用模塊】→【前/后處理】環(huán)境后，新建FEM文件，同時勾選創(chuàng)建理想化模型，單擊【確定】。最后，優(yōu)化模型。第一步，單擊【提升體】命令，選擇底座實體后，單擊【確定】命令進行提升體操作，如圖2（b）所示。第二步，單擊【移除幾何特征】命令，移除模型中的圓角，單擊“√”完成，如圖2（c）所示。需要注意，如果不移除模型中的圓角會影響后面的分析結(jié)果，如產(chǎn)生應力集中等情況。

圖2 模型圖及優(yōu)化模型圖

3.2 創(chuàng)建有限元模型

3.2.1 定義材料屬性

在UG材料庫中指派底座的材料為Nylon（尼龍），其材料屬性如表1所示。

表1 材料屬性

3.2.2 物理屬性

在工具欄中單擊【物理屬性】命令，會彈出物理屬性對話框，再次單擊【創(chuàng)建】命令，彈出【PSOLID】對話框，在【材料】選項中選擇【尼龍】，其余選項參數(shù)默認，單擊【確定】命令，如圖3所示。

圖3 物理屬性圖

3.2.3 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是有限元分析的關鍵步驟。網(wǎng)格劃分的好壞直接影響有限元分析的精度[3]。網(wǎng)格劃分包括零維網(wǎng)格、一維網(wǎng)格、二維網(wǎng)格、三維網(wǎng)格和連接網(wǎng)格5種類型。每種類型都適用于一定的對象[4]。選擇工具欄【3D四面體網(wǎng)格】命令，對水箱底座模型進行網(wǎng)格劃分，先自動確定單元格大小；單擊【自動單元大小】命令，參數(shù)框中顯示為30.2，手動輸入較小的單元格數(shù)值為20，再進行網(wǎng)格劃分，以確保結(jié)果的分析精度，如圖4（a）所示。最后進行網(wǎng)格劃分的檢查，單擊【單元質(zhì)量】命令檢查所劃分的網(wǎng)格，日志顯示“Number Failed”“Number Warning”為零，因此網(wǎng)格劃分是合理的，如圖4（b）所示。

3.3 創(chuàng)建仿真模型

創(chuàng)建新仿真模型，采用的求解器為NX Nastran，分析類型為結(jié)構(gòu)，解算類型為SOL 101線性靜態(tài)——全局約束。第一，邊界條件設置。在工具欄中單擊【約束類型】，選擇【固定平移約束】命令，在圖形窗口中單擊水箱底座的底面，單擊【確定】，邊界條件設置完成。第二，載荷類型設置。由于水箱底座所支撐產(chǎn)品為圓柱類產(chǎn)品，受載荷類型為軸承載荷。單擊【載荷類型】命令選擇【軸承】，在圖形窗口中選擇底座弧面，指定矢量為ZC軸，單擊反方向，方向垂直向下，力的大小手動輸入90 000 N，角度設置為180°。第三，檢查水箱底座模型。為了確保解算的成功和結(jié)果精確，檢查模型參數(shù)，如材料、網(wǎng)格、單元、約束以及載荷等。參數(shù)檢查沒有錯誤，才可以進入求解及有限元分析階段。其中，模型邊界條件和載荷類型設置完成后的效果如圖5所示。

圖4 網(wǎng)格劃分與檢查圖

圖5 邊界條件和載荷設置圖

3.4 分析有限元求解及結(jié)果

在前處理設置完成后，開始求解有限元模型。求解完成后進入后處理階段，在右邊仿真導航器中查看結(jié)果。首先，后處理使用云圖或標記圖顯示結(jié)果，其中結(jié)果類型包括位移、旋轉(zhuǎn)、應力、反作用力以及反作用力矩等[5-6]。雙擊【仿真導航器】中的結(jié)果進行查看，查看水箱底座應變云圖（位移），如圖6（a）所示，其中最大變形量為1.149 mm。采用相同的方法，展開【應力-單元-節(jié)點】，并雙擊【Von Mises】得到應力云圖，最大應力為33.15 MPa，如圖6（b）所示。通過UG有限元分析法的仿真結(jié)果與理論計算分析對比可知，應變、應力的數(shù)據(jù)都在符合要求的范圍之內(nèi)，水箱底座滿足設計要求，具有足夠的剛度與穩(wěn)定性，可為底座類零件的設計和優(yōu)化設計提供參考，證明了UG有限元分析法具有可靠性，為“機械設計”課程教學提供了依據(jù)[7]。

其次，創(chuàng)建應力-單元-節(jié)點與節(jié)點ID相對應的曲線圖，如圖7所示，可以形象地描述并揭示模型上的結(jié)果變化規(guī)律，從而為模型的形狀改進和尺寸優(yōu)化提供直觀的依據(jù)[8]。

圖6 應變、應力云圖分布情況

圖7 應力-單元-節(jié)點曲線圖

最后，利用UG有限元分析法自帶的動畫功能制作可視化模型，顯示水箱底座的應變、應力情況，方便學生理解。該模型先自動設置好幀數(shù)，調(diào)節(jié)好播放速度，使學生能清晰觀察到應變和應力變化的趨勢，如圖8所示。

圖8 動畫下的云圖

4 結(jié)語

本文提出了基于UG有限元分析輔助“機械設計”教學的一種教學方法，并進行了教學分析及UG有限元分析輔助“機械設計”教學設計。以水箱底座為案例，進行了幾何建模、有限元建模、前處理及有限元分析，通過后處理階段的輸出位移和應力等參數(shù)的分布情況，將結(jié)果數(shù)據(jù)進行了動畫仿真，使理論教學更加形象生動，能有效提高教學效果，有利于學生后續(xù)專業(yè)課程的學習。基于UG有限元分析輔助“機械設計”教學，可提高教師“機械設計”課程的信息化教學水平，讓學生掌握利用先進工具軟件解決機械設計領域?qū)嶋H問題的方法。