ProE mechanica有限元分析优化设计应用
基于Pro_E的装载机工作装置动臂的有限元分析及优化设计
第4期 2010年4月工矿自动化I ndustr y and M ine Automat ionNo.4 Apr.2010文章编号:1671-251X(2010)04-0050-03基于Pro /E 的装载机工作装置动臂的有限元分析及优化设计戴雪芬(江苏联合职业技术学院镇江机电分院,江苏镇江 212016)摘要:使用Pro/E 建立了装载机工作装置的动臂三维实体模型,对其进行了有限元分析及参数化设计,并在确定目标函数和约束条件的基础上对动臂进行了优化设计。
仿真结果表明,在保证动臂满足工作性能要求的前提下,经优化设计后的动臂受力情况和结构形状得到了合理的改善。
该基于Pr o/E 软件的有限元分析和优化设计方法提高了设计速度和设计质量,降低了制造成本,对装载机工作装置的动臂及整个工作装置的优化研究具有普遍的适用性。
关键词:装载机;工作装置;动臂;有限元分析;优化设计;Pro/E 中图分类号:TP391.7 文献标识码:AFinite Element A nalysis and Optimization Desig n of M ovable Arm ofLoader øs Working Equipment Based on Pro/EDAI Xue -fen(Zhenjiang Vo catio nal Co lleg e of M echanical and Electrical Technolo gy ofJiang su U nio n Technical Institute,Zhenjiang 212016,China)Abstract :Three -dim ensional solid mo del of mo vable arm o f loader øs w orking equipment w as established by use of Pro /E,the finite element analysis and parametr ic desig n for the model w ere performed,and the mo vable arm w as optim ized after objectiv e functions and constraint conditions w ere determ ined.The simulation result sho w ed that forces and structural shapes of the m ovable arm are impr oved after being optimized o n the premise of meeting requirment of the mo vable arm øs w ork performance.The metho d of finite element analy sis and o ptimization design based on Pro/E improv es design speed and quality ,reduces manufactur ing costs,and has univ er sal applicability to optimization resear ch of movable arm of loader øs w orking equipment and the w ho le w orking equipment.Key words :loader,w orking equipment,m ovable arm,finite elem ent analy sis,o ptimization desig n,Pro/E 收稿日期:2009-12-11基金项目:江苏省高校自然科学基础研究项目(07KJB460113)作者简介:戴雪芬(1982-),女,江苏镇江人,毕业于徐州师范大学机电工程系机械设计制造及其自动化专业,现主要从事机械制造、CAD/C AM 等方面的教学与研究工作,已发表文章数篇。
Pro_e有限元分析浅析
1. Pro/MECHANICA 简介Pro/MECHANICA是美国PTC开发的有限元软件。
该软件可以实现和Pro/ENGINEER 的完全无缝集成。
绝大部分有限元分析软件的几何建模功能比较弱，这些有限元软件通常通过IGES格式或者STEP格式进行数据交换，而这样做最大的弊端在于容易造成数据的丢失，因此常常需要花费大量的时间与精力进行几何模型的修补工作。
使用Pro/MECHANICA恰好可以克服这一点，该软件可以直接利用Pro/ENGINEER的几何模型进行有限元分析。
Pro/MECHANICA是基于P方法进行工作的。
它采用适应性P-method技术，在不改变单元网格划分的情况下，靠增加单元内的插值多项式的阶数来达到设定的收敛精度。
理论上，插值多项式的阶数可以很高，但在实际工作中，往往将多项式的最高阶数限制在9以内。
如果插值多项式的阶数超过9仍然没有收敛，这时可以增加网格的密度，降低多项式的阶数，加快计算速度。
利用P方法进行分析，降低了对网格划分质量的要求和限制，系统可以自动收敛求解。
P-method能够比较精确地拟合几何形状，能够消除表面上的微小凹面。
这种单元的应力变形方程为多项式方程，最高阶次能够达到九阶。
这意味着这种单元可以非常精确地拟合大应力梯度。
Pro/MECHANICA中四面体单元的计算结果比其他传统有限元程序中四面体的计算结果要好得多。
首先单元以较低的阶次进行初步计算，然后在应力梯度比较大的地方和计算精度要求比较高的地方自动地提高单元应力方程的阶次，从而保证计算的精确度和效率。
2. Pro/MECHANICA 工作模式：1) FEM模式：FEM模式没有求解器，只能完成对模型的网格划分、边界约束、载荷、理性化等前处理工作、然后借助第三方软件完成计算分析。
2) 集成模式：用户可以在Pro/ENGINEER中建立几何模型，然后进入Pro/MECHANICA 模块中，定义载荷及边界条件，进行分析研究。
ProMECHANICA入门实例
Proe MECHANICA入门实例通过两个简单实体模型分析实例介绍使用Pro/MECHANICA进行分析任务（包括基本应力分析、灵敏度分析和优化设计等）的基本过程，通过这一章的学习后，读者应该能够掌握使用Pro/MECHANICA进行分析的基本方法。
本章主要内容包括：◆Pro/MECHANICA分析任务分类◆入门实例2.1 Pro/MECHANICA分析任务分类在Pro/MECHANICA中，将每一项能够完成的工作称之为设计研究。
所谓设计研究是指针对特定模型用户定义的一个或一系列需要解决的问题。
在Pro/MECHANICA中，每一个分析任务都可以看作一项设计研究。
Pro/MECHANICA 的设计研究种类可以分为以下3种类型。
标准分析（Standard）：最基本、最简单的设计研究类型，至少包含一个分析任务。
在此种设计研究中，用户需要指定几何模型、划分有限元网格、定义材料、定义载荷和约束、定义分析类型和计算收敛方法、计算并显示结果。
灵敏度分析（Sensitivity）：可以根据不同的目标设计参数或者物性参数的改变计算出一些列的结果。
除了进行标准分析的各种定义外，用户需要定义设计参数、指定参数的变化范围。
用户可以用灵敏度分析来研究哪些设计参数对模型的应力或质量影响较大。
优化设计分析（Optimization）：在基本标准分析的基础上，用户指定研究目标、约束条件（包括几何约束和物性约束）、设计参数，然后在参数的给定范围内求解出满足研究目标和约束条件的最佳方案。
因此，概括的说，Pro/MECHANICA Structure能够完成的任务可以分为两大类：第一类可以称之为设计验证，或者称为设计校核，例如进行设计模型的应力应变检验，这也是其他有限元分析软件所只能完成的工作。
在Pro/MECHANICA中，完成这种工作需要依次进行以下步骤：（1）创建几何模型。
（2）简化模型。
（3）设定单位和材料属性。
（4）定义约束。
pro_mechanica结构分析_wildfire
Pro / MECHANICA有限元分析上机指导（野火版）Pro / MECHANICA介绍Pro/MECHANICA是PTC公司提供的一套CAE（Computer Aided Engineering, 计算机辅助工程）软件包，用于帮助设计者进行产品机械性能的分析和仿真，从而优化产品设计。
它由以下三个模块组成：Ÿ Structure 结构分析模块Ÿ Thermal 热特性分析模块Ÿ Motion 运动分析模块Pro/MECHANICA提供两种调用方式：Ÿ Integrated Mode 集成模式在Pro/Engineer环境中使用Pro/Mechanica模块，点击菜单ApplicationàMechanica。
集成模式拥有Pro/Mechanica的大部分功能；能随时从Mechanica环境返回Pro/Engineer环境，从而灵活地获取和修改设计参数，使用方便高效。
Ÿ Independent Mode 独立模式从程序菜单中独立调用Pro/Mechanica模块，ProgramàPro/Mechanica。
独立模式功能更为强大；Pro/Engineer中设计的模型可以导入Pro/Mechanica中进行分析，但Pro/Mechanica中得到的各种分析结果无法再导入Pro/Engineer中，因而参数的修改不如集成模式灵活，交互性较差。
Structure模块介绍Structure模块进行产品的结构分析。
Structure可以处理三种设计任务（Design Study）：Ÿ Standard即是通常意义上的“有限元分析”。
为缺省设计模式，最为常用。
Ÿ Sensitivity参数特性分析。
模型的设计变量可能存在一个变化范围，如孔径的大小，正方体的边长等。
它们的变化将对零件的应力分布、变形等产生影响。
通过Sensitivity design，可以建立设计变量与应力等控制目标的联系，从而方便设计者了解设计变量对控制目标的影响情况。
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入门实例通过两个简单实体模型分析实例介绍使用Pro/MECHANICA进行分析任务（包括基本应力分析、灵敏度分析和优化设计等）的基本过程，通过这一章的学习后，读者应该能够掌握使用Pro/MECHANICA进行分析的基本方法。
本章主要内容包括：◆Pro/MECHANICA分析任务分类◆入门实例2.1 Pro/MECHANICA分析任务分类在Pro/MECHANICA中，将每一项能够完成的工作称之为设计研究。
所谓设计研究是指针对特定模型用户定义的一个或一系列需要解决的问题。
在Pro/MECHANICA中，每一个分析任务都可以看作一项设计研究。
Pro/MECHANICA的设计研究种类可以分为以下3种类型。
●标准分析（Standard）：最基本、最简单的设计研究类型，至少包含一个分析任务。
在此种设计研究中，用户需要指定几何模型、划分有限元网格、定义材料、定义载荷和约束、定义分析类型和计算收敛方法、计算并显示结果。
●灵敏度分析（Sensitivity）：可以根据不同的目标设计参数或者物性参数的改变计算出一些列的结果。
除了进行标准分析的各种定义外，用户需要定义设计参数、指定参数的变化范围。
用户可以用灵敏度分析来研究哪些设计参数对模型的应力或质量影响较大。
●优化设计分析（Optimization）：在基本标准分析的基础上，用户指定研究目标、约束条件（包括几何约束和物性约束）、设计参数，然后在参数的给定范围内求解出满足研究目标和约束条件的最佳方案。
因此，概括的说，Pro/MECHANICA Structure能够完成的任务可以分为两大类：●第一类可以称之为设计验证，或者称为设计校核，例如进行设计模型的应力应变检验，这也是其他有限元分析软件所只能完成的工作。
在Pro/MECHANICA中，完成这种工作需要依次进行以下步骤：（1）创建几何模型。
（2）简化模型。
（3）设定单位和材料属性。
（4）定义约束。
（5）定义载荷。
基于MECHANICA的内燃机活塞有限元分析
基于MECHANICA的内燃机活塞有限元分析作者：陈永东钟绍华一、引言活塞是发动机的重要零部件之一，其设计质量直接关系到发动机性能的优劣。
活塞结构复杂，而且作为内燃机的主要受热零件，经受周期性交变的机械载荷和热载荷的作用；常在高温、高速、高负荷以及冷却困难的情况下工作，因此容易产生故障。
所以，要对内燃机进行热载荷和机械载荷的模拟计算以评估其可靠性，同时，对于内燃机的开发也是非常重要的。
有限元分析技术在提高活塞产品性能和加速活塞研制过程中的重要作用越来越被人们所重视。
Pro/MECHANICA是PTC公司开发的强大的有限元软件，是Pro/E 一个比较独立的模块。
它可以实现和Pro/ENGINEER的无缝集成，即完全实现几何建模和有限元分析的集成。
主要用于静力学分析、动力学分析、震动分析、热力分析、疲劳分析和疲劳预测等。
对于发动机、车体及起重机构等的分析可以帮助工程师找到设计中的应力集中点以便更新设计，延长产品的使用寿命，准确率非常高，可以避免许多设计中的缺陷。
本文采用有限元分析工具Pro/MECHANICA对某内燃机活塞进行了有限元分析。
二、活塞的热力分析（一）模型建立及网格划分文章所要分析的活塞模型如图1 所示。
在进行活塞有限元分析时，在保证分析精度的前提下，适当简化其有限元分析计算模型是必要的。
考虑到活塞几何造型的对称性，在Pro/E 下取活塞零件模型的1/4 为有限元分析模型，这样既可以简化计算过程又可以得到可信的分析效果。
将活塞模型移至Pro/MECHANICA 环境下，可以完全利用在Pro/E中所建立的几何信息，选取热力分析模式（Thermal），设置模型材质（Model Materials）。
这里选取铝合金AL2014并加入（Assign）活塞模型中，应用网格自动生成技术产生有限元网格。
（二）热载荷的施加热载荷为气缸内的工作气体热源，使活塞顶面产生高温。
由于内燃机在设计工况以高转速匀速运行，传热状况变化又是一个慢过程，为简化分析这里使用稳态过程，即先把活塞顶面的温度看作恒定的平均温度，而活塞环和活塞裙部的对外传热程度等效为各部分的换热系数。
基于Pro／E Mechanica的翻堆机叶片有限元分析和优化设计
基于Pro／E Mechanica的翻堆机叶片有限元分析和优化设计翻堆机是现代农业生产中必不可少的设备之一。
翻堆机的叶片是其最核心的部件之一，如何进行合理的有限元分析和优化设计，将直接影响翻堆机的工作效率和使用寿命。
本文将基于Pro／E Mechanica对翻堆机叶片进行有限元分析和优化设计。
首先，我们需要进行有限元建模。
根据叶片的结构和工作原理，我们将其建模为一个具有弯曲和剪切应力的梁结构。
在建模过程中，我们需要确定叶片的测量参数，如长度、宽度、厚度等，以及材料参数，如弹性模量、泊松比等。
这些参数将对有限元分析结果产生直接影响。
接下来，我们进行有限元分析。
在分析过程中，我们需要应用边界条件和荷载条件，以模拟实际工作条件下叶片的应力分布。
通过有限元分析，我们可以获得叶片的应力、位移和变形情况。
根据分析结果，我们可以得出叶片在工作过程中可能出现的破坏模式和位置，从而提供优化设计的依据。
最后，我们进行优化设计。
根据有限元分析结果，我们可以通过调整叶片的结构和材料等参数来改善其性能和寿命。
例如，我们可以增加叶片的厚度和宽度，以提高其承载能力和抗疲劳性能。
同时，我们可以更换材料，选择密度更高、硬度更好的材料，以增加叶片的耐用性。
通过以上的有限元分析和优化设计，我们可以使翻堆机叶片的性能得到大幅度助长，提高其工作效率和使用寿命，同时降低其维修成本和故障率。
实际应用中，我们需要根据具体情况进行分析和设计，以满足实际的工作需求。
翻堆机叶片的有限元分析和优化设计需要依靠相关数据和参数来进行。
下面列出一些与翻堆机叶片有关的数据，并进行分析。
1. 叶片长度叶片长度对于翻堆机叶片的承载能力和抗弯能力都有着很大影响。
一般来说，叶片长度越长，其承载能力越大，但也会增加其重量和成本。
因此，在设计翻堆机叶片时，需要根据实际工作要求和机器结构来确定叶片长度。
2. 叶片宽度叶片宽度对于叶片的承载能力和稳定性同样有影响。
一般来说，叶片宽度越宽，其承载能力越大，但同样也会增加其重量和成本。
ProE mechanica有限元分析优化设计应用
基于Pro/MECHANICA有限元分析优化设计应用2009年02月18日 CAD世界网本文讨论了产品设计对当今处于市场激烈竞争的企业的意义。
重点从有限元分析的角度，以Pro/MECHANICA分析软件为例介绍了进行有限元分析的基本方法和过程。
并且重点强度了分析后的敏感度研究和优化设计研究的应用。
在当今市场客户对产品要求越来越高，竞争日益激烈的情况下，如何研发设计出更好的产品，尤其是产品中关键零部件就显得更为重要，一个好的合理的设计，既能提升产品的性能，又能节省成本，对企业来说是获得多重效益的。
本文就应用Pro/E软件分析功能来改进关键零部件的设计做一探讨。
有限元分析是机械设计工程师不可缺的重要工具，广泛应用于机械产品的设计开发。
Pro/E软件分析模块Pro/MECHANICA 就是一种即好用又有效的有限元分析软件。
合理的应用能给我们的产品设计起到很好效果。
下面以一个简单零件为例说明其具体实现过程。
实现了几何建模和有限元分析的无缝集成，并能优化产品设计，提高新产品开发的效率和可靠性。
如下图所示，定义零件的材料属性，如定义为钢steel，双击即可看到所定义材料的属性参数如杨氏模量和泊松比等，也可以按实际情况进行修改编辑。
然后定义约束，该零件的上端面为固定六个自由度的完全约束。
再定义载荷，按产品实际使用时的工况孔受轴承力。
如图预览轴承力为按所指方向最大，然后沿孔向两边递减至半个圆周，这是Pro/MECHANICA可以定义的一种载荷类型，其他的对象受力、变化载荷、压力、重力、离心力等都能方便的定义。
Pro/MECHANICA中有丰富的理想化模型、约束、载荷等可以描述要分析对象的各种工况。
然后定义我们要进行的分析，这里我们定义静态分析和模态分析。
在定义静态分析时选择我们前面定义的约束和载荷，模态分析选择约束即可。
并且对定义的分析分别执行运算，然后查看结果。
如图2，图3为静态分析的应力和变形图，通过云图可以看到应力和位移变形的分布状况，以及出现的最大值。
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基于Pro/MECHANICA有限元分析优化设计应用
2009年02月18日 CAD世界网
本文讨论了产品设计对当今处于市场激烈竞争的企业的意义。
重点从有限元分析的角度，以Pro/MECHANICA分析软件为例介绍了进行有限元分析的基本方法和过程。
并且重点强度了分析后的敏感度研究和优化设计研究的应用。
在当今市场客户对产品要求越来越高，竞争日益激烈的情况下，如何研发设计出更好的产品，尤其是产品中关键零部件就显得更为重要，一个好的合理的设计，既能提升产品的性能，又能节省成本，对企业来说是获得多重效益的。
本文就应用Pro/E软件分析功能来改进关键零部件的设计做一探讨。
有限元分析是机械设计工程师不可缺的重要工具，广泛应用于机械产品的设计开发。
Pro/E软件分析模块Pro/MECHANICA 就是一种即好用又有效的有限元分析软件。
合理的应用能给我们的产品设计起到很好效果。
下面以一个简单零件为例说明其具体实现过程。
实现了几何建模和有限元分析的无缝集成，并能优化产品设计，提高新产品开发的效率和可靠性。
如下图所示，定义零件的材料属性，如定义为钢steel，双击即可看到所定义材料的属性参数如杨氏模量和泊松比等，也可以按实际情况进行修改编辑。
然后定义约束，该零件的上端面为固定六个自由度的完全约束。
再定义载荷，按产品实际使用时的工况孔受轴承力。
如图预览轴承力为按所指方向最大，然后沿孔向两边递减至半个圆周，这是Pro/MECHANICA可以定义的一种载荷类型，其他的对象受力、变化载荷、压力、重力、离心力等都能方便的定义。
Pro/MECHANICA中有丰富的理想化模型、约束、载荷等可以描述要分析对象的各种工况。
然后定义我们要进行的分析，这里我们定义静态分析和模态分析。
在定义静态分析时选择我们前面定义的约束和载荷，模态分析选择约束即可。
并且对定义的分析分别执行运算，然后查看结果。
如图2，图3为静态分析的应力和变形图，通过云图可以看到应力和位移变形的分布状况，以及出现的最大值。
应力为 max_stress_vm: 2.180201e+04;变形为max_disp_mag: 1.025765e-05。
各阶模态分析的结果分别Mode Frequency (Hz) ---- --------------
1 1.244865e+03
2 2.700293e+03
3 3.070677e+03
4 7.562682e+03
在Pro/MECHANICA 中可以定义多种类型的分析，包括静态分析、模态分析、动态时域、动态频域、冲击振动、随机振动、预紧力静、模态分析及疲劳分析等。
在定义后处理查看运行结果时，Pro/MECHANICA也有众多选项可以根据需要做出各种效果的结果图及分析报告。
另外，在进行上述分析前，我们未讨论网格的划分问题，是因为缺省情况下Pro/MECHANICA会以P单元对模型自动进行网格划分，当然我们也可以对网格的划分方式和控制参数进行设置。
在对当前的模型做完分析，查看结果后，如果分析结果不能满足产品设计的要求，Pro/MECHANICA可以对产品进行局部/全局敏感度分析和优化设计，确定满足优化目标的模型。
所谓敏感度分析就是可以分析研究结构尺寸或参数对上述分析结果的影响。
所以要执行敏感度研究，必须先正确无误的运行完前面的分析，然后通过指定设计参数。
定义敏感度研究分析。
通过敏感度研究可以得到指定的设计参数对分析结果的影响方向和程度。
如下图分别为零件厚度及应力较大处圆角两个尺寸对最大应力、最大变形及一、二阶模态的影响。
在做完敏感度分析后，再进行优化设计研究，也可以做完分析后直接进行优化设计研究。
要执行优化设计研究，也必须先正确无误的运行完前面的分析，然后通过指定关心的结果和值，包括指定最小化质量等定义。
然后定义可变的设计参数及变化范围，可以指定多个设计参数，并可动态预览模型的变化情况。
如本例最大应力为max_stress_vm: 2.180201e+04;最大变形为max_disp_mag:
1.025765e-05;一阶模态频率为1.244865e+03。
如果我们的产品设计要求最大应力小于 1.9e+04;最大变形小于 9e-06;一阶模态频率大于1.3e+03，并且希望零件的质量越小越好。
同时我们定义好零件可变的尺寸参数及变化范围。
所有定义如下图所示。
开始分析时模型取的尺寸如下，即模型的原始尺寸，分析得出的最大应力、最大变形和频率都不满足要求：
thickness 0.5
filletrad 0.5
width 2.5
height 2.25
bottomrad 0.5
Goal:9.0217e-01
Status of Optimization Limits:
1. max_disp_mag1.0258e-05 < 9.0000e-06 (VIOLATED)
2. max_stress_vm 2.1802e+04 < 1.9000e+04 (VIOLATED)
3. modal_frequency 1.2444e+03 > 1.3000e+03 (VIOLATED)
经过多步优化计算并比较质量最小最后得到有关尺寸参数如下，最后的分析结果也是在要求的范围内。
我们可以通过应用优化设计研究，软件自动驱动模型变化，得到满足要求的设计。
并且也能通过后处理查看到优化后模型的分析结果。
如下图。
云图中也能看到最大应力和最大变形在我们给定的范围内。
Parameters:
thickness 0.510603
filletrad 0.9905
width2.48465
height 2.25
bottomrad 2
Recovering from invalid parameter values by cutting
step size.
Goal: 8.2170e-01
Status of Optimization Limits:
1. max_disp_mag8.9999e-06 < 9.0000e-06 (satisfied within tolerance)
2. max_stress_vm 1.9001e+04 < 1.9000e+04 (satisfied within tolerance)
3. modal_frequency 1.3868e+03 > 1.3000e+03 (satisfied within tolerance)
应用Pro/MECHANICA对零件进行优化设计改进后，不仅满足了设计要求，而且零件设计更加合理，质量减小了10%。
Pro/MECHANICA 的应用使得所设计出来的产品质量显著提高，增强了企业的新产品研发能力，增强了企业的市场竞争力。