机械设计基础第12章 机械CAE分析
机械结构的CAE的应用分析
CAE的应用这部份是对有关的CAE进一步深入学习作为目的而作的。
“1.结构模型和单元选择”，是对有关有限元分析的模型化处理进行整理和补充。
“2.材料力学和有限元法”，论述了关于材料力学和有限元法之间的关系。
“3.较专门的分析”，叙述了有关各种分析。
1. 单元选择的方针在第2部分中所举的铁塔和电车的例子中已经说明了什么样的情况使用什么样的单元好。
根据实际CAE分析程序手册，有许多种类的单元，最初也许不能判断使用哪个为好。
但是不知道全部单元的使用方法就不能使用CAE，也不是这回事。
如果使用作为基本单元的梁单元、板单元，实体单元这三种单元的话，大部份场合就能应付了。
以下，给合入门编第2部分的内容，简要将单元选择的标准列于下表中：＜单元以及所适用结构的关连图＞△和▲是入门编的第2部分1.根据CAE的分析目的和各种结构模型的〖视点变更〗模型化考虑的方法这一部分。
△求缺口处，板厚变化处等细节部分的应力场合以及评价应力集中场合的模型化处理。
▲：没有必要详细求解应力的部分用近似分析模型来简化的场合。
节约自由度场合。
绝大多数结构能够用梁单元、板单元、实体单元分析。
2. 梁单元和框架结构框架结构是梁、柱、筋相交组合成的结构，一般用梁单元这样一维线性单元来作模型化处理。
梁单元大抵可分为2种类，杆单元（不传递转动力矩的仅有轴向刚度的单元）和梁单元（具有传递转动力矩的具有弯曲刚度的单元）。
一般把不传递转动的构件称为杆，传递转动的构件称为框架，梁单元是这些模型化的一维单元的总称。
构架两端用铰结合的构件，不传递转动力矩。
作为单元具有轴刚度和扭转刚度。
因为框架（也称frame结构）两端是刚性结合，所以向其他构件传递转动力矩。
作为单元具有扭曲刚度和轴刚度。
即使是象塔那样框架结构，要想得到构件局部（例如连接处或者螺栓周围）的详细的应力分布，有必要用板单元或实体单元进行模型化。
2.1 杆单元单元形状由起始端和终止端2个节点形成的1维单元。
机械设计基础机械设计中的CAE分析方法
机械设计基础机械设计中的CAE分析方法机械设计是工程领域中非常重要的一项任务，它涉及到各种机械设备的设计和制造。
而在现代机械设计中，CAE（计算机辅助工程）分析方法的应用越来越广泛，为设计师提供了强大的工具和技术支持。
本文将介绍机械设计中常用的CAE分析方法，以及它们在设计过程中的应用。
一、有限元分析（Finite Element Analysis，简称FEA）有限元分析是机械设计中最常用的CAE分析方法之一。
它通过将实际的结构分割成有限数量的小元素，然后利用数值计算方法求解每个小元素的应力、变形等物理量。
这样可以在较小的计算范围内，准确预测结构的力学性能。
在机械设计中，有限元分析广泛应用于刚度、强度、稳定性、疲劳寿命等方面的评估。
设计师可以通过有限元分析来验证设计方案的可行性，确定合适的材料和尺寸，并最终优化设计方案。
二、计算流体力学分析（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）计算流体力学分析是机械设计中另一个重要的CAE分析方法。
它用数值方法解决流体力学方程，对液态、气态流体的流动、传热、传质等进行模拟和计算。
在机械设计中，计算流体力学分析常用于气动性能、液压性能、热传导等方面的研究。
通过CFD分析，设计师可以预测流体在机械设备中的流动状态和传热效果，为设计方案的改进提供重要的参考。
三、多体动力学分析（Multibody Dynamics Analysis，简称MDA）多体动力学分析是机械设计中用于研究刚体与刚体之间相对运动的CAE分析方法。
它将机械系统视为由多个刚体组成的多体系统，通过求解动力学方程，计算系统中刚体的位移、速度、加速度等运动参数。
在机械设计中，多体动力学分析广泛应用于机构设计、机械振动、运动机理等方面的研究。
通过MDA分析，设计师可以了解机械系统的运动规律和力学性能，优化机构设计，提高系统的工作效率和稳定性。
四、耦合分析（Coupled Analysis）耦合分析是机械设计中将多个CAE分析方法整合起来进行综合分析的方法。
西工大机械设计第12章PPT
03 机械传动系统设计
传动系统概述
01
02
03
传动系统定义
传动系统是机械设备中用 于传递动力和运动的系统， 由一系列的传动件组成， 如齿轮、带、链等。
传动系统作用
将原动机产生的动力传递 给工作机构，实现动力的 传递、变速和方向转换等 功能。
传动系统类型
根据传动件的类型，可分 为齿轮传动、带传动、链 传动等类型。
动力学优化设计
优化设计目标
根据实际需求，确定优化的目标函数。
约束条件
确定设计变量的约束条件，如尺寸、重量 、性能等。
优化算法
优化结果评价
选择合适的优化算法，如遗传算法、粒子 群算法等。
对优化结果进行评价，选择最优设计方案 。
06 机械设计实例分析
实例一：减速器设计
减速器设计概述
减速器是机械传动系统中的重要组成部分，用于降低转速 、增加扭矩。在设计减速器时，需要考虑传动效率、功率 损失、热负荷、寿命和成本等因素。
实例二：发动机设计
发动机是机械设备中的动力源，其设计质量直接影响 到机械设备的性能和效率。发动机设计需要考虑功率、
效率、可靠性和成本等因素。
输入 标题
设计步骤
发动机设计包括确定工作循环和燃烧方式、选择合适 的燃料和润滑油、设计气缸和活塞、确定配气机构和 供油系统等步骤。
发动机设计 概述
发动机类型
发动机广泛应用于汽车、船舶、飞机和发电机组等机 械设备中。
齿轮传动设计
齿轮传动的特点
齿轮传动具有效率高、传动比大、工作可靠、使用寿命长等优点， 但制造和安装精度要求高，不适合大距离的传动。
齿轮材料选择
根据齿轮的工作条件和要求，选择合适的材料，如铸钢、锻钢、铸 铁等。
新版《机械设计基础》课后习题参考答案
机械设计基础习题参考答案机械设计基础课程组编武汉科技大学机械自动化学院第2章 平面机构的自由度和速度分析2-1画运动简图。
134522-2 图2-38所示为一简易冲床的初拟设计方案。
设计者的思路是：动力由齿轮1输入，使轴A 连续回转；而固装在轴A 上的凸轮2与杠杆3组成的凸轮机构将使冲头4上下运动以达到冲压的目的。
试绘出其机构运动简图，分析其运动是否确定，并提出修改措施。
43512 运动产生干涉解答：原机构自由度F=3⨯3- 2 ⨯4-1 = 0，不合理 ， 改为以下几种结构均可：2-3 试计算图2-42所示凸轮—连杆组合机构的自由度。
b)a)A EMDFELKJIFBCCDBA解答：a) n=7; P l =9; P h =2，F=3⨯7-2 ⨯9-2 =1 L 处存在局部自由度，D 处存在虚约束b) n=5; P l =6; P h =2，F=3⨯5-2 ⨯6-2 =1 E 、B 处存在局部自由度，F 、C 处存在虚约束 2-4 试计算图2-43所示齿轮—连杆组合机构的自由度。
BDCA(a)CDBA(b) 解答：a) n=4; P l =5; P h =1，F=3⨯4-2 ⨯5-1=1 A 处存在复合铰链b) n=6; P l =7; P h =3，F=3⨯6-2 ⨯7-3=1 B 、C 、D 处存在复合铰链2-5 先计算如图所示平面机构的自由度。
并指出图中的复合铰链、局部自由度和虚约束。
ABCDE解答： a) n=7; P l =10; P h =0，F=3⨯7-2 ⨯10 = 1C 处存在复合铰链。
b) n=7; P l =10; P h =0，F=3⨯7-2 ⨯10 = 1BDECAc) n=3; P l =3; P h =2，F=3⨯3 -2 ⨯3-2 = 1 D 处存在局部自由度。
d) n=4; P l =5; P h =1，F=3⨯4 -2 ⨯5-1 = 1A BCDEFGG'HA BDCEFGHIJe) n=6; P l=8; P h=1，F=3⨯6 -2 ⨯8-1 = 1 B处存在局部自由度，G、G'处存在虚约束。
《机械设计基础》习题集及答案概述.
《机械设计基础》课程习题集系部：适用专业：制定人：审核人：系（部）《机械设计基础》课程习题集第一章机械设计概论一、填空题。
1、机械零件最常见的失效形式有_______,_______,_______,_______,。
2、机械没计的“三化”指__________,__________,__________。
3、强度是指零件在载荷作用下抵抗__________的能力，强度可分为__________和__________。
4、刚度是指受载后抵抗__________的能力。
5、机械零件丧失预定功能或者预定功能指标降低到许用值以下的现象，为__________。
二、选择题。
1、机械设计这门学科，主要研究（）的工作原理、结构和设计计算方法。
A、各类机械零件和部件B、通用机械零件和部件C、专用机械零件和部件D、标准化的机械零件和部件2、设计一台机器包括以下几项工作:a、零件设计;b、总体设计;c、技术设计，它们进行的顺序大休上是( )。
A、acbB、bacC、bcaD、cba3、下列零件的失效形式中，不属于强度问题。
A、螺栓断裂B、齿轮的齿面发生疲劳点蚀C、蜗杆轴产生过大的弯曲变形D、滚动轴承套圈的滚道上被压出深深的凹坑4、在设计机械零件时，对摩擦严重的一些零件，要考虑其散热性，主要是由于（）。
A、在高温下将产生蠕变现象，出现较大塑性变形B、材料的机械性能下降，可能造成零件因强度不够而失效C、下产生较大的热变形，影响正常工作D、升高后，破坏了正常润滑条件，从而使零件发生胶合5、我国国家标准的代号是（）。
A、GCB、KYC、GBD、ZB三、是非题。
1、机器的各部分之间具有确定的相对运动，在工作时能够完成有用的机械功或实现能般的转换。
2、机构的各部分之间具有确定的相对运动，所以机器与机构只是说法不同而己。
3、由于强度不够引起的破坏是零件失效中最常见的形式。
4、表面失效主要有疲劳点浊、磨损和腐蚀等，表面失效后通常会增加零件的摩擦，使尺寸发生变化，最终导致零件的报废。
机械设计基础中的CAE原理与应用
机械设计基础中的CAE原理与应用在机械设计领域中，计算机辅助工程（CAE）是一种应用广泛的方法，它通过计算机模拟和分析技术，对机械系统的设计进行预测、分析和优化。
CAE技术的出现，为机械设计师提供了一种高效、准确的工具，能够在设计阶段就对产品的性能、可靠性进行评估，帮助设计师在短时间内找到最佳方案。
本文将探讨机械设计基础中的CAE原理与应用。
一、CAE的基本原理CAE是计算机辅助工程的缩写，它的基本原理是利用数值计算方法和仿真技术对机械系统进行建模、分析和优化。
CAE主要包括结构力学分析、流体力学分析和热传导分析等方面。
在机械系统设计中，CAE可以帮助设计师预测产品的受力情况、变形情况以及温度分布等，并通过分析这些数据来评估产品的工作性能。
二、CAE在机械设计中的应用1. 结构力学分析结构力学分析是CAE技术中应用最广泛的领域之一。
通过结构力学分析，设计师可以对机械零部件的受力情况进行准确的评估。
例如，在设计机械零部件时，可以通过CAE技术分析零件的应力分布情况，以确保零件的强度和刚度满足设计要求。
此外，结构力学分析还可以帮助设计师优化零件的设计，减少材料的使用量，降低成本。
2. 流体力学分析流体力学分析是CAE技术另一个重要的应用领域。
在机械设计中，流体力学分析可以帮助设计师分析液体或气体在机械系统中的流动情况。
例如，在设计管道系统时，可以通过CAE技术模拟流体在管道中的流动速度、压力分布等，以确保管道的设计符合流体力学要求。
此外，流体力学分析还可以帮助设计师改善流体系统的性能，提高能量利用效率。
3. 热传导分析热传导分析是CAE技术在机械设计中的另一个应用领域。
在机械系统中，热传导分析可以帮助设计师评估机械零件的温度分布情况。
例如，在设计发动机冷却系统时，可以通过CAE技术模拟冷却液在发动机中的流动情况，以评估零件的温度分布情况。
通过热传导分析，设计师可以找到可能存在的热点，并采取相应措施降低零件的温度。
机械工程中的CAE
《机械工程中的CAE》 主讲：许京荆 上海大学机电学院安全断裂分析研究室
节点和单元 (续)
信息是通过单元之间的公共节点传递的。
2 nodes
. .
A
.
. .
B
. .
. .
A
1 node
.
.
B
.
.
.
分离但节点重叠的单元 A和B之间没有信息传递 （需进行节点合并处理）
具有公共节点的单元 之间存在信息传递
7、平面应力问题
《机械工程中的CAE》 主讲：许京荆 上海大学机电学院安全断裂分析研究室
7、平面应力问题
《机械工程中的CAE》 主讲：许京荆 上海大学机电学院安全断裂分析研究室
8、平面应变
《机械工程中的CAE》 主讲：许京荆 上海大学机电学院安全断裂分析研究室
8、平面应变
机电学院安全断裂分析研究室
2、几何变形方程
《机械工程中的CAE》 主讲：许京荆 上海大学机电学院安全断裂分析研究室
2、几何变形方程
《机械工程中的CAE》 主讲：许京荆 上海大学机电学院安全断裂分析研究室
3、材料物理方程
《机械工程中的CAE》 主讲：许京荆 上海大学机电学院安全断裂分析研究室
4、边界条件
《机械工程中的CAE》 主讲：许京荆 上海大学机电学院安全断裂分析研究室
《机械工程中的CAE》 主讲：许京荆 上海大学机电学院安全断裂分析研究室
节点和单元 (续)
节点自由度是随连接该节点 单元类型 变化的。
J J
I L K
三维杆单元 (铰接) UX, UY, UZ
I L K
三维梁单元 UX, UY, UZ, ROTX, ROTY, ROTZ
机械设计基础了解机械设计中的CAE技术
机械设计基础了解机械设计中的CAE技术机械设计作为一门复杂而重要的学科，其涉及的技术不仅需要基本的设计能力，还需要了解并运用到一系列的辅助工具中。
计算机辅助工程（Computer-Aided Engineering，简称CAE）技术在机械设计过程中起着重要的作用。
本文将介绍机械设计中的CAE技术及其在实际工程中的应用。
一、CAE技术概述CAE技术是利用计算机辅助工程软件来模拟和分析产品性能的一种方法。
它通过建立适当的数学模型，并利用数值分析的方法，对产品的结构、材料、工艺等进行模拟和分析，从而预测产品的性能并进行优化设计。
CAE技术在机械设计中的应用非常广泛，包括结构分析、热传导分析、流体力学分析等。
二、CAE技术在结构分析中的应用在机械设计中，结构的强度和刚度是非常重要的考虑因素。
CAE技术可以通过有限元分析（Finite Element Analysis，简称FEA）来模拟和分析结构的应力、变形等性能。
首先，通过在计算机辅助设计（Computer-Aided Design，简称CAD）软件中建立结构的几何模型，然后将模型导入FEA软件中进行网格划分和材料属性定义。
最后，利用数值分析方法求解方程组，得到结构在不同工况下的应力和变形分布情况。
这些分析结果可以帮助设计师快速评估结构的安全性，并进行相应的优化设计。
三、CAE技术在热传导分析中的应用热传导分析是机械设计中另一个重要的方面。
在某些机械设备中，由于工作条件的不同，会产生大量的热量。
如果不合理处理这些热量，可能导致机械设备的过热，进而影响其正常运行。
CAE技术可以通过热传导分析来模拟和分析热场的分布情况，从而帮助设计师优化散热方案。
在热传导分析中，需要建立热传导方程和边界条件，并利用数值方法求解得到温度场的分布情况。
这些分析结果可以指导设计师选择合适的材料和散热方式，以提高机械设备的热传导性能。
四、CAE技术在流体力学分析中的应用流体力学分析在机械设计中也占据重要的地位。
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重力：打开“重力”对话框，可 在其中定义重力。 初始条件：打开“初始条件” 对话框，使用此对话框可指定初始位置 快照，并可为点、连接轴、主体或槽定 义速度初始条件。
质量属性：打开“质量属性” 对话框，使用此对话框可指定零件的质 量属性，也可指定组件的密度。
拖动：打开“拖动”对话框，使 用此对话框可将机构拖动至所需的配置 并拍取快照。
图12-7 电动机轴的确定
(4)运动分析
单击【机构】工具栏中的 【机 构分析】按钮，弹出【分析定义】对话 框，接受默认名称，在【类型】选项组 下拉列表中选择【运动学】选项，可以 观察曲柄滑块机构的运动情况。
在【图形显示】选项组中的【终止 时间】文本框中输入10，【最小间隔】 中输入0.1，表示每隔0.1s输出一个求解 值。
第12章 机械CAE分析
12.1
运动仿真及有限元分析的意义
12.2
Pro/E机构运动仿真分析
12.3
Pro/E有限元分析
【学习目标】 了解机构运动仿真及有限元分析的意义 理解CAE分析的内涵与实质 了解Pro/E中CAE分析模块的操作方法
12.1 运动仿真及有限元分析的意义
随着机械零部件行业的迅速发展和 市场竞争的日益激烈，如何提高产品品 质、增强产品的市场竞争能力、缩短产 品开发周期、降低成本已成为企业十分 重视的问题。 现代化的开发手段是提高企业竞争 力的重要保证。
12.2 Pro/E机构运动仿真分析
1 运动仿真模块功能
在建立机械设计模型后设计者往往 需要通过虚拟的手段，利用软件模拟所 设计的机构，达到在虚拟的环境中模拟 现实机构运动的目的，这就是机构运动 仿真的含义。
机构运动仿真对于提高设计效率降 低成本有很大的作用。 Pro/E的运动仿真与动态分析功能集 成在“机构”模块中，包括几何仿真和 实体仿真两个方面的分析功能。 使用几何仿真分析功能相当于进行 无阻尼运动仿真。
测量：打开“测量结果”对话 框，使用此对话框可创建测量，并可选 取要显示的测量和结果集，也可以对结 果出图或将其保存到一个表中。
轨迹曲线：打开“轨迹曲线”对 话框，使用此对话框生成轨迹曲线或凸 轮合成曲线。
3 机构的运动仿真
(1)建立机构模型 (2)进入机构运动仿真环境
单击菜单栏中的【应用程序】→【机 构】命令，进入机构运动仿真环境。如图 12-6所示。
图12-1 进入机构模块环境
连接轴设置：打开“连接轴设置” 对话框，使用此对话框可定义零参照、再 生值以及连接轴的限制设置。
凸轮：打开“凸轮从动机构连 接”对话框，使用此对话框可创建新的 凸轮从动机构，也可编辑或删除现有的 凸轮从动机构。
槽：打开“槽从动机构连接”对 话框，使用此对话框可创建新的槽从动 机构，也可编辑或删除现有的槽从动机 构。
测量
112.4091351 102.4091351 92.40913511 82.40913511 72.40913511 0 2 4 6 8 10 12
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
时间(秒)
（a）
AnalysisDefinition1::v (mm / sec)
35.34455481 30.34455481 25.34455481
弹簧：打开“弹簧”对话框，使 用此对话框可定义弹簧，也可编辑、移 除或复制现有的弹簧。
图12-2 机构模块下的主界面
图12-3 模型树菜单
图12-4 工具栏图标
阻尼器：打开“阻尼器”对话 框，使用此对话框可定义阻尼器，也可 编辑、移除或复制现有的阻尼器。
力/扭矩：打开“力/扭矩”对话框， 使用此对话框可定义力或扭矩，也可编辑、 移除或复制现有的力/扭矩负荷。
齿轮：打开“齿轮副”对话框， 使用此对话框可创建新的齿轮副，也可 编辑、移除复制现有的齿轮副。
伺服电动机：打开“伺服电动 机”对话框，使用此对话框可定义伺服 电动机，也可编辑、移除或复制现有的 伺服电动机。
执行电动机：打开“执行电动 机”对话框，使用此对话框可定义执行 电动机，也可编辑、移除或复制现有的 执行电动机。
2 运动仿真模块工具栏
在装配环境下定义机构的连接方式后，单 击菜单栏中【应用程序】→【机构】命令，如 图12-1所示。 系统进入机构模块环境，呈现如图12-2所 示的机构模块主界面：模型树增加了如图12-3 所示“机构”一项内容，窗口右边出现如图124所示的工具栏图标。
工具栏的每一个图标与下拉菜单的 每一个选项相对应。 用户既可以直接单击快捷工具栏图 标进行相关操作，也可以通过菜单选择 进行操作。 如图12-4所示的部分工具栏图标功能 的含义如下。
连接：打开“连接组件”对话框， 使用此对话框可根据需要锁定或解锁任意 主体或连接，并运行组件分析。
分析：打开“分析”对话框，使 用此对话框可添加、编辑、移除、复制 或运行分析。
回放：打开“回放”对话框，使 用此对话框可回放分析运行的结果，也 可将结果保存到一个文件中、恢复先前 保存的结果或输出结果。
图12-10 仿真动画的播放与创建
图12-11 位移测量设置
（a）
（b）
图12-12 速度、加速度测量设置
图12-13 当前位置的测量目标值
图12-14 在同一坐标系中的测量目标曲线
AnalysisDefinition1::s (mm)
142.4091351 132.4091351 122.4091351
如果要输出更多求解值，则可减少间隔 值，但程序运行时间会增加，如图12-9所示 。 单击【运行】按钮，可以查看曲柄滑块 机构的运行情况。 单击【确定】按钮，退出该对话框。
图12-8 电动机运动参数的确定
图12-9 确定运行时间和间隔
(5)结果分析
（1）回放并保存分析结果。 （2）分析滑块上一点的位移、速度、加 速度。
图12-12 机构装配体
图12-6 机构运动仿真环境
(3)创建伺服电动机
单击【机构】工具栏中的 【伺服电动机】 按钮，弹出【伺服电动机定义】对话框，如图12-7 所示。 可以修改电动机的默认名称为diandj，在绘 图区选择曲柄轴连接轴作为伺服电动机的驱动对 象，可通过单击【反向】按钮改变曲柄转向。