CAE技术在某型机械手强度分析中的应用
CAE(计算机辅助工程)技术及其应用
材料力学和弹性力学研究的对象都是弹性范围 内的小变形，对于大变形、塑性问题等工程实 际中经常遇到的问题，皆无能为力。
理论上的缺陷为工程实际的计算和产品的优化 设计造成了很大的困难。
（3）计算机辅助工程（CAE）
CAE技术是有限单元法（包括有限条、有限体积、有限差分等）与计 算机结合的产物。 在现代设计流程中，CAE是创造价值的中心环节。事实上，CAE技术 是企业实现创新设计的最主要的保障 。
软件：软件是CAE分析的主体。开发功能强大、易于使用、运 算速度快的分析软件是关键。
六、国外CAE技术的现状
国外对CAE技术的开发和应用真正得到高速的发展和普遍应用则 是近年来的事。这一方面主要得益于计算机在高速化和小型化方 面取得的成就，另一方面则有赖于通用分析软件的推出和完善。
各国都在投入大量的人力和物力，加快人才的培养。
CAE从60年代初在工程上开始应用到今天，已经历了30多年的 发展历史，其理论和算法都经历了从发展到日趋成熟的过程， 现已成为工程和产品结构分析中（如航空、航天、机械、土木 结构等领域）必不可少的数值计算工具。
CAE的应用领域由最初的固体力学发展到热传导、流体动力学、 电场分析、磁场分析以及多场耦合等领域。 在力学领域的应用已由最初的强度、刚度问题发展到屈曲稳定 性、动力响应、接触问题、弹塑性、大变形等力学性能的分析 计算以及结构性能的优化设计等。
确解。 2、应力近似解在精确解上下振荡。在单元内，某些点上的近
似解等于精确解。。
u a1 a2x a3 y v a4 a5x a6 y
三、CAE技术在工程中的应用举例
早在70年代初期就有人给出结论：有限元法在产品设计中的应 用，使机电产品设计产生革命性的变化，理论设计代替了经验 类比设计。
CAE 技术应用实例举例
CAE技术应用实例举例前言：随着社会的发展，CAE（Computer Aided Engineering,计算机辅助工程）技术是以有限元分析作为基础的系列分析软件工具的集合，它在国家制造业中占有举足轻重的地位，早已成为诸如汽车、航空等重工业技术领域制造和创造的核心技术。
因此了解CAE技术的应用是作为一名机械专业学生必须的只是储备。
关键词：CAE技术汽车领域航空领域体育应用一、CAE技术在汽车整车设计中的应用运用CAE技术可以很好的指导整车的设计。
在概念设计阶段建立设计目标，在详细设计阶段完善并模拟相关重要性能指标，通过CAE软件工具对产品进行综合分析，找出不足之处并提出解决方案，最后进行碰撞等多种安全性验证试验。
由CAE主导的汽车产品设计活动在设计环节进行反复验证和模拟，极大地提高了成品的研发周期和生产效率。
CAE在整车开发中分析的内容主要包括：强度与刚度分析、NVH分析、耐久性分析、汽车防撞性与乘员安全性分析、流体分析；具体的工具软件主要分为三个方面：结构问题方面：ABAQUS、LS-DYNA、PAM-CRASH、RADIOSS等，动力学方面：ADAMS 等，流体方面：CFD等。
此外，CAE软件还在整车的动力学分析方面起到重要作用，主要包括：整车操纵稳定性仿真、悬架及转向系统运动学仿真、钢板弹簧后悬架运动学仿真、整车平顺性仿真等。
二、CAE技术在航空领域的应用在航天领域设计过程中CAE所具备的强大的分析功能使之发挥的作用决不可被替代，包括：静力学分析、模态分析、谐响应和瞬态动力学分析、热应力分析、接触分析、屈曲分析；此外流体应用通过利用Gambit建立几何模型、划分网格、指定边界类型及各种初始条件然后求解处理，可以解决定常与非定常，可压缩与不可压缩，湍流模型，有粘与无粘等系列问题。
在航天器零件制造中采用最新的CAD/CAE/CAM来实现零件三维设计，可以极大地缩短产品研发周期，提高产品的设计准确性，从而大大降低模具生产成本。
CADCAE技术在机械设计与模具设计中的应用
CAD/CAE技术在机械设计与模具设计中的应用作者：宜万春来源：《科学导报·科学工程与电力》2019年第17期【摘 ;要】在国内工业高速发展的今天，我们的机械以及模具等产品的设计也朝向多元化而且多功能的方向进行发展，机械设备以及模具的制作难度持续提升，而且整体成本不断提高。
基于满足市场整体需求的考量，进一步降低设计以及后期制作加工的整体难度。
当前背景之下，如何更好的应用CAD/CAE技术来进行机械以及模具的设计当前已经成为机械以及模具制造厂商的最佳选择。
文章以CAD/CAE技术在机械以及模具设计之中的以你够用展开必要的分析，以供相关人员参考。
【关键词】CAD/CAE 技术;计算机;模具设计;机械设计1.CAD/CAE技术所谓的CAD技术是指立足于计算机技术的应用来开展实物模拟的技术手段之一，其能够很好的进行外形、质感、结构以及色彩等相关要素的，目前其在航天工业、工业设计、汽车制造以及印刷等行业都获得了尤为广泛的应用。
单纯从产品上面来看，CAD技术具备模拟设计、设计修改、标准组件以及版本控制等等一系列功能。
而CAE则是一种分析以及求解的方式，主要包括：弹塑模量、刚度以及动力响应等相关的对象。
当前，我们在设计领域最为常见的CAD/CAE软件主要包括solidworks以及Pro/Engineer等等。
而这其中Pro/Engineer所具备的最大优势就是其能够开展高质量的参数优化工作，而且本身的建模功能也较为强大，在模具以及机械设计当中的应用尤为广泛。
2.机械以及模具设计之中CAD/CAE技术的主要应用方式分析2.1机械设计中CAD/CAE技术的应用CAD技术在机械设计当中最主要的作用体现在零件的装配以及设计上面。
而后期在零件刚度、强度以及整体尺寸上面的相关要求则一人是依照传统的计算方式来进行确定。
传统的计算方式的计算量相对较大而且整体效率较低、设计的整体修改难度相对较大，整体效率明显较低，对于保证计算整体结果而言较为不利，基于此引入了CAE技术。
关于cae技术及其应用的参考文献
一、CAE技术概述CAE (Computer Aided Engineering) 技术是指利用计算机软件和相关工程学原理对工程设计进行分析、优化和验证的技术。
其主要包括有限元分析、流体力学分析、热力学分析等内容。
CAE技术的应用可以有效地提高工程设计的效率和精度，减少试错成本，加快产品研发周期，提高产品质量。
在工程设计领域的应用非常广泛，涵盖了汽车、航空航天、电子、机械等多个行业。
二、CAE技术在汽车工程领域的应用汽车工程领域是CAE技术的一个重要应用领域。
在汽车设计过程中，CAE技术可以用于车身结构强度分析、碰撞仿真、疲劳分析、气动性能分析等多个方面。
通过CAE技术，工程师可以在计算机上进行虚拟仿真实验，快速评估设计方案的可行性，预测产品的性能，优化设计方案，减少试验成本和时间。
CAE技术在汽车工程领域的应用已经成为汽车制造商和汽车零部件供应商不可或缺的工具。
三、CAE技术在航空航天工程领域的应用在航空航天工程领域，CAE技术也发挥着重要作用。
航空航天产品的设计周期长、成本高，因此对产品的性能要求非常严苛。
通过CAE技术，工程师可以对飞机结构、发动机性能、航空器气动性能等进行精细的分析和优化。
CAE技术也可以在飞行器的设计验证和飞行仿真中发挥重要作用。
由于航空航天产品的研发往往需要大规模复杂的计算和仿真，因此对计算机软件和硬件性能有较高的要求。
四、CAE技术在电子产品设计领域的应用随着电子产品的不断更新换代，产品设计的竞争日益激烈。
CAE技术在电子产品设计领域应用广泛，例如电路仿真、热学分析、电磁兼容性分析等。
通过CAE技术，工程师可以在产品设计的早期阶段发现问题，避免在后期产生成本和时间上的浪费。
尤其对于高频高速电子产品，如通信设备、计算机芯片等，CAE技术的应用更加重要。
五、CAE技术发展趋势随着计算机硬件性能的不断提升和计算机仿真软件的不断完善，CAE 技术在工程领域的应用前景十分广阔。
CAE仿真技术在内燃机设计中的应用
CAE 仿真技术在内燃机设计中的应用简介✓曲轴强度分析 ✓ 主轴承座强度分析 ✓ 连杆强度分析 ✓ 活塞强度分析 ✓附件支架强度分析内燃机在结构设计中需要考虑不同工况下各零部件的应力和变形。
ANSYS 软件可以帮助解决在不同的工况条件下，结构零部件的强度、刚度及稳定性校核问题。
✓ 曲轴、连杆、活塞组件的运动仿真 ✓ 凸轮机构的动力学 ✓ 皮带传动系统的动力学内燃机结构复杂，在研发过程中常涉及到强度、刚度、噪声、疲劳寿命、结构优化等多方面的工程问题，同时由于其高温高压的工作特性，一些性能参数如压力、功率、油耗更是设计中的重点，这就需要对内燃机的气动性能、冷却、喷油及燃烧等进行优化。
随着现代CAE 仿真技术的日趋成熟，企业完全可以将这种先进的研发手段与试验和经验相结合，形成互补，从而提升研发设计能力，有效指导新产品的研发设计，节省产品开发成本，缩短开发周期，从而大幅度提高企业的市场竞争力。
ANSYS 软件可以分析往复式活塞的曲柄连杆活塞机构运动过程，通过输出零部件的位移、速度、加速度等运动曲线，了解机构的运动特性。
✓ 活塞的疲劳分析✓ 连杆、曲轴的疲劳分析 ✓ 附件支架等的疲劳分析产品的抗疲劳性能和可靠性会直接影响其在市场竞争中的成败。
ANSYS 高级疲劳分析和设计软件可以分析内燃机零部件由于反复运动引起的高、低周疲劳问题及接管焊缝疲劳问题。
✓ 动力总成、曲轴、油底壳、附件支架等的模态分析借助ANSYS 软件动力学分析功能，对内燃机及部件进行模态分析，以评估其振动特性，通过合理地结构优化，可以降低振动。
✓进气歧管、空滤器、进气道流阻分析✓各缸充气均匀性分析内燃机进气系统对其效率起着非常重要的作用，运用ANSYS流体动力学分析软件对进气系内气体的流动效果进行分析，可以优化进气系统、减少流动损失、提高流动效率，对于多缸内燃机，优化充气均匀性，改善工作稳定性。
✓喷嘴结构改进与空化现象分析✓燃油雾化过程分析：油束形态、雾化粒度、贯穿距离等对于柴油机或直喷式汽油机，喷油系统应保证喷油量、喷油起止时刻与内燃机的转速和负荷相适应，喷油规律、喷油压力、雾化程度、贯穿距离等参数应负荷各工况的需要。
CAE 技术在现代农用机械设计中的应用
CAE 技术在现代农用机械设计中的应用作者：陆明月等来源：《广东蚕业》 2019年第9期DOI：10.3969/j.issn.2095-1205.2019.09.22陆明月高刚毅（荆楚理工学院湖北荆门 448000）[作者简介：陆明月（1997- ），男，汉族，湖北云梦人，本科在读，研究方向：机械设计制造及其自动化；高刚毅，荆楚理工学院讲师，研究方向：机械系统设计及控制。
]摘要在农业机械设计的过程用，合理地运用CAE技术可以使结果得到有效的优化，并且在这个过程当中，可以利用该项技术来模拟农业机械整个的具体运行过程，从而有助于设计工作的效率。
文章阐述了CAE技术的内容、发展及趋势，介绍了CAE技术在农业机械设计当中的应用。
关键词 CAE技术；农业机械设计；应用中图分类号:S220.2 文献标识码:C 文章编号:2095-1205(2019)09-41-02在信息时代中，各种不同的高新技术应运而生，CAE技术也得到了迅速发展，逐渐受到相关领域的关注，通过将CAE技术与机械设计进行有机结合发现，其在我国农业发展的效率中具有明显的提升作用，具有现实意义。
但是由于农业机械具有其独有的特殊性质，例如，其工作的环境条件一般比较恶劣，而且服务对象并不单一等，也对CAE技术的发展目标提出了一些新的其他需求。
文章从农业机械的设计这一问题角度出发，叙述了CAE技术的现状信息，探析了CAE技术的具体应用。
1 概述1.1 CAE技术CAE（Computer Aided Engineering）技术在其应用过程当中是将计算机作为辅助性的工具，对物体的各项结构特征进行数值分析、计算，进而对一些较为复杂的工程进行相关的优化处理，以获得相关构造的性能规律特征。
CAE技术包含两项核心内容，即有限元理论和数值分析方法。
前者是在得到问题的解的值域之后，对其进行划分，使其成为由若干个有限元结构组成的解域。
在这当中的每一项元素都是通过一个个节点进行连接的，同时在这些节点上进行元素之间的交互表达。
电动工具研发中的CAE技术应用
现一次试产成功 。
・
复杂 ，前 处理一般 需要去倒角 、合并碎面、清
除碎 面 等 。普 通 ＣＡＥ前 处 理 软 件 都 不 能 在 短
期 内完 成 跌 落 分 析 网格 模 型 ，也 不 能 保 证 网格
・
Ｄ ＭＥ Ｆ Ａ，成 为 同类 产 品设 计 的 指 引 。 新产 品初 步 定 型后 ，ＣＡＥ工程 师 就 可 以对 ３ Ｄ模 型 进行 跌 落 分析 。根 据 计算 经 验 ，从 对 电
・ ＭＳ Ｐ ｔａ ／ Ｃ． ｔａ — — 产 品跌 Ｃ． ａｒ ｎ ＭＳ Ｄｙ ｒｎ 落 分析 。
１ 跌 落仿真分析
跌落失效是 电动工具最普遍 的一种失效模
式 ，是产 品设计 中的一 个重要环 节。 电动 工具
机壳 等组件 既要保证 外形美观 、结 构轻巧 ；又
要保证 具有足够 的强度 ，能通过跌 落测试 ，避 免在低温 、高 空作业等恶劣环 境条件 下造成跌 落损坏 。 目前 ，设计 阶段的跌 落试 验越来越 多 地 由计算机仿 真技术完成 ，极 大地 提高 了企业 研 发能力和产 品竞争力 ，并极大地 降低 了产 品 投放市场的周期和成本 。 ＭＳ Ｄｙ ｒ ｎ可 以进行跌落试验的数字仿 Ｃ． ｔａ
动工 具的模 型简化 到提供 分析报 告 ，改结 构，
再 分析 ， 期 不超 过 １ 。整 个分 析 流程 如 下 。 周 ０天
美 工 线 ， 胶 位 ， 口台 阶 一 步 合 并 软 止
台 阶部 位 的 网格 很 规 则
合 并 特 征 ／ 除小 的倒 角 去
的质量 ，导致 求解 时 间长 、结 果不 准确 。经过 不 断尝试 ，目前 采用 的是 的 四面体和 六 面体 网格 结 合 的方 式作 网格 ，网格 的 大小整 体 采用 ２５ ．ｍｍ ， 局部 采 用 Ｉ ，一 般 前处 理 的 时 问根 据 模 型大 ｍｍ 小和 熟练程 度控 制在 ２～ ４天完成 。
CAE丨浅析CAE作用及主流CAE软件
CAE⼁浅析CAE作⽤及主流CAE软件CAE(Computer Aided Engineering）是⽤计算机辅助求解复杂⼯程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动⼒响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等⼒学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的⼀种近似数值分析⽅法。
CAE从60年代初在⼯程上开始应⽤到今天，已经历了50多年的发展历史，其理论和算法都经历了从蓬勃发展到⽇趋成熟的过程，现已成为⼯程和产品结构分析中(如航空、航天、机械、⼟⽊结构等领域）必不可少的数值计算⼯具，同时也是分析连续⼒学各类问题的⼀种重要⼿段。
随着计算机技术的普及和不断提⾼，CAE系统的功能和计算精度都有很⼤提⾼，各种基于产品数字建模的CAE系统应运⽽⽣，并已成为结构分析和结构优化的重要⼯具，同时也是计算机辅助4C系统（CAD/CAE/CAPP/CAM）的重要环节。
01 CAE到底是什么CAE（Computer Aid Engineer，计算机辅助⼯程）。
按中国话的语法习惯，“计算机辅助⼯程”是不太容易理解的，⼯程有什么好辅助的呢，这⾥可以换⼀种说法：“计算机辅助⼯程计算”，是不是觉得好理解了些呢。
将CAE理解为计算机辅助⼯程计算，以与计算机辅助⼯程设计（CAD）相区分，以避免混淆。
⼜有⼈问了：“⼯程计算指的是什么？⼯程上有什么需要计算的？设计完了不就OK了么？”那么我要问了：“设计的出来的各种数据是凭空想象出来的么？产品的长宽⾼、材料的性能要求、加⼯装配要求等等各种要求是拍脑袋得到的么？难道不需要计算？”。
因此在⼯程上，CAE 所做的计算⼯作是⽤于产品设计的，是为产品设计服务的。
(在科学研究上，CAE有另外的⽤途，后⾯再说。
)在产品设计的前期、中期及后期，都有可能会应⽤到CAE。
在前期，CAE主要⽤于概念设计；在中期，CAE主要⽤于优化设计；在后期，CAE主要⽤于性能校核。
CAE的位置越靠前，对产品设计越有利。
很不幸的是，⽬前我们国家CAE的应⽤⼤部分⽤于产品设计末期，上述⽤得好的企业可能⽤于中期。
基于CAE分析的机械结构优化设计
基于CAE分析的机械结构优化设计随着科技的进步和创新，机械结构在工业领域发挥着至关重要的作用。
然而，设计一种高效稳定的机械结构并非易事。
为了提高机械结构的性能和可靠性，基于CAE分析的结构优化设计成为了研究的热点。
本文将就基于CAE分析的机械结构优化设计进行探讨。
首先，我们需要明确为什么要进行结构优化设计。
在工程中，机械结构的设计往往需要满足多个复杂的约束条件，比如自重、强度、刚度、稳定性等。
在过去，设计师通常是依靠经验和试错方法进行结构设计，这不仅费时费力，而且结果并不一定令人满意。
而通过CAE分析，可以通过模拟和仿真的手段预先评估各种设计方案的优劣，从而提前避免设计错误，加速产品开发周期。
其次，介绍CAE分析在机械结构优化设计中的应用。
CAE即计算机辅助工程，是一种利用计算机对工程问题进行分析和求解的方法。
在机械结构优化设计中，CAE工具可以帮助设计师对结构进行强度、刚度、疲劳寿命等方面的分析，并提供反馈信息，指导设计师进行调整和优化。
通过CAE分析，设计师可以更加全面地了解结构的行为特性，发现潜在的问题，并针对性地改进设计方案。
接着，讨论CAE分析在机械结构优化设计中的具体方法和技术。
常用的CAE分析方法包括有限元分析、流体力学分析、热力学分析等。
以有限元分析为例，它是一种通过将结构划分成有限个小单元，然后利用近似方法对每个小单元进行计算，最终得到整个结构的应力、应变等结果的方法。
有限元分析可以帮助设计师更直观地了解结构的强度和刚度，通过对不同设计参数的调整，可以找到一个最佳的设计方案。
此外，CAE分析在机械结构优化设计中的应用还可以包括多学科耦合分析、敏感度分析等。
多学科耦合分析是指对多个学科（如结构、流体等）进行耦合分析，以综合优化结构设计方案。
敏感度分析则是通过改变设计参数，观察结构响应的变化，从而确定设计参数对结构性能的敏感程度。
这些方法和技术的综合运用，可以帮助设计师更精确地进行结构设计和参数优化。
机械CAD-CAM技术与应用第五章 计算机辅助工程分析技术(CAE)
14
三、优化设计的数学模型
1.设计变量
设计变量是设计时待定的参数，是可变化的量，有两 种变量类型：一是几何参数；另一类是物理参数
2.目标函数
目标函数是通过设计变量表示的设计所追求的某种性 能指标的数学表达式。
3.约束条件
约束条件是对设计变量的取值范围给予某些限制的数 学关系式。
11
三、有限元分析的后置处理 有限元分析的后置处理主要对分析结果进行综
合归纳，并进行可视化处理，其内容主要包括： ① 对应力和位移排序、求极值，检查应力和位
移是否超出规定值 ② 显示单元、节点的应力分布 ③ 动画模拟结构变形过程 ④ 应力、应变和位移的彩色浓淡图或等值线、
等值面、刨切面、矢量图显示，绘制应力应 变曲面等。
3
数表程序化处理： 简单数表和函数表列表均是结构化的数
据，一维数表、二维数表或多维数表分别 与计算机语言中的数组对应，通过程序对 数组赋值和调用来实现数据的获取。
由于函数表列表中函数值与自变量间存 在函数关系，因此，当所检索的自变量值 不是数表列出的节点值时，不能像简单数 表取整的方法进行取值，而必须用插值计 算的方法求出其相应值。
5
所谓数表公式化处理是运用计算方法中曲线拟 合（逼近）的方法，构成函数来近似地表达数表 的函数关系。最小二乘法是曲线拟合最常用函数 逼近法。
数表程序处理实例： 用齿轮标准模数选取实例说明数表输入
、检索处理的有关问题。
6
第二节 有限元分析方法
一、有限元法的基本原理和分析方法
有限元法（Finite Element Method，简称FEM）是一 种数值离散化方法，根据变分原理求其数值解，适合 于求解结构形状及边界条件比较复杂、材料特性不均 匀等力学问题。
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４２ 计算机与数字工程 第３５卷
ＣＡＥ技术在某型机械手强度分析中的应用
张良春
（郑州机电工程研究所郑州４５００５２）
摘要某转运装置的机械手是该装备的核心部件，它的强度直接决定整套设备使用效率和寿命，并且是安全性保障
的重要一环。传统的分析方法不能准确地给出其强度分析结果。本文通过ＣＡＥ技术手段的应用，给出了一种有效的分析
方法，可以准确地分析其强度。同时，本文为这样一类典型问题的分析提供了一种很好的解题思路，就是充分地利用ＣＡＥ
软件工具为工程技术设计服务，具有一定的借鉴价值。
关键词机械手ＣＡＥ技术有限元分析仿真
中图分类号ＴＰ３０１．６
１ 问题背景
某型转运装置的机械手是该装备的核心部件，
它的强度直接决定整套装备使用效率和使用寿命，
甚至是装备安全使用的重要环节。所以，设计人员
需要准确地了解其在工作环境中的变形等技术参
数，以便于进行进一步的优化设计和制定相应的使
用技术指标等。通过对该机械手直接建立有限元
图１机构手结构图
模型（如图１所示：ＡＮＳＹＳ有限元分析软件建立的
模型）进行分析，得到的结果特别不理想。进一步
的分析是采用接触问题分析求解，在提供一个更为
准确的约束条件前提条件下，可以得到更为准确的
分析结果。但是，接触问题是ＡＮＳＹＳ有限元分析
软件中的比较复杂的问题，尤其是确定接触面，是
解决接触问题的第一步，它的准确与否将直接决定
着分析结果准确性。传统的分析方法大多采用经
验估计的方法或理想假设的方法，当然分析的结果
具有不确定性。我们采取了这两种假设接触条件
进行了分析，所得到的结果仍然距离要求差别较
大。经过分析，我了解到，如何较准确地确定此接
触问题的接触面才是解决这一问题的关键。
２ 解决问题的思路
我们设想首先通过ＡＤＡＭＳ软件仿真的方法
确定接触的理论位置和接触力，只要建立起准确的
仿真模型，施加准确的边界条件，就可以得到结果，
这些我们可以较快地完成。利用ＡＤＡＭＳ软件仿
真计算得到的接触力作为初始条件，建立机械手的
轴ＡＮＳＹＳ软件的有限元分析模型，通过ＡＮＳＹＳ软
件就可以初算出接触变形。从而，根据前述ＡＤ—
ＡＭＳ软件计算触地接触位置和上述ＡＮＳＹＳ软件计
算出的接触变形，就可以准确地确定出接触面，即
它的大小、位置，这为进一步的接触问题的求解奠
定了基础。
本文不仅给出了一类典型问题的分析方法，还
就ＡＤＡＭＳ软件和ＡＮＳＹＳ软件两大软件的结合应
用做出了有益的尝试，具有一定的借鉴价值。
３具体分析过程
３．１ 普通有限元分析方法分析
我们采取普通的有限元分析方法分析如图１
所示的一个机械手，我们分析的目的是要对此机械
手建立有限元分析模型，得出其结构强度，然后进
行优化设计。问题是经过初步分析，发现其轴根部
有应力集中，达到了３１００兆帕，如图２所示。经过
收到本文时间：２００６年ｌ１月１５目
作者简介：张良春，男，现任郑州机电工程研究所科技发展公司副总经理，主管技术研发工作。
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第３５卷（２００７）第４期 计算机与数字工程 ４３
讨论分析，发现是加载约束时，用在轴上的是固定
约束，这显然是过强的约束，实际的工况中轴和外
部是接触约束。现在问题是在前部爪手的某种受
力状况下，轴上接触力多大？轴跟其外部接触面的
接触位置在哪里？这是接触分析的初始条件。
图２初步有限兀分析结果
３．２采取接触有限元分析
在前部爪手受力如图３所示的情况下，根据经
验估计，我们假设轴和接触面四分之一面接触，经
过有限元接触分析，原来３１００兆帕的应力集中的
地方应力减少为１６８０兆帕。结果也在如图３标示
给出。虽然这一结果仍然差距较大，但这给我们一
个提示，准确地确定接触位置和接触面可以使得分
析结果更为准确。如何才能够准确地确定接触位
置和接触面的大小呢？借助ＡＤＡＭＳ软件的仿真
功能可以帮助我们解决这一棘手的问题。这就是
我们解决此问题的关键所在。
图３ 四分之一接触１段设的分析结果
３．３建立ＡＤＡＭＳ仿真模型求解接触条件
首先建立ＡＤＡＭＳ仿真模型，加载机械手的各 种约束关系，在这种受力情况下，比较容易地仿真 计算出受力的大小和方向。如图４所示。受力的 方向可以确定接触面位置。接触力的大小可以用 来计算初始变形，通过建立机械手的轴有限元模 型，根据此接触力求解出轴上出示变形量，用ｈ表 示出是变形量，从而，可以根据接触的几何关系计 算出接触面的宽度。 图４ ＡＤＡＭＳ仿真模型 根据轴和接触面的关系，可以进行单独的初始 有限元分析，以确定轴在接触面上的初始变形。可 以假设初始分析的最大变形量就是初始变形ｈ。 如图５所示，是一个初始分析计算实例。 图５轴初始变形分析 初始有限元分析是指轴和接触面在接触力条 件下的变形分析，我们主要是为了得到轴的初始变 形，即轴被压缩了多少？这是计算出接触面的 依据。 ３．４接触面宽度的计算 假设初始变形为ｈ，下面给出两种情况的接触 宽度Ｓ的计算公式，供参考： ａ．当“圆一面”接触时 ：２ Ｉ＿２ （１） 式中一为轴（圆）的半径。
参考图６一ａ）。推导过程略。当ｈ＜＜ｒ时，
公式（１）可以简化为：
Ｓ ２ （２）
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张良春：ＣＡＥ技术在某型机械手强度分析中的应用 第３５卷
ｂ．当“圆一圆”接触时
ｓ＝２ ｈ（２ｒ－ｈ＋）６（ｒ＋６）
ｈ 一 （３） ＋６ 、
式中６＝Ｒ—ｒ，为“圆一圆”接触间隙。
参考图６一ｂ。推导过程略。当ｈ、８＜＜ｒ时，
公式（３）可以简化为：
ｒ
√ ｈ ４－ ，、／ （４）
事实上，“圆一面”接触是“圆一圆”接触的特
例，即：８＿＋＋∞的情况，可由公式（３）取８一＋∞得
到公式（１）。
ｈ＼／
‘ ／。
Ｓ
ａ）圆面接触 ｂ）圆圆接触
图６接触宽度计算示意图
３．５接触有限元分析
我们在解决机械手强度分析问题时采用的是
公式（４）计算出的接触面宽度。这种方法虽然也
是一种近似的方法，但比经验的估计值要精确的
多，可以用来作为接触分析的初始值。经过分析，
我得到了较好的分析结果。如图７所示。
４解决步骤
综上所述，归纳此类问题的解决步骤如下：
ａ．通过ＡＤＡＭＳ软件仿真计算确定接触力的
方向角０和接触力大小Ｆ；
ｂ．建立轴的ＡＮＳＹＳ软件有限元模型，计算在
受力Ｆ时的初始变形ｈ；
Ｃ．按公式（２）或（４）计算出接触面的宽度Ｓ；
ｄ．建立带接触面的机械手有限元模型，按照
方向角０和接触面宽Ｓ分割出接触面；
ｅ．划分网格、设置接触对；
ｆ．添加接触实常数、添加约束、加载荷；
ｇ．有限元分析求解；
ｈ．后处理，结果分析。
图７接触分析结果示意图
５ 结束语
按照这一确定接触面的方法，我们对机械手重
新进行了接触有限元分析，通过调整接触的摩擦系
数，我们给出了各种摩擦系统情况的比较好的应
变、应力结果，如图７所示（隐去了接触体）。可以
看出机械手轴根部的最大应力为７１７兆帕。这一
数据对设计人员具有重要的参考意义。图中的“失
真处”是因为加载集中载荷所致，不影响力的传递，
即不影响其它处的应力与应变值的意义。
本课题的接触分析的思路和分析步骤为解决
同类问题提供了一个有效的方法；ＡＮＳＹＳ软件有
限元分析结合ＡＤＡＭＳ软件的仿真有效地充分地
利用了现有的ＣＡＥ软件工具；本课题的完成也体
现了一种多专业结合的方式解决问题的方法。
参考文献
［１］ＡＮＳＹＳ软件用户手册ＶＥＲ５．７
［２］ＡＤＡＭＳ软件用户手册ＶＥＲ１１．０
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