【文章內容簡介】 研究內容 及目的 吊管機主要實現(xiàn)的工作有吊鉤的升降，吊臂的擺動和配重的升降。 其主要的工作裝置 —— 吊臂 的 工作環(huán)境 十分惡劣 ，吊臂的結構強度是否滿足施工要求變成了 一個急河北工業(yè)大學 2020 屆本科畢業(yè)設計說明書 5 待解決的問題。 為了 GDY50 吊管機工作的安全性、工作裝置的優(yōu)化設計和主要受力部件的安全，本文 首先利用 UG 進行吊臂的三維建模，再 利用 目前最主流且最具優(yōu)勢的結構分析方法 —— 有限元分析法對 GDY50 吊管機吊臂的 結構強度 進行分析計算 ，校驗其是否滿足既定要求。 其中用到的有限元軟件有 UG， ANSYS和 ABAQUS，由于 ABAQUS需要的數(shù)據(jù)較多且在數(shù)據(jù)不多的 情況下結果和顯示不是很理想，本文只論述了 UG 和ANSYS。 得出正確結果，以便指導工程設計 ，增加吊管機工作的安全性 。 河北工業(yè)大學 2020 屆本科畢業(yè)設計說明書 6 2 工作裝置 三維 模型的建立 建模工具 UG 簡介 UG 全稱 Unigraphics NX， 是 Siemens PLM Software 公司推出的 工程 分析解決軟件，它把 產(chǎn)品的設計加工過程進行了數(shù)字化的處理，這樣就可以大大的減少 操作人員的工作量 ， 節(jié)省 了大量的 時間。 Unigraphics NX 針對用戶的虛擬產(chǎn)品設計和工藝設計的需求，提供了經(jīng)過實踐驗證的解決方 案。這是一個設計人員與機器雙向交流的系統(tǒng)，它的功能非常強大，對于各種復雜繁瑣的造型它可以輕松的實現(xiàn)造型 。 UG 最開始主要的用戶是工程師們，隨著電腦技術的發(fā)展和軟件的優(yōu)化 處理 等 ，個人電腦上使用 UG 的用戶越來越多，這就大大提升了 UG 的用戶市場，也很大程度上刺激了 UG 的發(fā)展和進步。 其中 UG 主要的功能有： 工業(yè)設計 首先， UG 產(chǎn)生就是為了滿足設計人員對于復雜模型的建模。所以， UG 在復雜造型方面有不錯的表現(xiàn)。這種建模功能為工業(yè)設計人員提供了強大的支持并節(jié)省了大量的線下工作時間。 產(chǎn)品設計 在滿足工業(yè)設計以后 ，工程師們越來越多的希望輔助軟件可以在專業(yè)領域的設計方面提供更多的幫助，這就催生了 UG 在產(chǎn)品設計方面的應用。例如：專業(yè)的管路和線路設計系統(tǒng)、鈑金模塊、焊接模塊和其他行業(yè)設計所需的專業(yè)應用程序。 仿真、確認和優(yōu)化 UG 功能的強大不僅僅限于它在各種建模方面的應用，也在于它整合了各種仿真軟件。例如：有限元分析的 NASTRAN。在完成建模以后， UG 自己 可以完成對該模型的有限元分析，從而節(jié)省各種軟件來回轉換所浪費的時間。但仿真分析的有些方面 UG并沒有其他的專業(yè)軟件操作簡單，功能也沒有別的專業(yè)軟件豐富。 模具設 計 UG 是當今較為流行的一種模具設計軟件，主要是因為其功能強大。 Mold Wizard（注塑模向導）是基于 NX 開發(fā)的，它是針對注塑模具設計方面的一河北工業(yè)大學 2020 屆本科畢業(yè)設計說明書 7 個專業(yè)的解決方案 。 模塊中配有常用的模具設計功能， 用戶可以方便的進行設計，也可以按照個人 的操作習慣設計屬于自己的操作界面 ， 還可以開發(fā)出新的模具等。 這在很大程度上節(jié)省了模具設計時間。 此外， Mold Wizard（注塑模向導）模塊為設計人員提供了一個簡單易懂的操作流程 ， 這些流程包括了從實體設計到最終成型的各個階段。 直觀形象、簡便的操作大大 減少了工作時間，還可以輕松完 成 復雜的模具設計 【 13】 。 模型的導入 首先 ， 打開 NX ，新建模型， 確定后 點擊 菜單欄 “文件” 選項 ，選擇導入 ，在下拉菜單中點擊 parasolid， 從打開的窗口中 選擇 文件 ，確定 。 完成后即可導入整體 的 吊管機三維模型。 軟件默認的背景顏色為漸變淺色，點擊菜單欄“首選項”，選擇“背景”，在彈出來的窗口中將漸變改為純色，普通顏色設為白色，單擊確定。 如圖 21。 圖 21整體 三維 模型 河北工業(yè)大學 2020 屆本科畢業(yè)設計說明書 8 在導出結構模型后，在 UG 窗口中選擇測量距離按鈕，測量各個部件的具體數(shù)據(jù)，為接下來的建模做準備。 模型的建立 打開 ，新建模型，名稱輸入為“ shangzhibi”，單擊確定， 開始建模。 點擊 插入草圖命令，這里選擇默認的設置，即選擇 XY 平面為草圖的基準平面，單擊確定。選擇視圖，定向視圖到草圖 ，這時正對著草圖基準平面。 選擇草圖工具欄里的矩形 命令 ，單擊原點后輸入數(shù)值，單擊空白處確定。再選擇“圓”工具，畫出四個圓，輸入直徑。最后選擇快速修剪命令，將草圖中多余的線去掉，完成草圖。 選擇工具欄“拉伸”命令，選中草圖曲線，矢量為 ZC 方向，開始距離值 55mm，單擊確定。 完成上支臂的三維建模。如圖 22。 圖 22上支臂三維模型建立 下支臂建模時先拉伸底面平板，再以平板左面為草圖基準面，畫出草圖后拉伸彎桿。 具體步驟為： 新建基準平面，選擇按某一距離，選擇第二次拉伸的草圖平面，距離輸入 ，單擊確定，即建立一個基準面。選擇插入，關聯(lián)復制，鏡像體命令。選擇好體和鏡像平面后確定 ，產(chǎn)生平板左側結構的鏡像體。 然后在建立的基準面上畫河北工業(yè)大學 2020 屆本科畢業(yè)設計說明書 9 一個草圖，外徑 57mm，內徑 50mm，約束好位置后拉伸， XC 方向，開始值 ，結束值 ，單擊確定 。調整邊倒圓 為半徑 30mm， 完成下支臂的建模。如圖 23。 圖 23下支臂三維模型建立 吊臂建模 時 先建立各個部件的三維模型，再通過 裝配 約束將各個部件連接在一起，組成整體的吊臂模型。 裝配 具體步驟如下：打開 UG，新建裝配，確定后即系統(tǒng)提示添加部件。選擇窗口中打開命令，選中優(yōu)先裝配的 幾個 部件，單擊確定。坐標可以選擇默認值 ，確定 。 這時幾個部件處在原點處，且相互嵌插。 右擊要移動的部件，選擇移動命令。拖動移動坐標的箭頭和弧形可以相應移動部件的空間位置。移動到大概位置后選擇裝配工具條里約束按鈕，相應選擇接觸對齊、平行、膠合等約束將各個部件連結成一整體。裝配好后再選擇裝配 條里的添加按鈕，循環(huán)上一步驟。 顯示約束的 裝配圖 如圖 24。 河北工業(yè)大學 2020 屆本科畢業(yè)設計說明書 10 圖 24吊臂三維模型建立 本章小結 本章首先是建模工具 UG 的簡介，介紹了 UG 建模的優(yōu)勢和主要功能。隨后導入整機三維模型，將三個部件導出后進行數(shù)據(jù)測量，詳細記錄數(shù)據(jù)后開始結構三維模型的建立。三維建模這一步驟十分關鍵，直接影響后續(xù)的網(wǎng)格劃分和結果的正確性。充分做好建模工作后開始進行有限元分析步驟。 河北工業(yè)大學 2020 屆本科畢業(yè)設計說明書 11 3 UG中 有限元模型 有 限元模型 簡化 在前期的學習準備中進行了上下支臂的有限元分析，過程很簡單且內容與接下來的吊臂分析步 驟有重疊，這里不再贅述。 模型結構 復雜，有缺陷面和小細縫等都會導致后續(xù)網(wǎng)格劃分的失敗或者網(wǎng)格劃分成功后結果不能顯示等問題，所以需要進行有限元模型簡化。 有限元模型簡化是一個不斷嘗試 和需要經(jīng)驗 的過程。首先 去掉對模型應力影響不大的結構或特征，檢查模型細微處是否有瑕疵。 修剪好模型 后 ，用工具欄求和命令將部件進行整體求和。 這里有一個小技巧，在裝配狀態(tài)下不能進行求和或者模型的修剪。需要進行插入，關聯(lián)復制，提升體命令，選擇所有部件，單擊應用。這樣就可以對模型進行修剪、求和、刪除面、填補縫隙等操作了。如圖 31， 32。 圖 31修剪部分 河北工業(yè)大學 2020 屆本科畢業(yè)設計說明書 12 圖 32填補縫隙部分 通過 UG 的 拉伸求差命令將多余部分修剪掉；通過 投影，拉伸等功能將問題處的空隙填補上，再經(jīng)過 工具欄的 求和 命令求和 成一個 整 體。 在進行網(wǎng)格劃分時 還是 由于結構復雜 ，電腦卡機， 網(wǎng)格劃分失敗 。 再次 經(jīng)過拉伸求差、刪除圓角面、抑制部分部件、改變部分部件形狀等操作將吊臂進行簡化 ，去除了一些對結構力學性能影響不大的零件等 ，最后簡化模型如圖 33： 圖 33簡化后吊臂 模型 河北工業(yè)大學 2020 屆本科畢業(yè)設計說明書 13 有限元模型網(wǎng)格劃分 點擊“開始”，“高級仿真”， 右擊仿真導航器里部件名稱，選擇“新建 FEM 和仿真”選 項。兩個“確定”后右擊仿真文件視圖里 fem 為后綴的文件，選擇“設為顯示部件”。 后指定材料“ SteelRolled”， 再 進行網(wǎng)格劃分。 選擇 “ 3D 四面體網(wǎng)格 ”， 單元大小為 20mm。 網(wǎng)格劃分成功后如下圖所示： 圖 34有限元網(wǎng)格劃分局部圖 1 圖 35有限元模型網(wǎng)格劃分 局部圖 2 河北工業(yè)大學 2020 屆本科畢業(yè)設計說明書 14