基于PROE的数控运动平台关键部位的灵敏度分析及优化设计*

毕俊喜，任 昭，王舒玮

(内蒙古工业大学机械学院，内蒙古呼和浩特 010051)

0 引言

随着虚拟设计技术的发展，出现了各专业的有限元分析软件如ANSYS、ABAQUS等，但是他们的实体建模能力都比较弱，如果要分析稍微复杂的机械零件就必须通过.stp格式或者.igs格式导入［1］，在数据交换的过程中可能导致拓扑结构发生错误，不能生成有效模型。Pro/Engineer5.0软件集CAD/CAE功能一体化，直接可在Pro/Mechanical环境下设定材料及施加约束和载荷，进行静态、模态及灵敏度分析［2］。

1 三维建模

该数控实验平台根据实验室已有丝杠、导轨等进行设计，再准确测量相关参数后，以1:1比例在Proe环境下对其建模。由于Z轴为垂直地面放置的，且电机、丝杠、轴承座等对支撑板的负荷需要加强筋来分担，如图1。

2 静态受力分析

从应用程序进入Mechanical模块后，首先定义模型的材料，选中所有零件，选择steel，将密度设为7.82708g/，应力应变响应为线性，泊松比为0.27，杨氏模量为210GPa，失效准则选为畸变能(von Mises)，即第四强度理论，最后将拉伸屈服应力设为350MPa。然后添加约束，首先将底板自由度设为0，用紧固件、焊缝等连接形式将其余零件约束。对整个装配体施加重力载荷，即Z方向加速度设置为－9.18 m/S2。在AutoGEM［3］中进行P网格设置及其划分，为使分析结果更加准确，在设置中将最大边和最大角设为150，最大长宽比设为10，最大边翻转度设为30，随后进行P网格划分，其网格及摘要如图2。

图1 自制实验平台Z轴三维模型

在分析和设计研究界面新建静态分析，运行过程中会将装配体理想化，其等效应力图和位移变形如图3;其最大应力为6.318 MPa发生在底板和加强筋连接处，最大位移为0.012 25 mm，发生在电机部分。其最大应力远远小于许用应力，不需要考虑。

图2 网络模型及摘要

图3 等效应力和等效位移图

3 敏感度分析

由于该实验平台必须保证较高的平行度，一般将最大位移偏差限制在0.01 mm左右，需要重新对加强筋的尺寸进行敏感度分析，研究加强筋底端的长度的大小对整体变形的影响，故要进行全局敏感度分析。

在静力分析的基础上，选中d1为加强筋的底端长度，其变化范围见表1;其结果如图4。

图4 敏感度分析结果

由结果得知当d1为220 mm时，其位移变化最小，为0.0112 mm，依旧不能满足要求，故对其进行优化分析。

表1 加强筋尺寸变化范围 /mm

4 优化设计

优化目标为total_mass最小化，即质量最小，设计极限为max_disp_mag＜0.01 mm，即最大等效位移小于0.01 mm，D1的变化范围为100～400 mm，最大迭代次数为20，并在每次形状更新后进行网格重划，找到最优尺寸D1=379.147 mm，其形状更新后的静态分析如图5:可以看到其最大位移下降到0.010 5 mm，考虑到整个模型的质量也随着最大位移变小而增大，且允许有3%的偏差［4］，故此时D1的尺寸是可以接受的。

图5 优化后的静态分析

5 结语

本文利用Pro/Mechanical模块对自制运动平台的关键部位进行一系列有限元分析，找到满足位移变形条件下的加强筋的最优尺寸，提高了设计效率，对相关设计有一定参考意义。

［1］ 魏效玲.基于Pro_MECHANICA的连杆机构应力工况分析［J］.制造业自动化，2011(11):65－73.

［2］ 刘祖良.CAD_CAE代表软件集成接口技术浅析［J］.机械研究与应用，2007(8):104－106.

［3］ 乔建军.Pro ENGINEER 5.0动力学与有限元分析从入门到精通［M］.北京:机械工业出版社，2010.

［4］ 吴正佳.基于Pro/E Mechanica的挖掘机关键部位结构分析及优化［J］.煤矿机械，2012(2):35－37.