基于catia的多功能拐杖钓鱼凳建模及分析

赵广伟　刘刚　王晓娟

摘 要：设想将拐杖与钓鱼凳结合起来，有效改变老年人钓鱼时需要手拄拐杖且额外再拎钓鱼凳的不方便现状。利用CATIA软件进行三维建模，并利用有限元模块对钓鱼凳支脚进行强度分析，证明了其牢固性。

关键词：钓鱼凳 拐杖 catia 三维建模 有限元

中图分类号：TS976 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）05（b）-0008-02

Abstract：Crutch and fishing stool were combined，which changed the trouble condition of elderly people went wild fishing.Designed the three-dimensional model of multifunctional crutch stool for angling in CATIA，and executed static analysis for the legs of fishing stool by finite element model，which proved its stable performance.

Key words：fishing stool；crutch；catia；3D-modeling；finite element

随着生活水平的日益提高，野外垂钓走进了老年人们的日常生活，部分老年人需要拄拐杖来应付野外崎岖不平的路。现如今，市场上的钓鱼椅均比较高档、庞大，不适合老年人携带，而钓鱼凳虽然小巧，却也要腾出手去拎，再加上拐杖、渔具的重量，这种负担大大降低了老年人外出钓鱼的便捷性。为了减轻负担，设计将拐杖和可折叠的钓鱼凳连接在一起，如图1所示，以螺纹连接固定，平常可当拐杖使用，钓鱼时将其拆卸及成为钓鱼凳，如图2所示。另外，在拐杖把手处加入电筒来提供夜晚时的光源，考虑到老年人爱听广播，所以在拐杖把手处加入收音机来丰富钓鱼的等待时间。当然，该多功能钓鱼凳也不局限于只在钓鱼时使用，日常生活中也可使用。

1 结构模型

该多功能拐杖钓鱼凳上半部分的设计与普通拐杖无异，在添加了光源和收音机等辅助配件的基础上，将该部分的下端打上内螺纹，作连接用，如图3所示。下半部分，即可折叠钓鱼凳，将其三个支脚的上端均设计成一个120°的扇形，三者组合在一起恰好成为一个圆，并在其圆弧侧面打上外螺纹，以便与上半部分连接固定[1]，如图4所示。因为钓鱼凳要承受一个人体的重量，它的支脚不能过细，否则会发生折断，而当其折叠起来时又要与拐杖的上半部分相连接，为了减轻该拐杖整体的重量，上半部分不能太粗，所以该支脚的设计采取了如图5所示的结构。三个支脚用如图6所示的结构连接在一起[2]。

2 有限元分析

2.1 CATIA有限元分析介绍

CATIA是CAD/CAE/CAM集成软件，其功能强大，只需要在要分析的机构上定义类似工程实际问题的载荷和约束，就可以快速地实现有限元分析[3]。

有限元分析总体上分为前处理部分、分析计算部分以及后处理部分。其过程为：建立零件或装配模型并导入到分析模块，然后指定材料、定义约束、定义载荷、自动划分网格参数或适当调整，进行分析计算，分析结果数据，有时还需要进行后处理，以得到更加精确的结果[4-5]。

2.2 建立钓鱼凳支脚的力学模型

因为该多功能拐杖钓鱼凳主要在其展开成为钓鱼凳时要承受大量的压力载荷，发生弯曲、折断等问题的可能性较高，所以对其进行有限元分析。建立正确的力学模型，是实现有限元分析的关键之一。为使问题简单化，理想的认为每一个支脚的承受载荷是相同的，及各承受总载荷的1/3，所受载荷示意如图7所示，并建立如下的力学平衡方程：

假设是一位体重75公斤的老年人，则P=250N。将数据带入式1，解得Nx=257N，Ny=215N，Fx=-257N，Fy=35N。

2.3 建立有限元分析模型

材料选用较轻的7075-T561铝合金，其杨氏模量为76GPa[6]，泊松比为0.33，密度为2.82×103kg/m3，屈服强度为503MPa，挠度容许值为L/250（L为跨度）[7]。将在CATIA软件中建立的支脚三维模型导入到有限元分析模块中，按照前面建立的力学模型为该支脚定义约束、载荷。网格划分越精细，计算结果越精确，不过耗时也越长引用。这里先采取有限元处理工具自动划分网格的方法，对结果进行分析后再作考虑。

2.4 有限元计算结果分析

通过有限元分析模块的显示功能分别显示该模型的冯米斯应力图、变形位移云图，并进行分析。

2.4.1 应力

该钓鱼凳支脚的冯米斯应力图如图8所示。由图可知，最大应力达到了147Mpa，远小于材料的屈服强度。在设计生产中，对材料进行表面强化，可以加强其性能。

2.4.2 变形

该钓鱼凳支脚的变形位移云图如图9所示。由图可知，变形主要发生在支脚的上下两端，最大变形达到1.3mm，虽然超过了国家标准中允许的1mm范围，但其属于弹性变形，且变形后不影响正常使用。

3 结语

（1）设想将拐杖和钓鱼凳有效的结合在了一起，解决了老年人外出钓鱼的不方便问题，具有一定的推广性。

（2）利用CATIA软件进行三维建模，证明了其构造的可能性。

（3）对模型进行了有限元分析，在强度上满足了设计要求，证明了该构思、设计的可行性。

参考文献

[1] 濮良贵，陈国定，吴立言.机械设计[M].9版.北京：高等教育出版社，2013.

[2] 马伟，雷贤卿，张海英.CATIA V5 R16曲面造型及逆向设计[M].北京：科学出版社，2009.

[3] 尤春风.CATIA V5高级应用[M].北京： 清华大学出版社，2006.

[4] 张洪武，关振群，李云鹏，等.有限元分析与CAE技术基础[M].北京：清华大学出版社，2004：11.

[5] 张勇，张树生，张开兴.基于CATIA的减速器输出轴有限元分析[J].机械与电子，2010（6）：11-13.

[6] 王海燕，刘琳，谌岩，等.高压处理对7075铝合金微观力学性能的影响[J].高压物理学报，2013，27（5）：768-772.

[7] 张其林，季俊，杨联萍，等.《铝合金结构设计规范》的若干重要概念和研究依据[J].建筑结构学报，2009（5）：1-12.