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利用Pro/MECHANICA软件进行零件结构优化设计的方法
发布日期: 2011年1月3日 点击: 12

利用Pro/MECHANICA软件进行零件结构优化设计的方法
1 定义设计参数

    选择菜单管理器中“Structure│Model│Dsgn Controls│Design Params”命令,将参数类型设置为“Dimension(尺寸)”,在图形窗口中选择大头高度尺寸(图中尺寸120),将其定义为设计参数。

 

选择大头高度尺寸作为设计参数

    为了方便识别,将此设计参数命名为“height-bigend”,并根据零件结构的限制,指定其变化范围为120-150。

   2 预览零件尺寸变化

    在敏感度分析的过程中,需要变动零件的结构。如果设计参数的变化范围设置不合理,会导致零件的再生失败和分析过程的中止。因此,应保证对于设计参数的变化范围内的每一个参数值,零件都能成功生成。在Pro/MECHANICA的敏感度分析中,提供两种专门的工具分别以静态和动态来观察参数的变化过程。

    (1)“Shape Review”命令。每次由设计者在对话框中设置参数的值,系统会按照参数值生成给定尺寸的几何模型。如果模型无法生成,系统也会给出提示。

    (2)“Shape Animate”命令,可以动态观察参数变化对几何模型的影响。设定参数的变化范围以及变化间隔,单击“Animate”按钮,则零件从设计参数的最小值开始,以设定的间隔逐步生成模型。每次生成之前,都会询问是否继续。预览所有参数,确认模型生成无错误后,回到模型的原始尺寸。

    利用“Shape Animate”可以观察到模型在设计参数的变化范围内逐步变化的效果,配合“Shape:Review”能够直观地了解模型是否存在问题,避免在敏感度分析和优化分析中耗费大量的时间。

3 建立并运行全局敏感度分析

    为了减轻优化分析的工作量,加快优化分析的计算过程,需要先利用全局敏感度分析找到模型最大总应力与设计参数之间的变化关系,从而为后面的优化分析确定参数的变化范围。

选择菜单管理器“Analyses/Studies”命令,在弹出的“Analyses and Design Studies”对话框中选择“File│New Design Study”菜单命令,建立一个设计研究。在弹出的“Design Study Definition”对话框中,将分析类型设置为“Global Sensitivitv”(全局敏感度);“Analyses”项选择应力分析中定义的静态分析“Stretch”,针对零件受拉伸的情况进行全局敏感度分析;“Parameter”项选择前面定义的设计参数"height-bigend”,并设定其变化范围从参数的最小值到最大值,在其整个变化范围内进行全局敏感度分析;“Number of Intervals”项设置分析时设计参数的变化间隔数,这里可保留默认值“5”。设置完成的“Design Study Definition”对话框如图2所示。

设置完成的“Design Study Definition”对话框

    设置完成后,开始运行分析。分析运行过程中,可以打开状态显示窗口进行观察。佛山气体测试经过约3小时的计算,分析完成。

    2.4 获取敏感度分析结果

    为了便于观察零件最大总应力随设计参数变化的情况,可以用曲线图的形式表示出二者之间的关系。选择菜单管理器"Results”命令,在弹出的对话框中新建结果显示窗口,弹出“Result Window Definition”对话框,在此选择前面完成的全局敏感度分析“Sensitivity”;显示类型设置为“Graph(曲线图)”;并将“Measure(测量)”项目设置为“max-stress-vm(模型最大总应力)”,“Design Var(设计参数)”项指定为前面定义的参数“height-bigend'’。

设置完成后确认,屏幕即显示模型最大总应力随设计变量“height-bigend”而变化的关系曲线


模型最大总应力与设计变量“height-bigend”之间的关系曲线

    由图可见,大头高度从120开始增加时,最大总应力随之减小,在143附近达到极小值,此后又开始急剧上升。由此,可以确定优化分析时设计变量的变化范围,而不必对其从最小值到最大值的整个区间进行优化,从而节约大量的时间和计算成本。

    2.5 定义并运行优化分析

    通过全局敏感度分析,确定了使模型最大总应力取得极值的参数大致范围后,就可以建立优化分析,在此范围内寻找能满足零件质量最小且最大总应力不超过材料许用应力(60MPa)的设计参数值。

按照前面的方法新建一个设计研究。在“Design Study Definition”对话框中,将分析类型设置为“Optimization(优化)”;接受默认的设计目标“Total Mass(总质量)”最小;将“Limits On Measures”约束条件设置为“max-stress vm<60”;并设置参数的最小值为l30,最大值为150,初始值为130,即要求Pro/MECHANICA从130开始,在130~150范围内对设计参数进行优化分析。其余选项可保留默认值。设置完成的对话框如图4所示。


设置完成后,开始运行分析。在分析运行过程中,可以打开状态显示窗口了解分析运行的状态。

 

    由分析状态显示窗口可以看到,经过优化分析,找到了满足条件的最佳设计参数:139.957。

6 对零件模型进行升级

    优化分析完成后,就可以由Pro/MECHANICA自动对模型进行升级。

    选择菜单管理器中的“Model|Dsgn Controls|Optimize Hist|Search Study”命令,选择前面完成的优化分析“Optimization”,系统按照优化分析的过程逐步对模型进行重新生成,直至达到优化分析找到的最佳设计参数。状态提示栏询问是否将模型保持为优化后的形状,如图6所示。


    回答确认后,模型即保持在最佳参数状态。由于Pro/MECHANICA与Pro/ENGINEER是完全无缝集成的。因此不必返回Pro/ENGINEER手动对模型进行编辑,在Pro/MECHANICA中即完成了按照优化分析结果对模型的升级。而且由于Pro/ENGINEER基于单一数据库的全相关性,零

件的二维工程图也会自动按照优化后的模型进行更改。

 


 
 
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