基于有限元方法的机械零部件结构优化设计

基于实体有限元的机械优化设计方法及其应用

作者：刘丽 曹桂霞 冯长建

引 言

优化设计是一种现代设计方法，建立在优化数学理论和现代计算机技术基础之上，其任务是运用计算机自动确定工程设计的最优方案.随着生产技术的发展和科技的进步，对机械产品的设计质量要求越来越高，产品更新换代的速度也越来越快,这就要求广大设计工作者掌握更加科学的工程设计方法和设计工具,以适应生产力迅速发展的现代市场需要.本文以著名的CAE软件COSMOSWorks为设计工具，对一悬臂支架建立了实体有限元优化模型,并进行了优化设计。设计的结果充分显示了现代设计工具在机械设计中的重要作用。

1 优化设计的基本原理

优化设计的数学模型是对实际问题的特征或本质的抽象，是反映各主要因素之间内在联系的一种数学形态.在大多数情况下，优化问题是求解非线性约束问题。

2COSMOSWorks优化步骤

COSMOSWorks是完全整合在SoldWorks中的设计分析系统，提供压力、频率、约束、传热和优化分析，为设计工程师在SolidWorks环境下，提供比较完整的分析手段。凭借先进的快速有限元技术(FFE)，工程师能非常迅速地实现对大规模的复杂设计的分析和验证,并且获得修正和优化设计所需的必要信息。分析的模型及结果与SolidWorks共享一个数据库,这意味着设计与分析数据将没有繁琐的双向转换操作，分析也因而与计量单位无关.在几何模型上，可以直接定义载荷和边界条件，如同生成几何特征,设计的数据库也会相应地自动更新。计算结果可以直观地显示在SolidWorks精确的设计模型上.在这样的环境下，操作简单,节省时间,且硬盘空间资源要求很小.

COSMOSWorks提供了强大的实体有限元网格剖分和求解技术，其优化分析模块的求解流程如图 1所示。

图1 COSMOSWorks优化流程图

图1中实体模型的创建以及优化全过程都是在SolidWorks环境下进行的，所有创建的模型都为实体模型 ,而不需要力学简化,这是COSMOSWorks的一大特点。COSMOSWorks可以灵活地选择优化目标、设计变量和约束变量。

条件的制约，与欧美日等西方国家比较，还存在着一段的差距。目前，我国

有限元法也广泛地应用于航空航天、机械、船舶、土木建筑、机电工业、铁

道交通、轻工、地质等领域，许多研究处于世界前列。在有限元通用程序方

面，由于我国计算机发展条件的制约，与欧美日等西方国家比较，还存在着

一段的差距。随着我国经济的增长，科学技术现代化的迫切需要，加之有限

元方面的专家和学者不懈努力，这种局面正在逐步改善。特别是近年来，我

国汽车行业引进了一些大型的有限元分析软件和ＣＡＤ／ＣＡＭ／ＣＡＥ软件用于

零部件的设计和计算【２１，２２］，极大地促进了有限元分析技术在汽车行业的运

用，但在整车有限元分析方面，国内尚没形成一致的计算方法。

随着社会的进步，特别是７０年代能源危机以来，新的高强度材料、制造

工艺和新的结构设计不断地投入使用又要求能及早发现材料、工艺和设计中

的弱点，进行优化改进。

从经济上考虑，在产品的开发和试验过程中，尽量降低时间消耗、缩短

产品开发周期，使产品及早投放市场也是十分必要的。如果能够在产品开发

的设计初期就能够预测出产品的结构强度和整车稳定性，那么这将在一定程

度上促进产品的进一步开发研制，减少时间耗费。另外，如果仅仅依靠试验

后的数据，则需要在不同的加载条件下进行试验，这需要花费很长的一段周

期，在经济上和效率上都是不合算的。所以在设计阶段即能预测出整机的性

能是极其必要的。

１．３主要研究内容

根据中华人民共和国交通行业制定的汽车举升机标准ＪＴ／Ｔ１５５．２００４，本

文利用有限元技术对ＢＬ－２３５０型双柱举升机进行结构分析，主要研究内容包

括以下五个方面：

（１）利用Ｐｒｏ／Ｅ软件建立双柱举升机三维参数化实体模型：

（２）利用Ｐｒｏ／ＭＥｃＨＡＮＩｃＡ软件分别对双柱举升机总成在不同的工况下

进行强度分析；

（３）对模型的计算结果进行分析，评价其结构性能：

（４）利用Ｐｒｏ／ＭＥｃＨＡＮＩｃＡ软件对双柱举升机进行模态分析：

（５）根据计算结果对双柱举升机结构进行改进优化设计。第２章双柱举升机三维设计

基于有限元分析的工业机器人结构优化设计 李卓唐

发布时间：2023-05-30T07:49:24.924Z 来源：《小城镇建设》2023年3期 作者： 李卓唐[导读] 随着工业机器人在生产领域中的应用越来越广泛，工业机器人结构优化设计变得越来越重要。本文以有限元分析为基础，探讨了如何进行工业机器人结构优化设计。首先介绍了工业机器人结构的组成部分和特点，然后详细阐述了有限元分析的原理和方法。在此基础上，通过对比分析不同结构形式的工业机器人，找出了优化方案。最后，通过实例验证了优化方案的可行性。本文从理论和实践的角度探讨了工业机器人结构优化设计，为生产中工业机器人的应用提供了一定的指导。

身份证号：******************

摘要：随着工业机器人在生产领域中的应用越来越广泛，工业机器人结构优化设计变得越来越重要。本文以有限元分析为基础，探讨了如何进行工业机器人结构优化设计。首先介绍了工业机器人结构的组成部分和特点，然后详细阐述了有限元分析的原理和方法。在此基础上，通过对比分析不同结构形式的工业机器人，找出了优化方案。最后，通过实例验证了优化方案的可行性。本文从理论和实践的角度探讨了工业机器人结构优化设计，为生产中工业机器人的应用提供了一定的指导。

关键词：工业机器人、结构优化设计、有限元分析

第一章 绪论

1.1 研究背景和意义随着工业自动化水平的提高，工业机器人在生产领域中的应用越来越广泛。工业机器人的结构是机器人设计中非常重要的一个方面，它决定了机器人的性能和使用寿命。因此，工业机器人结构优化设计变得越来越重要。在工业机器人的结构优化设计过程中，有限元分析作为一种有效的计算方法，被广泛应用于机器人结构分析和优化设计。

1.2 国内外研究现状国内外学者对于工业机器人结构优化设计进行了大量的研究工作。早期的研究主要集中在工业机器人的结构和动力学分析上，如与机构、关节调节等，而近年来在工业机器人结构优化设计方面的研究越来越多。这些研究主要涉及到材料的选择、结构优化设计、有限元分析等内容。

基于ANSYS的有限元分析在机械结构上的应用

引言：

机械结构的设计和分析是现代工程领域中非常重要的一环。为了确保机械结构的安全性、可靠性和性能优化，传统的试错方法已经远远不够高效。基于ANSYS的有限元分析技术则成为一种强大、可靠的工具，广泛应用于机械结构的设计、分析与优化。本文将介绍基于ANSYS的有限元分析在机械结构上的应用，并探讨其优点和局限性。

1. 有限元分析的原理和基本步骤

有限元分析是一种数值分析方法，将连续体划分为有限个单元，通过建立节点间的力学方程并求解，得出结构在不同载荷下的应力、位移等结果。基本步骤包括几何建模、网格划分、材料属性定义、边界条件设置和求解结果分析等。

2. 实例：静力学分析

以机械零件的静力学分析为例，利用ANSYS进行分析。首先，进行几何建模，包括绘制零件的实体模型和确定边界条件。接下来，通过网格划分将实体划分为单元，选择适当的单元类型和单元尺寸以保证计算精度。然后，为每个单元分配适当的材料属性，包括弹性模量、泊松比等。在设定边界条件时，要考虑结构的实际工作状况，如约束支撑和作用力的施加。最后，进行静力学分析并分析结果，得出结构的应力分布和变形情况。

3. 动力学分析与振动模态

有限元分析在机械结构的动力学分析中也有广泛应用。动力学分析主要研究结构在外部激励下的振动响应。通过ANSYS的有限元分析，可以预测结构的固有频率、模态形状和振动响应等。这对于设计抗震性能优良的建筑物、减振器的设计等方面有着重要意义。

4. 热力学分析与热应力

热力学分析是机械结构设计中的另一个重要领域。通过ANSYS的有限元分析，可以模拟结构在热荷载作用下的温度分布和热应力。这对于机械结构的材料选择、冷却系统设计等方面有着重要意义。

5. 优点与局限性

基于ANSYS的有限元分析技术具有以下优点：

- 高度准确性：有限元分析可以提供全面而准确的结果，能够实现对结构不同部分的局部分析。