基于catia的多功能拐杖釣魚(yú)凳建模及分析

趙廣偉　劉剛　王曉娟

摘 要：設(shè)想將拐杖與釣魚(yú)凳結(jié)合起來(lái)，有效改變老年人釣魚(yú)時(shí)需要手拄拐杖且額外再拎釣魚(yú)凳的不方便現(xiàn)狀。利用CATIA軟件進(jìn)行三維建模，并利用有限元模塊對(duì)釣魚(yú)凳支腳進(jìn)行強(qiáng)度分析，證明了其牢固性。

關(guān)鍵詞：釣魚(yú)凳 拐杖 catia 三維建模 有限元

中圖分類號(hào)：TS976 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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

隨著生活水平的日益提高，野外垂釣走進(jìn)了老年人們的日常生活，部分老年人需要拄拐杖來(lái)應(yīng)付野外崎嶇不平的路?，F(xiàn)如今，市場(chǎng)上的釣魚(yú)椅均比較高檔、龐大，不適合老年人攜帶，而釣魚(yú)凳雖然小巧，卻也要騰出手去拎，再加上拐杖、漁具的重量，這種負(fù)擔(dān)大大降低了老年人外出釣魚(yú)的便捷性。為了減輕負(fù)擔(dān)，設(shè)計(jì)將拐杖和可折疊的釣魚(yú)凳連接在一起，如圖1所示，以螺紋連接固定，平?？僧?dāng)拐杖使用，釣魚(yú)時(shí)將其拆卸及成為釣魚(yú)凳，如圖2所示。另外，在拐杖把手處加入電筒來(lái)提供夜晚時(shí)的光源，考慮到老年人愛(ài)聽(tīng)廣播，所以在拐杖把手處加入收音機(jī)來(lái)豐富釣魚(yú)的等待時(shí)間。當(dāng)然，該多功能釣魚(yú)凳也不局限于只在釣魚(yú)時(shí)使用，日常生活中也可使用。

1 結(jié)構(gòu)模型

該多功能拐杖釣魚(yú)凳上半部分的設(shè)計(jì)與普通拐杖無(wú)異，在添加了光源和收音機(jī)等輔助配件的基礎(chǔ)上，將該部分的下端打上內(nèi)螺紋，作連接用，如圖3所示。下半部分，即可折疊釣魚(yú)凳，將其三個(gè)支腳的上端均設(shè)計(jì)成一個(gè)120°的扇形，三者組合在一起恰好成為一個(gè)圓，并在其圓弧側(cè)面打上外螺紋，以便與上半部分連接固定[1]，如圖4所示。因?yàn)獒烎~(yú)凳要承受一個(gè)人體的重量，它的支腳不能過(guò)細(xì)，否則會(huì)發(fā)生折斷，而當(dāng)其折疊起來(lái)時(shí)又要與拐杖的上半部分相連接，為了減輕該拐杖整體的重量，上半部分不能太粗，所以該支腳的設(shè)計(jì)采取了如圖5所示的結(jié)構(gòu)。三個(gè)支腳用如圖6所示的結(jié)構(gòu)連接在一起[2]。

2 有限元分析

2.1 CATIA有限元分析介紹

CATIA是CAD/CAE/CAM集成軟件，其功能強(qiáng)大，只需要在要分析的機(jī)構(gòu)上定義類似工程實(shí)際問(wèn)題的載荷和約束，就可以快速地實(shí)現(xiàn)有限元分析[3]。

有限元分析總體上分為前處理部分、分析計(jì)算部分以及后處理部分。其過(guò)程為：建立零件或裝配模型并導(dǎo)入到分析模塊，然后指定材料、定義約束、定義載荷、自動(dòng)劃分網(wǎng)格參數(shù)或適當(dāng)調(diào)整，進(jìn)行分析計(jì)算，分析結(jié)果數(shù)據(jù)，有時(shí)還需要進(jìn)行后處理，以得到更加精確的結(jié)果[4-5]。

2.2 建立釣魚(yú)凳支腳的力學(xué)模型

因?yàn)樵摱喙δ芄照柔烎~(yú)凳主要在其展開(kāi)成為釣魚(yú)凳時(shí)要承受大量的壓力載荷，發(fā)生彎曲、折斷等問(wèn)題的可能性較高，所以對(duì)其進(jìn)行有限元分析。建立正確的力學(xué)模型，是實(shí)現(xiàn)有限元分析的關(guān)鍵之一。為使問(wèn)題簡(jiǎn)單化，理想的認(rèn)為每一個(gè)支腳的承受載荷是相同的，及各承受總載荷的1/3，所受載荷示意如圖7所示，并建立如下的力學(xué)平衡方程：

假設(shè)是一位體重75公斤的老年人，則P=250N。將數(shù)據(jù)帶入式1，解得Nx=257N，Ny=215N，F(xiàn)x=-257N，F(xiàn)y=35N。

2.3 建立有限元分析模型

材料選用較輕的7075-T561鋁合金，其楊氏模量為76GPa[6]，泊松比為0.33，密度為2.82×103kg/m3，屈服強(qiáng)度為503MPa，撓度容許值為L(zhǎng)/250（L為跨度）[7]。將在CATIA軟件中建立的支腳三維模型導(dǎo)入到有限元分析模塊中，按照前面建立的力學(xué)模型為該支腳定義約束、載荷。網(wǎng)格劃分越精細(xì)，計(jì)算結(jié)果越精確，不過(guò)耗時(shí)也越長(zhǎng)引用。這里先采取有限元處理工具自動(dòng)劃分網(wǎng)格的方法，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析后再作考慮。

2.4 有限元計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)有限元分析模塊的顯示功能分別顯示該模型的馮米斯應(yīng)力圖、變形位移云圖，并進(jìn)行分析。

2.4.1 應(yīng)力

該釣魚(yú)凳支腳的馮米斯應(yīng)力圖如圖8所示。由圖可知，最大應(yīng)力達(dá)到了147Mpa，遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度。在設(shè)計(jì)生產(chǎn)中，對(duì)材料進(jìn)行表面強(qiáng)化，可以加強(qiáng)其性能。

2.4.2 變形

該釣魚(yú)凳支腳的變形位移云圖如圖9所示。由圖可知，變形主要發(fā)生在支腳的上下兩端，最大變形達(dá)到1.3mm，雖然超過(guò)了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中允許的1mm范圍，但其屬于彈性變形，且變形后不影響正常使用。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）設(shè)想將拐杖和釣魚(yú)凳有效的結(jié)合在了一起，解決了老年人外出釣魚(yú)的不方便問(wèn)題，具有一定的推廣性。

（2）利用CATIA軟件進(jìn)行三維建模，證明了其構(gòu)造的可能性。

（3）對(duì)模型進(jìn)行了有限元分析，在強(qiáng)度上滿足了設(shè)計(jì)要求，證明了該構(gòu)思、設(shè)計(jì)的可行性。

參考文獻(xiàn)

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