ANSYS在機械結構設計中的應用

何陽

（湖南省農(nóng)林工業(yè)勘察設計研究總院 湖南長沙 410000）

ANSYS在機械結構設計中的應用

何陽

（湖南省農(nóng)林工業(yè)勘察設計研究總院 湖南長沙 410000）

本文分析了機械結構設計的相關內(nèi)容以及設計技術，希望能夠?qū)ψx者提供一些借鑒和參考。

機械結構設計；內(nèi)容；技術

1 前言

當前，我國機械行業(yè)快速發(fā)展，機械產(chǎn)品結構越來越復雜，這對機械結構設計提出了更高的要求。

2 機械設計標準控制的基本內(nèi)容

現(xiàn)代化機械制造企業(yè)已經(jīng)不適合再使用以前的機械設計標準，需要在之前標準的基礎上做出很大的更新，這是必須面臨的形勢。因為我國整體生產(chǎn)方式由粗獷開放型轉向細致加工型，朝著現(xiàn)代化方向更進，機械設計制造也應當面臨更高的要求，同時還要體現(xiàn)出環(huán)保理念。因此機械設計標準，主要通過兩個方面進行設計。

在機械設計及安全標準方面，樹立機械設計安全理念。①保障設備安全及其科技先進性，使用符合或者過于國家標準的機械設備，引入科學方式進行維護，保證其機械裝備正常服役年限。②機械設備設計生產(chǎn)的原材料必須堅固可靠，預防在運行中可能對工作人員或設備自身產(chǎn)生傷害，提高機械設備的安全性。③設計師要重視對機械安全事故的評析，對發(fā)生過的機械事故案例整合學習，對機械設備之外的安全問題發(fā)出警示警告，對操作人員進行人性化、安全性提示。④機械設計需要體現(xiàn)以人為本的理念，需要不斷進行簡單化、智能化，避免工作人員在具體操作中出現(xiàn)使用疲勞的現(xiàn)象。

在機械設計綠色設計標準方面?，F(xiàn)代企業(yè)設計必須具有環(huán)保理念，否則絕對不會長期持續(xù)發(fā)展下去，被政府或者其他綠色機械制造企業(yè)所取締。這也是我國現(xiàn)代市場競爭機制、資源整合的要求。綠色設計產(chǎn)品理念，也是現(xiàn)代化機械制造應當貫徹的機械設計標準。綠色設計在機械產(chǎn)品中分為三大類：

（1）資源屬性綠色設計；

（2）生態(tài)環(huán)境屬性綠色設計；

（3）對人健康影響的基本屬性。綠色設計理念，貫穿機械設計的始終，在各個階段都有不同的綠色設計標準。

在物料準備階段，機械設計初期就必須體現(xiàn)綠色環(huán)保的觀念。選擇材料時，優(yōu)選無公害、環(huán)境友好、沒有污染、能夠循環(huán)利用的材料。堅決抵制高污染原材料的使用。在結構設計階段，需要保障設計產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，對機械設計產(chǎn)品使用材料也應當體現(xiàn)出節(jié)約成本特點，降低物料使用量。具體的設計，壓縮機械設計產(chǎn)品的質(zhì)量體積，極少零部件的使用，以保障質(zhì)量、減少成本的策略實現(xiàn)結構設計的綠色環(huán)保。在機械制造階段，減少“三廢”排放，降低操作難度，提高對資源的利用率。在產(chǎn)品使用階段，通過對外包裝以及消費情況的控制，展現(xiàn)綠色設計理念。包裝方面除了便于搬運拆卸，還應減少使用包裝材料，對消費者，也應當提出環(huán)保使用的建議，在包裝上進行重點提醒。

3 機械結構動態(tài)設計中的技術

機械結構動態(tài)設計中的技術，主要體現(xiàn)在兩個方面，分別是有限元建模技術和ANSYS軟件技術，對其做如下分析：

3.1 元建模技術

機械結構動態(tài)設計是一項復雜、繁瑣的工作，將有限元做為設計建模的理論基礎，積極分析機械結構的動態(tài)設計。有限元建模技術，促使機械結構動態(tài)設計的結構，趨向于真實的求解區(qū)域，可以將機械動態(tài)設計的不同單元體，組合到同一個求解區(qū)域內(nèi)，規(guī)劃出機械產(chǎn)品所需的設計結構，有限元建模技術根據(jù)幾類設計結構，模擬可能使用的幾何形狀，體現(xiàn)數(shù)值分析方法的優(yōu)勢。有限元建模技術在機械動態(tài)設計中，需要注重單元函數(shù)的求解過程，得出未知函數(shù)的準確表達。

3.2 SYS軟件技術

ANSYS軟件降低了機械動態(tài)設計中的計算難度，提供可靠的操作和計算。ANSYS軟件，能夠根據(jù)機械產(chǎn)品動態(tài)設計的需求，規(guī)劃出問題的范疇，在此基礎上輔助構建有限元，優(yōu)化機械產(chǎn)品動態(tài)設計的步驟。ANSYS軟件技術中，可以根據(jù)機械設計的優(yōu)化需求，引入CAD軟件，完善計算數(shù)據(jù)的使用。ANSYS軟件技術，廣泛應用在交通、家電等行業(yè)的機械產(chǎn)品設計中，清晰的反饋設計結果，表達機械產(chǎn)品的非線性動態(tài)變化，有利于提升動態(tài)設計的準確性，消除潛在的設計誤差。

4 有限元技術的應用

4.1 單元類型

架橋機主梁由多個空間梁單元組成，并焊接在一起，對于主梁型鋼結構，抽象為比較理想的剛接或鉸接桿系結構，按照梁單元對架橋機主梁結構進行有限元分析，簡化結構荷載情況，根據(jù)杠桿原理，處理桿件節(jié)點載荷!同時，合理劃分機械設計模型網(wǎng)格，確保機械設計的科學性和精度，網(wǎng)格數(shù)量對于機械設計規(guī)模和計算精度有著直接的關系，機械設計精度隨著網(wǎng)格數(shù)量的增多而不斷提高，但是這樣會增加計算量，綜合考慮網(wǎng)格數(shù)量和機械設計精度，在確保機械設計精度的基礎上，最大程度地減少網(wǎng)格劃分數(shù)量。

4.2 適應機械設計計算特點，對于梯度變化較大的主梁結構部位，仔細分析數(shù)據(jù)變化規(guī)律，合理劃分網(wǎng)格，根據(jù)主梁結構的剛度和結構質(zhì)量情況，確定振型和固有頻率。

4.3 載荷處理

在機械設計過程中應用有限元法，主梁結構節(jié)點主要用于傳遞載荷和力，在架橋機結構剛度方程中，當各個單元有非節(jié)點載荷或者均布載荷時，非節(jié)點載荷轉換為應力比較集中的等效節(jié)點載荷，移置非節(jié)點載荷，約束非節(jié)點載荷單元結構的位移和變形，結合材料力學，計算支反力，對機械產(chǎn)品結構的等效節(jié)點載荷，計算架橋機主梁機械結構的載荷向量，在主梁相關構件或者部位上，主梁外載荷進行簡化，基于有限元模型，正確處理主梁結構載荷。

5 計算機輔助技術在機械設計制造中的應用

計算機輔助技術在機械設計制造中的應用主要體現(xiàn)多個方面，例如繪圖、圖形符號的應用以及三維模型的構建等等。機械設計過程是比較復雜的，其中要用到很多的符號和圖形，而符號和圖形設計和應用都是利用計算機輔助技術完成的。計算機輔助技術的應用讓機械設計師的設計工作變得簡單，極大地縮短了設計周期，同時也可以有效的避免設計的細節(jié)差錯，提高設計結果精確性，計算機輔助技術是機械設計中圖形符號應用不可缺少的技術和工具。

機械設計的繪圖環(huán)節(jié)是設計工程中最重要的部分，計算機輔助技術應用于機械設計的繪圖工作中，就可以為機械設計提供極大的幫助，不僅可以縮短繪圖時間，提高工作效率，同時也能極大的提高機械設計繪圖的質(zhì)量。

計算機輔助技術還可以應用于機械設計中三維立體模型的構建，將設計產(chǎn)品以三維可視化形態(tài)呈現(xiàn)出來有利于進行更準確的分析，提高了工作效率，也可以將設計結果形象、直觀地呈現(xiàn)出來，提高了機械設計準確性。計算機輔助技術除了以上應用之外，還可以解決機械設計制造過程中的其他各種問題。例如在汽車設計制造過程中，對汽車整體質(zhì)量有重要影響的一個因素就是汽車覆蓋膜具的設計質(zhì)量，所以對汽車覆蓋膜具的設計制造要求非常嚴格，尤其是汽車覆蓋膜具的設計圖紙與實體模型之間的一致性要高，如果兩者之間存在較多差距的話就屬于不合格，需要返工，這樣就會降低工作效率，增加設計成本，甚至還會影響產(chǎn)品在市場上的正常運行。但如果將計算機輔助技術應用于機械設計制造當中就可以根據(jù)差異的具體情況及時對圖紙的相關參數(shù)進調(diào)整，對模型的結構進行及時修改完善，保證圖紙與模型之間的高度一致性，避免不必要的返工現(xiàn)象，提高工作效率。

6 結束語

綜上所述，隨著科技水平的不斷提升，機械結構設計技術也將更加完善，促進機械制造行業(yè)的快速發(fā)展。

[1]韓俊平.試論機械結構動態(tài)優(yōu)化設計及其相關技術[J].機電信息，2014（03）：110～111.

[2]張志強，郭京波.機械動態(tài)優(yōu)化設計綜述[J].石家莊鐵道學院學報，2015（01）：74～76+95.

TH122

A

1004-7344（2016）08-0250-02

2016-2-16

何陽（1988-），男，初級，本科，主要從事設備鋼結構工作。