UG有限元分析法在“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程教學(xué)中的應(yīng)用研究

鄧松松 鄭繼明

（貴州師范大學(xué) 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，貴陽 550001）

“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程教學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)是零部件結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變分析。該課程特點(diǎn)是計(jì)算公式較多、重點(diǎn)知識多、實(shí)踐性強(qiáng)以及與多課程有聯(lián)系。因此，學(xué)生在學(xué)習(xí)該課程時(shí)覺得應(yīng)力、應(yīng)變分析很抽象，難以理解重難點(diǎn)知識和計(jì)算公式，導(dǎo)致常規(guī)教學(xué)方法難以達(dá)到理想效果。如何運(yùn)用新方法和新技術(shù)提高教學(xué)效果，是當(dāng)今教學(xué)改革深入亟待解決的重要問題之一。UG軟件是一個(gè)集成化的CAD/CAM/CAE系統(tǒng)軟件[1]，其CAD/CAM/CAE模塊之間都可以自由切換。同其他軟件相比，UG軟件具有最領(lǐng)先的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、分析以及制造能力，能夠?qū)崿F(xiàn)三維建模、虛擬裝配以及仿真等功能，廣泛應(yīng)用在機(jī)械行業(yè)、航天以及汽車等領(lǐng)域。將UG有限元分析法合理地應(yīng)用于“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程教學(xué)活動，能夠提高教學(xué)效果和培養(yǎng)學(xué)生的濃厚興趣。

1 “機(jī)械設(shè)計(jì)”教學(xué)分析

“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程包含6個(gè)章節(jié)[2]，分別是緒論、機(jī)械設(shè)計(jì)總論、聯(lián)接、機(jī)械傳動、軸系零部件以及其他零部件。緒論是對機(jī)械設(shè)計(jì)課程的高度概括。軸系零部件和其他零部件涉及理論知識學(xué)習(xí)和零部件設(shè)計(jì)計(jì)算等。這3個(gè)部分的知識點(diǎn)內(nèi)容不適于有限元分析法，但可以用UG軟件來輔助教學(xué)。選取課本中的案例，通過UG軟件繪制零件的三維模型制作成PPT等進(jìn)行教學(xué)。機(jī)械設(shè)計(jì)總論、聯(lián)接以及機(jī)械傳動這3個(gè)部分的知識點(diǎn)內(nèi)容都涉及強(qiáng)度分析和變形分析，可以應(yīng)用UG有限元分析法來深入分析與講解相關(guān)知識點(diǎn)。

2 UG有限元分析法在“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程教學(xué)的教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1 UG有限元分析法流程

應(yīng)用UG軟件，按照圖1流程制作教學(xué)案例。

圖1 操作流程圖

2.2 應(yīng)用UG有限元分析法講解“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程的教學(xué)過程設(shè)計(jì)

在“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程教學(xué)中，首先選取該課程中要講解知識點(diǎn)的案例，使用UG進(jìn)行三維幾何建模。其次，進(jìn)行有限元建模與分析，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊“應(yīng)用模塊”→“前/后處理”進(jìn)入前處理，進(jìn)而進(jìn)行案例的應(yīng)力和應(yīng)變分析。再次，把分析好的模型和截圖的圖片制作成資料，采用錄屏軟件來錄制動畫視頻，制作成應(yīng)力和應(yīng)變分析動畫。最后，把圖片資料制作成PPT或動畫視頻等，將應(yīng)用UG有限元分析法講解機(jī)械設(shè)計(jì)課程問題的案例做成授課資料。

教師在授課時(shí)可以用事先準(zhǔn)備好的案例輔助教學(xué)，對照制作的PPT，一邊詳細(xì)地跟學(xué)生講解受力分析云圖結(jié)果，一邊讓學(xué)生看圖，也可以播放一段動畫視頻。授課結(jié)束后，可與學(xué)生交流和討論。

3 UG有限元分析法制作“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程教學(xué)案例

3.1 創(chuàng)建CAD模型與創(chuàng)建理想化模型

首先，單擊UG軟件進(jìn)入CAD模塊，繪制水箱底座的三維實(shí)體模型，如圖2（a）所示。其次，在單擊【應(yīng)用模塊】→【前/后處理】環(huán)境后，新建FEM文件，同時(shí)勾選創(chuàng)建理想化模型，單擊【確定】。最后，優(yōu)化模型。第一步，單擊【提升體】命令，選擇底座實(shí)體后，單擊【確定】命令進(jìn)行提升體操作，如圖2（b）所示。第二步，單擊【移除幾何特征】命令，移除模型中的圓角，單擊“√”完成，如圖2（c）所示。需要注意，如果不移除模型中的圓角會影響后面的分析結(jié)果，如產(chǎn)生應(yīng)力集中等情況。

圖2 模型圖及優(yōu)化模型圖

3.2 創(chuàng)建有限元模型

3.2.1 定義材料屬性

在UG材料庫中指派底座的材料為Nylon（尼龍），其材料屬性如表1所示。

表1 材料屬性

3.2.2 物理屬性

在工具欄中單擊【物理屬性】命令，會彈出物理屬性對話框，再次單擊【創(chuàng)建】命令，彈出【PSOLID】對話框，在【材料】選項(xiàng)中選擇【尼龍】，其余選項(xiàng)參數(shù)默認(rèn)，單擊【確定】命令，如圖3所示。

圖3 物理屬性圖

3.2.3 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是有限元分析的關(guān)鍵步驟。網(wǎng)格劃分的好壞直接影響有限元分析的精度[3]。網(wǎng)格劃分包括零維網(wǎng)格、一維網(wǎng)格、二維網(wǎng)格、三維網(wǎng)格和連接網(wǎng)格5種類型。每種類型都適用于一定的對象[4]。選擇工具欄【3D四面體網(wǎng)格】命令，對水箱底座模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，先自動確定單元格大??；單擊【自動單元大小】命令，參數(shù)框中顯示為30.2，手動輸入較小的單元格數(shù)值為20，再進(jìn)行網(wǎng)格劃分，以確保結(jié)果的分析精度，如圖4（a）所示。最后進(jìn)行網(wǎng)格劃分的檢查，單擊【單元質(zhì)量】命令檢查所劃分的網(wǎng)格，日志顯示“Number Failed”“Number Warning”為零，因此網(wǎng)格劃分是合理的，如圖4（b）所示。

3.3 創(chuàng)建仿真模型

創(chuàng)建新仿真模型，采用的求解器為NX Nastran，分析類型為結(jié)構(gòu)，解算類型為SOL 101線性靜態(tài)——全局約束。第一，邊界條件設(shè)置。在工具欄中單擊【約束類型】，選擇【固定平移約束】命令，在圖形窗口中單擊水箱底座的底面，單擊【確定】，邊界條件設(shè)置完成。第二，載荷類型設(shè)置。由于水箱底座所支撐產(chǎn)品為圓柱類產(chǎn)品，受載荷類型為軸承載荷。單擊【載荷類型】命令選擇【軸承】，在圖形窗口中選擇底座弧面，指定矢量為ZC軸，單擊反方向，方向垂直向下，力的大小手動輸入90 000 N，角度設(shè)置為180°。第三，檢查水箱底座模型。為了確保解算的成功和結(jié)果精確，檢查模型參數(shù)，如材料、網(wǎng)格、單元、約束以及載荷等。參數(shù)檢查沒有錯(cuò)誤，才可以進(jìn)入求解及有限元分析階段。其中，模型邊界條件和載荷類型設(shè)置完成后的效果如圖5所示。

圖4 網(wǎng)格劃分與檢查圖

圖5 邊界條件和載荷設(shè)置圖

3.4 分析有限元求解及結(jié)果

在前處理設(shè)置完成后，開始求解有限元模型。求解完成后進(jìn)入后處理階段，在右邊仿真導(dǎo)航器中查看結(jié)果。首先，后處理使用云圖或標(biāo)記圖顯示結(jié)果，其中結(jié)果類型包括位移、旋轉(zhuǎn)、應(yīng)力、反作用力以及反作用力矩等[5-6]。雙擊【仿真導(dǎo)航器】中的結(jié)果進(jìn)行查看，查看水箱底座應(yīng)變云圖（位移），如圖6（a）所示，其中最大變形量為1.149 mm。采用相同的方法，展開【應(yīng)力-單元-節(jié)點(diǎn)】，并雙擊【Von Mises】得到應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力為33.15 MPa，如圖6（b）所示。通過UG有限元分析法的仿真結(jié)果與理論計(jì)算分析對比可知，應(yīng)變、應(yīng)力的數(shù)據(jù)都在符合要求的范圍之內(nèi)，水箱底座滿足設(shè)計(jì)要求，具有足夠的剛度與穩(wěn)定性，可為底座類零件的設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考，證明了UG有限元分析法具有可靠性，為“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程教學(xué)提供了依據(jù)[7]。

其次，創(chuàng)建應(yīng)力-單元-節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)ID相對應(yīng)的曲線圖，如圖7所示，可以形象地描述并揭示模型上的結(jié)果變化規(guī)律，從而為模型的形狀改進(jìn)和尺寸優(yōu)化提供直觀的依據(jù)[8]。

圖6 應(yīng)變、應(yīng)力云圖分布情況

圖7 應(yīng)力-單元-節(jié)點(diǎn)曲線圖

最后，利用UG有限元分析法自帶的動畫功能制作可視化模型，顯示水箱底座的應(yīng)變、應(yīng)力情況，方便學(xué)生理解。該模型先自動設(shè)置好幀數(shù)，調(diào)節(jié)好播放速度，使學(xué)生能清晰觀察到應(yīng)變和應(yīng)力變化的趨勢，如圖8所示。

圖8 動畫下的云圖

4 結(jié)語

本文提出了基于UG有限元分析輔助“機(jī)械設(shè)計(jì)”教學(xué)的一種教學(xué)方法，并進(jìn)行了教學(xué)分析及UG有限元分析輔助“機(jī)械設(shè)計(jì)”教學(xué)設(shè)計(jì)。以水箱底座為案例，進(jìn)行了幾何建模、有限元建模、前處理及有限元分析，通過后處理階段的輸出位移和應(yīng)力等參數(shù)的分布情況，將結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行了動畫仿真，使理論教學(xué)更加形象生動，能有效提高教學(xué)效果，有利于學(xué)生后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)。基于UG有限元分析輔助“機(jī)械設(shè)計(jì)”教學(xué)，可提高教師“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程的信息化教學(xué)水平，讓學(xué)生掌握利用先進(jìn)工具軟件解決機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域?qū)嶋H問題的方法。