Pro/MECHANICA在结构设计中的应用

吴小亚（广州东芝白云菱机电力电子有限公司，广东广州510460）

Pro/MECHANICA在结构设计中的应用

吴小亚
（广州东芝白云菱机电力电子有限公司，广东广州510460）

近年来，各种CAE(计算机辅助分析)软件异军突起，各主流三维设计软件公司都推出了各自的CAE应用模块，Pro/ME⁃CHANICA以其与三维建模模块的无缝集成——建模模块中的模型无需任何转换即可直接用于Pro/MECHANICA分析而广为称道。以作者多年的应用经验为基础，并结合一个较简单的实例对Pro/MECHANICA的应用进行简要介绍。

Pro/MECHANICA；结构设计；计算机辅助分析

0　引言

CAE（计算机辅助分析）技术的兴起，计算机能越来越多地替人们完成复杂的计算工作，并得出设计优化方案，从而降低设计工作强度、提高工作效率，加快产品开发速度和增强产品竞争力。

1　结构设计的任务

结构设计的任务可概括为：以最低的成本，最快的速度，设计出符合产品预定功能要求、寿命要求和安全要求的产品。

如设计不当，在产品中就会发生构件失效的情况，如某个零件因为强度不足而发生变形、断裂等。构件的失效直接导致产品功能的失效，是非常严重的设计缺陷。在设计阶段有必要对关键零部件的强度进行校验，从而防止失效的发生。手工计算工作量很大，且对专业知识要求较高，而一般的工程技术人员并不具备进行复杂计算的能力；做样机试验又成本高，周期长。所以最好的解决之道就是通过CAE软件进行分析，在设计之初即找出问题点加以解决，并找出最优方案，降低成本。Pro/MECHANICA与Pro/E无缝集成，在Pro/E中创建的模型可直接用于Pro/MECHANI⁃CA中进行分析，因而使用非常方便。

一般通过以下几个要素来评价一个构件的合理性：

（1）强度：构件抵抗破坏的能力，即构件在工作载荷下不会被破坏；

（2）刚度：构件抵抗变形的能力，即构件在工作载荷下不会发生过大变形而失效；

（3）稳定性：构件保持原来平衡状态的能力，即构件在工作载荷下保持原有平衡状态，细长压杆一般要考虑稳定性的问题；

（4）成本：成本要低，不能为了满足前面三个要素而一味地增大尺寸或选用高性能的优质材料，从而增加成本。

2　Pro/MECHANICA的分析流程

分析前需获取的信息：构件的详细尺寸和构件所使用的材料的各项力学性能，实际应用中的装配和受力情况等。

Pro/MECHANICA的分析流程：1.创建模型→2.定义单位→3.定义材料→4.定义约束→5.定义载荷→6.创建分析→7.运行分析→8.获取结果→9.优化分析并找出最佳方案。

创建模型：按1∶1比例创建模型并简化模型，删除对分析结果影响不大或无关的特征，如倒圆角等。简化特征的优点是在不影响计算结果的情况下加快MECHANICA分析的运行速度，节省工作时间，提高工作效率。

定义单位：为了便于读解分析结果，推荐把单位设置为毫米牛顿秒（mm·N·s），这样得出的应力单位为兆帕（MPa）。

定义材料：根据设计构件所选用的材料来定义材料，如果Pro/E自带材料库中没有的材料，需要自行定义。

定义约束和定义载荷：此两步最为关键，因为约束和载荷的设置，直接影响到计算结果的真实性，所以，约束和载荷的设置，务必接近构件的真实工作状态，否则，分析结果会失真。

创建分析：创建所需的分析。利用Pro/ME⁃CHANICA可进行静态、动态、模态、失稳、疲劳等多种分析。

运行分析：一般情况下使用系统的缺省设置建立静态分析，为了使计算机快速完成分析任务，要为分析合理分配内存，分配内存大小不要超过计算物理内存容量的一半。

获取结果：可以根据需要获取应力、应变、位移等参数，并可通过云纹图、等值线等显示方式查看结果。

优化分析并找出最佳方案：可以利用Pro/ME⁃CHANICA的优化设计研究功能获得最佳解决方案。

3　Pro/MECHANICA分析实例

本例对具体的操作步骤不做叙述，主要针对困扰一般技术人员的结果解读部份做比较详细的介绍，如对具体操作步骤有兴趣的读者可以参考参考文献[1]或其他相关书籍。

下面，以一个额定载荷为10 t（约100 000 N）的吊机的支柱为例，对Pro/MECHANI⁃CA的应用进行简要介绍。吊机支柱为钢结构，材料为碳素结构钢Q235-A。其屈服强度σs≥235 MPa，抗拉强度σb≥400 MPa。要求吊机支柱安全系数大于4，位移不超过10mm。其尺寸如图1所示。

图1　吊机支柱外形

建模并定义材料为钢，约束为底部完全固定，由于吊机两边都有支柱，故单边支柱载荷为50 000N（施加载荷前定义好载荷区域）。定义好约束和载荷后的模型如图2。以系统默认方式建立静态分析并运行分析，分析时间的长短视分析类型、模型的复杂程度和计算机的配置而定。短则几十秒，长则几个小时。

分析完成后获取结果如图3和图4所示。

在本实例中，需要获取的数据是范氏等效应力和位移。从分析结果可以看出，此吊机支柱的最大应力为65.06MPa（可以通过信息菜单→模型最大值进行查看），主要集中在载荷施加区域，柱身的最大应力为16.64MPa，而其他大部分区域的应力小于16.64MPa，各部分最大应力都远远小于Q235-A钢的抗拉强度400 MPa。安全系数=400/ 65.06≈6.1。最大位移为5.905mm，位于吊机支柱的支撑部位。从分析结果可以得出结论：安全系数大于4，位移不超过10mm，完全满足设计预期要求。

由于本吊机支柱属于较典型的压杆，有必要对其稳定性（Buckling）进行分析。稳定性分析的关键是找出失稳临界载荷和构件发生屈曲时的模态形状。Pro/MECHANICA通过求解“失稳载荷因子”，通过下式来计算失稳临界载荷：

失稳临界载荷=失稳载荷因子×静态分析中施加的载荷大小

图2　约束和载荷的施加

图3　应力云纹图

图4　位移云纹图

在失稳分析中，通常只需着重关注一阶失稳即可。下面来求解并解读其稳定性方面的数据。

分析结果如图5所示。

从分析结果中可知，失稳载荷因子等于6.155，由于静态分析中施加的载荷大小为50 000 N，从而可得失稳临界载荷等于6.155×50 000= 307 750N，也就是说，当载荷超过307 750N时，此构件会失稳，工作中必须确保最大载荷不超过307 750 N，并留有一定的安全余量。图5中的变形形状即是一阶失稳后的变形形状。

图5　一阶失稳分析结果

4　结束语

从上面的介绍可知，只需要一些基本的力学知识，就可以利用Pro/MECHANICA来完成一些复杂零件的结构设计和分析工作。原本非常专业的计算工作变的如此简单、快捷，且计算结果能直观地在图形上反映，方便实用。

［1］二代龙震工作室.Pro/MECHANICAWildfire 3.0/4.0结构/热力分析［M］.北京：电子工业出版社，2008.

(编辑：向飞)

Application of Pro/MECHANICA in Structure Design

WU Xiao-ya
（Guangzhou TOSHIBA Baiyun RYOKIPower Electronics Co.，Ltd.，Guangzhou510460，China）

In recentyears，various CAE(Computer Aided Engineering)software rose，eachmainstream of 3D design software companies have launched their own CAE applicationmodules，Pro/MECHANICA known as its seam less integration with 3Dmodelingmodule，that model inmodelingmodulewithoutany transformation isapplied to the analysisof Pro/MECHANICA directly.Based on yearsofexperience in applications，combined with a simpleexample，this paperbriefly described theapplication of Pro/MECHANICA.

Pro/MECHANICA；structure design；computer aided engineering

TP391.7

A

1009－9492(2015)06－0121－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.06.033

2015－01－17

吴小亚，男，1981年生，湖南娄底人，大学本科。研究领域：变频器结构设计。已发表论文1篇。