基于CAD/CAE 的一种板凳研究

胡永康，孙乐俊

（武汉理工大学 汽车工程学院，湖北 武汉430070）

本学期笔者学习了汽车CAD/CAE ，想要成为一名合格的车辆工程专业学生，很有必要掌握它[1]。笔者通过使用UG创建一个凳子模型。凳子在人们生活中的使用量非常大，凳子是人们生活中的必需品，每一个人都需要用到它。所以人们使用的凳子必须安全系数很高，人们累了可以坐在上面休息一会，缓解一下自己劳累的身心，所以不能让其存在安全隐患。把凳子端面四个角都设计成倾斜的圆曲面，防止有人不小心碰到端面的角而造成伤害，从而加强凳子的强度，提高安全系数。

1 关于UG 软件

UG 是Unigraphics 的缩写，这是一个交互式CAD/CAM（计算机辅助设计与计算机辅助制造）系统，可以方便实现各种复杂实体的建构，功能强大[2]。它最开始主要在工作站使用，但随着电脑的性能越来越强大，此软件在个人电脑上的应用增长十分迅速，目前，已经成为模具行业三维设计的一个主流应用[3]。UG 的目标是用最新的数学技术，即自适应局部网格加密、多重网格和并行计算，为复杂应用问题的求解提供一个灵活的可再使用的软件基础[4]。

2 凳子基本轮廓的建模

确定基准坐标系后，以xy 平面采用拉伸命令，然后以坐标原点为中心画一个100 mm×100 mm 的矩形（此矩形过小，之后会有改进）选择拉伸距离为150 mm，拉伸方向为z 的负方向，拔模的角度为-5°。

2.1 尖角的去除

考虑到凳子表面的四个角过尖会存在一定的安全隐患，所以，对凳子端面进行了修剪体的处理，使之更安全。笔者先选择了一个基准平面，然后进行画线，找到离一个端点为20 mm 的两点，再选以一个相邻面进行同样的操作；采用修剪体的操作成功地将尖角去除，最后采用阵列特征，数量为4 个节，距角方向为z 轴。

2.2 边导圆的设计

去除尖角处的平面将会产生3 个新的角，并且凳子的长角处也是尖的，这不但存在安全隐患，还影响了整体的美观。所以笔者对它进行了边导圆的设计，使之更加美观。在端面处的边导圆的半径为3 mm，凳脚处的半径为6 mm。最后成功地完成了边导圆的设计，如图1 所示。

图1 边导圆

3 凳子成形

接着笔者进行了抽壳和拉伸步骤，使凳子呈现其基本形状。从底面进行抽壳的抽壳厚度为1.5 mm，然后进行拉伸处理，选取4 个表面中任一表面为参考面，进行轮廓的大致绘制，然后用快速尺寸进行约束。拉伸时距离为150 mm，布尔为减去。最后采用阵列特征，凳子已基本成形，如图2所示。

图2 基本成形的凳子

4 凳脚的优化

考虑到凳脚与地的接触面积过小，稳定性不够，决定把凳脚与地面的接触面积加大，使之更加稳定。以凳脚平面为基准平面，进行拉伸，拉伸长度为1 mm，然后采用加厚命令，使凳脚更加稳定，最后采用阵列特征，如图3 所示。

图3 优化后的凳脚

5 仿真分析

对原本设计的凳子模型进行仿真分析，发现凳子表面变形严重，不能投入到实际中使用。不能承受过大的质量，还需要进行改进。假设体重为70 kg 的人坐在上面，凳子采用的材料是塑料ABS，然后对凳子进行了第一次仿真分析[5]，如图4 所示。

图4 第一次仿真结果

由图4可以看到，凳子表面的位移最大处达到了30 mm，凳子表面的最大应力达到了130 MPa；安全系数很低，凳子表面的安全系数大部分都在0～1。由上述的仿真分析人们可以了解到第一次的凳子建模实用度很低，在现实中无法正常使用。所以，笔者对这个凳子进行了一定的优化，考虑到凳子表面的承压能力过低，所以在凳子底面加了横竖两列加强筋，如图5 所示，这样就可以使凳子在承受压力时保持原来的形状。考虑到凳子的尺寸过小，在实际生活中的用途不大。所以，笔者对凳子进行了缩放处理，把整个凳子均匀地放大了4 倍，使凳子在实际中更加实用。最后对凳子完成了优化，对优化后的凳子进行仿真分析。

图5 在凳子底部加了加强筋

接着对优化后的凳子进行了第二次仿真分析，结果如图6 所示。

本次的仿真分析依旧假设质量为70 kg 的人坐在上面，材料依然是ABS。由本次的仿真分析可以看到改进之后的效果还是不错的。由图6（a）可以看到，在凳子端面中心那一小部分的位移变化是最大的，但位移量在0.320 mm 左右，这个变形还是非常小的，与第一次相比效果有了明显提升；由图6（b）可看到，在凳子端面的最大端面的最大应力在0.640 MPa 左右，这个应力相比于第一次小很多；由图6（c）可以看到，整个凳子都呈现绿色，安全系数在2.5～3.0 之间，存在的安全隐患比较少。由此次的优化结果仿真分析可以看到，优化后的凳子实用性还是很高的，最终笔者完成了这个凳子的建模，如图7 所示。

图6 第二次仿真结果

图7 最终的模型

6 总结

本文通过使用CAD/CAE 对凳子建模，阐述了CAD/CAE在平时设计生产中的运用，并且通过一步步的模型仿真，说明了模型的构建应在人们的脑子里有清晰的思路，需要大量的时间和耐心，且需要把最初的模型构建出来进行仿真分析，看其是否满足所设定的要求，一般情况下是需要改进的。此外，还要看凳子在现实生活中是否有足够的实用度，它的安全系数是否足够高。此次建模在进行仿真之后进行优化，实用度较高，说明本次建模是成功的。