不同软件的选择在现代设计方法课程中的应用

刘洪宇

【摘要】在现代设计方法课程教学中，对32t×28.5m双梁吊钩桥式起重机的桥架，选择SolidWorks软件进行三维构建仿真模型，利用SolidWorks软件中集成的有限元分析模块COSMOSWorks，对构建的仿真模型进行结构静力学分析。应用SolidWorks软件，对传感器底座进行三维构建实体模型，选择应用ANSYS软件，对相应的实体模型进行结构静力学分析。通过SolidWorks软件和ANSYS软件与工程实际案例相结合，使学生能够更好地理解和掌握现代设计方法课程课上所学的理论知识和软件操作，真正体现和实践了设计与分析一体化的思想。

【关键词】现代设计方法;SolidWorks;COSMOSWorks;ANSYS;结构静力学分析

1引言：作为机械工程专业人才培养体系中重要的一门课程，现代设计方法是多元综合的交叉学科并涵盖了众多设计方法，学生理解比较困难。提炼出有限单元法中模型简化与建立、网格划分、载荷和约束施加、求解结果运用等比较典型的难点问题，将教师已经获得的科研成果引入并开展研究型教学，促进学生对有限单元法的理解，将现代设计方法与工程实践相结合，提升解决实际工程问题的能力。

桥式起重机是一种轨道运行式起重机，其使用最广泛，也拥有量最大，额定起重量从几吨到几百吨不等，桥式起重机基本的形式是吊钩桥式起重机。目前，桥式起重机作为实现现代化生产过程的机械化和自动化的主要设备，已被广泛应用于国民经济的各行各业，如钢铁和冶金业、交通运输和水利行业、能源与化工行业、机械与环保领域等，在国家经济建设中举足轻重，发挥了重要的作用。桥式起重机的主要组成由装有大车运行机构的桥架、装配有电气设备、走台、栏杆、还有起升机构、司机室以及小车运行机构等部分，大车运行机构主要是纵向移动，小车运行机构主要是横向移动和小车起升机构的升降移动，构成立体空间的起重机吊运重物的空间。桥式起重机的桥架具有承受载荷多、工作环境恶劣的特点，桥式起重机在稳定的工作过程中，由于起升机构、小车及大车的纵向和横向频繁启动、移动和制动，桥架等机构承受强烈的突然冲击和振动，产生持续一定时间的衰减振动。该振动对整个桥架的安全使用将会产生很大的影响，将会造成桥架的疲劳破坏、共振及噪声。

在有限单元法的教学过程中，面对实际工程问题时，由于学生缺乏工程实践经验，对模型的抽象和简化、网格的划分、载荷及约束等教学难点和重点，不易于理解和掌握。通过将SolidWorks软件和ANSYS软件融入传统的多媒体教学中，则可以很好地解决上述问题。

课程结合对32t×28.5m双梁吊钩桥式起重机的桥架进行结构静力学分析。该工程案例把SolidWorks软件引入现代设计方法课程的教学中，以便提高学生应用三维软件在现代设计方法中解决实际应用问题的能力。以32t×28.5m双梁吊钩桥式起重机为例，选择SolidWorks软件，构建32t×28.5m双梁吊钩桥式起重机桥架的三维模型，采用SolidWorks软件中自带的有限元分析模块对32t×28.5m桥式起重机的桥架进行了结构静力学分析。

课程结合传感器底座结构静力学分析的工程案例，阐述了如何把SolidWorks软件和ANSYS软件相结合，引入教学实践应用中，来提高学生现代设计方法解决工程问题的软件选择和实际应用能力。

2 SolidWorks软件在现代设计方法课程教学中的应用

2.1选择三维SolidWorks软件

三维建模软件有很多，不同应用有不同的选择，比较流行的三维建模软件如：Rhino（Rhinoceros犀牛）、3ds Max、PRO-E、SolidWorks等，SolidWorks软件具有友好界面和使用方便的优点，软件可以参数化特征造型，各个部件独立设计，可实现动态变化和测量的功能，其装配体设计，各零件按照相应的装配关系设置和组合，直观简单，工程图的转化过程兼容性好，适合应用于现代设计方法课程教学中，并互联网功能使设计协同工作更加有效和方便。

2.2桥架的三维建模和结构静力学分析

（1）桥架的三维模型的建立

如图1所示，选择SolidWorks软件建立32t×28.5m桥式起重机桥架的三维仿真模型。

（2）有限元分析模块COSMOSWorks

有限元分析包括三个部分：前处理模块、分析计算模块和后处理模块。通过前处理模块生成有限元模型，这部分的网格划分很重要，决定后期工作分析与计算的成败，得到有限元模型的有关数据，决定着分析精度是否准确，分析结果是否有效率。分析计算模块是有限元分析的核心，对三维仿真模型及网格特点进行结构分析，通过虚拟流体动力学分析和多物理场耦合分析，得出有限元模型的相关参数和数据。后处理模块对获得的有限元分析结果进行数据输出和图形显示，通过输出显示对模型做出结论和判断。

（3）桥架的结构静力学分析

采用SolidWorks软件建立的模型可实现与SolidWorks软件中的有限元分析模块的完全无缝兼容。这大大提高了整个有限元分析工作的效率。在SolidWorks软件的材料库中，有很多种材料，以及各种材料的不同参数。在本案例中，桥架材料为Q235钢，相应的密度DENS为7800kg/m³、彈性模量EX为2.1×10¹¹N/m²、屈服强度为235MPa、泊松比NUXY为0.27。在本案例中，对于32t×28.5m桥式起重机桥架，设置网格尺寸为160mm，公差为5mm。离散处理后，32t×28.5m桥式起重机桥架的单元总数为96331，节点总数为180851。

桥架两端通过角形轴承箱由4个轮组支承，每个轮组包括2个调心滚子轴承。本案例采用8块厚板替代调心滚子轴承，用厚板上所开的孔替代轴承孔，孔径等于轴承外径。将整个桥架模型简化为一个简支梁。假设轴承刚度很大，约束两个端梁的8块厚板位于轴承孔处的节点的径向位移，相应的位移为零。约束右侧端梁的4块厚板位于轴承孔处的节点的轴向位移，相应的位移为零。

在桥架Y方向的负方向上对桥架施加9.8m/s2的重力加速度以完成重力载荷的施加。按照小车在桥架主梁上的不同位置，本文选取了满载小车位于主梁中部这种工况。把小车自重和小车额定起重量之和的四分之一作为集中力分别施加在小车四个车轮与桥架主梁相应的接触处。在本案例中，起重机的跨度即L为28.5m。桥架主梁的许用垂直刚度 即许用垂直位移可由公式（1）求出。

经过计算可得出桥架主梁的许用垂直位移为28.5mm～40.71mm。

桥架主梁的许用水平刚度 即许用水平位移可由公式（2）求出。

经过计算可得出桥架主梁的许用水平位移为14.25mm～20.36mm。

在本案例中，桥架材料为Q235钢，安全系数为n为1.1，屈服强度 为235MPa。桥架材料的许用应力 可由公式（3）求出。

（3）

经过计算可得出桥架材料的许用应力 为213.636MPa。

案例采用SolidWorks软件中的静态分析模块对相应的桥架模型在满载小车位于桥架的中部这种工况下进行了结构静力学分析。这种工况以下被称为工况1。在完成求解运算后，得出了在这种工况下桥架的总体垂直位移分布图、总体水平位移分布图及总体Von Mises应力分布图。

桥架的最大垂直位移为18.79mm，发生在主梁中部，主梁其它部分的垂直位移沿主梁中部向两个端梁方向逐渐减小，两个端梁上的垂直位移最小。桥架上的垂直位移均小于 ，这表明该起重机桥架能够满足使用要求。桥架的最大水平位移为0.6050mm，发生在右側主梁中部下面，左侧主梁上面和两个端梁上的水平位移相对较大，其它部分的水平位移相对较小，桥架上的水平位移均小于 ，这表明该起重机桥架能够满足使用要求。桥架的最大Von Mises应力为194.893MPa，发生在端梁的一侧，两个端梁的和两个主梁的上部的Von Mises应力相对较大，其它部分的Von Mises应力相对较小。桥架上的Von Mises应力均小于 ，这表明该起重机桥架能够满足使用要求。

3 ANSYS软件在课堂教学中的灵活应用

3.1关于选择ANSYS软件

基于结构力学的有限元分析，是一种现代计算方法，对于结构静态特性分析和动态特性分析中应用，是一种有效的数值分析方法。常用的有限元分析软件包括ABAQUS、ANSYS、MSC，其中的ANSYS软件，可以将有限元计算与分析、计算机图形学和优化技术相组合，可与CAD软件接口连接，实现数据的共享、转化、交换和图形表达。ANSYS软件是融结构、磁场、流体、电场等模拟计算与分析于一体的大型通用有限元计算和分析软件，后处理模块可将计算结果以彩色等值线、粒子流迹、矢量、梯度、透明及半透明、立体切片等多种方式显示出来，也可将计算结果以曲线表达、图表形式、色彩表现显示或输出。有助于用户将复杂的模型简单化，被广泛地应用于多种工程产品系统及过程之中，如航空器、重型起重机等，为用户提供了强大的功能，已成为解决现代工程学问题必不可少的有力工具。

3.2传感器底座的三维建模和结构静力学分析

（1）传感器底座的三维建模

采用SolidWorks软件建立了传感器底座的三维实体模型，并另存为Parasolid（*.x_t）文件形式，然后将其导入到ANSYS软件中进行分析。

（2）传感器底座的相关属性设置

传感器底座的材料属性为： ，泊松比 ，密度为 。采用SOLID187单元和自由网格划分方法对底座进行划分网格，如图3。

底座底面上的四个螺栓孔是固定在机架上为刚性约束，因此在四个螺栓孔的圆周面施加X、Z方向上位移为零的约束，在底面上施加Y方向位移为零的约束。传感器安装在底座上并用两个圆孔进行支撑，因此传感器对底座的压力分别作用在圆孔的下半圆柱面上，大小为43.1905KN。

（3）传感器底座的结构静力学分析结果

经过ANSYS的求解后，可得到相应的传感器底座的位移图，如图4，传感器底座各部分处于三向应力状态，底座材料采用锻制不锈钢，其屈服强度为206.807MPa，许用安全系数 为2，则传感器底座的许用应力 为屈服强度 与许用安全系数 的比值，其大小为103.4035MPa。底座的最大应力为27.63MPa，支撑传感器的两圆孔下圆柱面上应力为12.292～18.427MPa，两圆孔下圆柱面连接底座的下底面应力分布越来越大。由座的最大应力27.63MPa小于许用应力103.4035MPa可知，本案例设计的张力检测传感器底座能够满足现场生产的强度要求。两圆孔下圆柱面上承载后合位移呈抛物线，越往底面位移变形越小。传感器底座的最大位移值为0.725×10-8mm，该值很小，因此，本案例设计的张力检测传感器底座能够满足现场生产的刚度要求。

4结论：以32t×28.5m双梁吊钩桥式起重机为例，采用SolidWorks软件建立了相应的起重机桥架的三维模型，为双梁桥式吊钩起重机的设计和后续分析提供了基础。采用SolidWorks软件中的静态分析模块对相应的模型在满载小车位于桥架的中部这种工况下进行了结构静力学分析，得出了在这种工况下桥架的总体垂直位移分布图、总体水平位移分布图及总体应力分布图，找到了相应的总体位移分布规律和总体应力分布规律，相应的起重机桥架的垂直位移、水平位移以及Von Mises应力的最大值均小于相应的许用值，这表明该起重机桥架能够满足使用要求。该案例为桥式起重机的设计、运行及维护提供了重要的参考依据。

选择ANSYS软件，对构建的三维模型进行有限元分析，得到了传感器底座的位移图和应力图。本案例设计的传感器底座能够满足现场生产的强度和刚度要求。

通过案例分析，可以满足对学生应具有一定的Solidworks软件应用能力的要求，使学生熟悉SolidWorks软件在解决实际工程问题中的应用过程。应用ANSYS软件对传感器底座进行分析，能够满足对学生具有一定的ANSYS软件应用能力的要求，使学生更加明确如何将SolidWorks软件与ANSYS软件相结合以解决工程实际问题。选择SolidWorks软件和ANSYS软件融入现代设计方法课程多媒体教学中，直观感可以激发学生的学习兴趣，动态及场景能够丰富课堂教学手段，提高教学效果。提高了学生的机械设计能力和综合分析应用能力，培养了学生的工程应用素养，使学生能够更好地与企业接轨。

参考文献：

[1]秦勤，郜志英，吴迪平.现代设计方法课程有限单元法教学探讨[J].中国冶金教育，2017（1）.

[2]江洪.SolidWorks有限元分析实例解析[M].北京：机械工业出版社，2007.

[3]张应迁，张洪才.ANSYS有限元分析从入门到精通[M].北京：人民邮电出版社，2010.