一、引言

    子母環(huán)又稱蝴蝶環(huán)，作為連接件，在礦山和煤礦機(jī)械中大量使用，零件的質(zhì)量不僅關(guān)系企業(yè)生產(chǎn)的效益，更關(guān)系操作人員的人身安全，因此怎樣設(shè)計(jì)出既節(jié)省材料又能滿足強(qiáng)度要求的零件成為擺在我們面前的課題。

二、優(yōu)化分析的必要性

    如圖1所示，a圖為子母環(huán)的零件單體，b圖為子母環(huán)在工作狀態(tài)的裝配體，裝配時(shí)僅需要一支網(wǎng)柱銷就可以滿足裝配要求，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于操作。

圖1 子母環(huán)（蝴蝶環(huán)）

    在滿足強(qiáng)度的條件下，怎樣才能做到使用最少材料，縮小零件尺寸，節(jié)約成本，成為機(jī)械設(shè)計(jì)人員所追求的目標(biāo)。

    增大零件的截面尺寸可以增加極限抗拉強(qiáng)度，在這個(gè)零件中，有很多尺寸不一樣的截面，增加哪個(gè)尺寸才能對(duì)增加極限抗拉強(qiáng)度有明顯的影響呢？在承受同樣的應(yīng)力載荷下，增加子母環(huán)網(wǎng)環(huán)部位截面尺寸B和增加網(wǎng)環(huán)與連接軸之間的截面尺寸A，哪一個(gè)才更能節(jié)約材料呢？就像體積一樣的兩塊網(wǎng)柱鋼件，直徑大的比直徑小的更能承受壓應(yīng)力，同樣體積的材料，設(shè)計(jì)尺寸不同就會(huì)呈現(xiàn)不同的承載能力。

    在CAE出現(xiàn)以前，復(fù)雜結(jié)構(gòu)和零件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)都是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)預(yù)估的，即使簡(jiǎn)單的零件強(qiáng)度設(shè)計(jì)也需要大量的計(jì)算，即耗時(shí)又耗力，Pro/E/MECHANICA(有限元分析)模塊可以進(jìn)行零件模型和裝配模型的結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化分析，具有的分析類型有靜態(tài)分析、模態(tài)分析、屈曲分析、接觸分析、、預(yù)緊分析、振動(dòng)分析、溫度分析、運(yùn)動(dòng)分析。其強(qiáng)大的分析、優(yōu)化功能可以幫助設(shè)計(jì)人員在短時(shí)間內(nèi)得到最優(yōu)的設(shè)計(jì)結(jié)果，從而減小繁雜的計(jì)算任務(wù)負(fù)擔(dān)。

三、優(yōu)化分析步驟

    1.建立實(shí)體模型

    使用Pro/E強(qiáng)大的建模模塊可以迅速的得到零件的數(shù)學(xué)模型，造型尺寸的準(zhǔn)確性直接決定了優(yōu)化分析后尺寸的合理程度。針對(duì)當(dāng)前零件，采用了拉伸、掃描、混合等常用的造型方法，在棱角部分適當(dāng)添加網(wǎng)角來改善零件的受力情況。

    2.進(jìn)行零件裝配

    進(jìn)入Pro/E的組件模塊，對(duì)各個(gè)部件添加必要的約束進(jìn)行裝配，裝配后的效果如圖1(b)所示。

    3.定義模型

    定義模型的材料物性，包括材料(20CRMnTi)、密度(7.8×103kg/m3)、彈性模量(207GPa)、泊松比(0.25)等，定義模型的載荷(32T)，屈服強(qiáng)度σs≥835(Mpa)，抗拉強(qiáng)度σb：≥1080(MPa)、約束。

    4.建立靜態(tài)分析

    靜態(tài)分析是在當(dāng)前的尺寸條件下，根據(jù)預(yù)設(shè)載荷、強(qiáng)度條件，對(duì)零件進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析，并以不同顏色顯示出來，它是后期敏感度設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，只有先做這一步，后面的優(yōu)化分析才能進(jìn)行，Pro/E/MECHANICA模塊會(huì)根據(jù)當(dāng)前靜態(tài)分析結(jié)果進(jìn)行判斷，如果當(dāng)前尺寸強(qiáng)度滿足要求，則進(jìn)一步減小尺寸，反之則增大尺寸，達(dá)到滿足強(qiáng)度條件所需的最小尺寸效果。

    5.建立優(yōu)化分析

    優(yōu)化分析是在靜態(tài)分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，通過大量的數(shù)據(jù)循環(huán)套用，比較判斷，最終得到最優(yōu)的數(shù)模尺寸，這一階段所需時(shí)間較長(zhǎng)。

四、建立尺寸關(guān)系

    為了限制優(yōu)化分析后零件變形的隨意性，必須給零件各個(gè)截面尺寸增加關(guān)系式，讓尺寸在一定的條件和范圍內(nèi)變化，這是草繪截面尺寸關(guān)系約束。

    在混合操作中，各個(gè)草繪截面之間的距離必須隨零件截面尺寸的變化而變化，這就需要加入草繪截面距離和零件截面尺寸的關(guān)系約束，這是混合尺寸關(guān)系。

    建立了尺寸關(guān)系，在優(yōu)化分析后，得到的結(jié)果才能和實(shí)際情況更為接近。

五、確定優(yōu)化尺寸

    在所有的尺寸關(guān)系建立后，圖1中B、C、D三處的尺寸基本決定了零件的大體尺寸，B截面尺寸作為最重要尺寸控制了零件的主要強(qiáng)度指標(biāo)，為第一優(yōu)化尺寸，C和D截面尺寸控制零件在工作狀態(tài)下不發(fā)生大的變形甚至拉裂，為第二和第三優(yōu)化尺寸。這三個(gè)尺寸確定后就確定了零件的外觀尺寸和用料量。

六、優(yōu)化分析結(jié)果

    1.靜態(tài)分析應(yīng)力、位移分布如圖2、圖3所示。

圖2 應(yīng)力分布

圖3 位移分布

    2.優(yōu)化分析結(jié)果

    環(huán)直徑截面尺寸B=38mm，鎖扣C=42mm，鎖扣D=66mm。

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