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基于 catia 的简单零件设计及有限元分析
专用汽车结构与设计课程论文

摘要 零件受载时的变形平衡及可靠性是工程应用中最常见的问题， 汽车作为最普遍的交
通工具， 其中的要求更是广泛。 那么对某一具体的零部件， 分析及解决这一问题的最方便最 有效的方法就是有限元分析法， 下面基于 catia 软件， 对一实际的三脚连接静态受载的问题， 首先进行零件实体建模， 再利用有限元分析模块来解决。 在此过程中， 我们可以看到解决改 善这类问题的方法。

关键词 零件实体建模 有限元分析 应力 变形

正文
基于如下问题的解决方法探索:
已知三脚连接件如下，需要分析其受载时的状况。

分析： 要解决其受载变形平衡及可靠性的问题， 就得首先清楚其受载情况然后在从应力 应变的角度去分析， 而此零件不是简单的简支梁支杆的问题， 所以不能用传统的方法去解决， 但是我们可以将其转化了成熟知的问题， 再来解决。 有限元分析法就是基于这个目的而产生 的，它的基本概念就是用较简单的问题代替复杂的问题再求解， 将求解域看成是由许多称为 有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的)近似解，然后推导求 解总域的满足条件(如结构的平衡条件)，从而得到问题的解。当然这个解不是准确解，而是 近似解，因为实际问题被较简单的问题所近似代替。由于大多数实际问题难以得到准确解， 而有限元不仅能适应各种复杂形状， 而且计算过程通过计算机完成的， 精度高， 速度快， 因 而成为行之有效的工程分析手段。

所以基于此问题，我们利用 catia 中的有限元分析模块来解决。当然前提条件是实体建 模已完成，因此我们将问题分两步来完成。
一．零件实体建模
零件的三视图及立体图已经充分给出，根据这我们就可以做出零件实体。
1 .打开 catia，进入开始—机械设计—零件设计，点启用混合设计后就可以进入零件设 计的界面了。
2 . 凸台 1 设计
首先点击 YZ 平面并进入草绘，完成三脚中的一脚的剖面的设计：

在进行 X 方向的对称拉伸：

3.倒 R8 圆角 1

4.钻 Φ10*5 的盲孔 1
先进入草绘选择好圆心点

再完成孔的设计

5.挖 Φ15 凹槽 1
先完成平面草绘

再进行拉伸，选择好方向，点选直到下一个

6.圆形阵列 1 完成另两个脚
进入草绘，完成圆形阵列 1 的轴线

圆形阵列 1：

7.R35 平面圆角 1 ，2

8.肋 1
先完成肋 1 的横截面设计，进入草绘

再完成肋 1 纵向位移线设计，进入草绘

完成肋 1：

9.末端 Φ40*14 的旋转体设计
先进入草绘，完成旋转轮廓及转轴的设计

完成旋转体：

10.螺纹孔 3 的设计
与第 4 步钻孔类似，先完成草图里圆心的位置设定，再完成螺纹孔 3：

11.肋棱边倒 R8 圆角 2
选择好需要倒圆的肋的棱边，完成倒圆角 2：

12.旋转体上表面倒 R8 圆角 3

13.R10 平面圆角 3，4
设置如下：

完成如图：

14.底面倒 R1 圆角

15.填充材料 steel
最终完成零件实体的建模：

二．有限元分析
实体建模完成后，就可以进行有限元分析了，不过我们得先知道零件的连接受载情况， 查资料可知， 此三脚连接件的三个脚连接某一零件， 而末端的螺纹孔连接另一个零件。 对两 个零件的连接， 会导致三脚连接件受载变形， 那么可以这么认为，相对而言， 可以认为它是 固定在其中某个零件上， 而在另一端进行受载。 假设其三个脚的部分是相对固定的， 而在螺 纹孔连接处受载，分别受肋向轴承载荷 300N；旋转载荷 Y 向 10Nm ，Z 向 16Nm；底部受 均匀压力载荷 20N/m2；最后受重力；整个过程都用静态有限元分析法。
其解决方式如下：
1.将零件置于带材料着色的状态，点击开始—分析与模拟—advanced meshing tools，进 入网格划分模块：

2.网格划分
点击网格划分符号，设置网格大小 7mm，绝对垂度 1mm ，然后点击确定，最后更新， 可得网格划分图：

3.点击开始—分析与模拟—generative structure analysis，进入有限元分析模块：

4.对零件填充三维特性与材料特性：

5.对三脚施加夹紧约束：

6.根据以上对零件受力施加载荷：

7.点击计算符号，进行自动计算
8.生成冯米斯应力图：

9.显示变形情况：

10.位移显示：

11.能量误差估计：

整个实体建模及有限元分析过程就完成了。

结语
通过对以上零件的分析， 可以知道该零件在假设所加的应力情况下的变形与应力情况不 是很理想， 尤其是变形比较大； 解决的办法就是改变零件的材料或结构， 或者通过正确的连 接来改善受载情况， 以使零件工作的可靠性提高。 同样， 对于汽车零件， 也可以用相同的方 法来分析解决问题，改善零件受力变形以达到设计所要求的可靠性。

参考文献
[1]韩书葵 胡仁喜 刘昌丽． CATIA V5 应用教程[M]．清华大学出版社.北京交通大学出版 社．北京． 2008
[2]盛选禹 唐守琴． CATIA 有限元分析命令详解与实例[M]．机械工业出版社．北京． 2006 [3]尤春风． CATIA V5 机械设计[M]．清华大学出版社．北京． 2002
[4]盛选禹． CATIA 三维模型入门与提高．机械工业出版社．北京． 2003