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基于UG的CAE技术在摇臂机构设计中的应用
慕 龙
（新疆天业集团有限公司 化工研究院 新疆 石河子 832000）
摘要：本文通过软件UG NX7.0建立实验平台摇臂机构的三维模型，并利用UG NX7.0的高级仿真模块对其进行结构受力分析，得到了摇臂的应力、应变、位移分布图，并在此基础上利用软件进行结构优化分析，为设计提供参数和依据。
关键词：摇臂；UG NX7.0；有限元分析；结构优化

Application of CAE technology for design of rocker mechanism base on UG
Mu Long
(Xinjiang Tianye (group) Co., ltd. Research Institute of Chemical
xinjiang shihezi 832000)

Abstract: This article through the software UG NX7.0 rocker mechanismestablishment of experiment platform of the 3D model, and by using UG NX7.0 senior simulation module of its structure stress analysis, obtained the rocker stress, strain and displacement distribution, and on this basis using software structure optimization analysis, to provide parameters and design basis.
Key words: rocker mechanism；UG NX7.0； finite element analysis；structural optimization

收稿日期：
作者简介：慕龙（1978--），男，工程师，从事机械设计与制造相关工作。
联系地址：联系地址：新疆石河子市北三东路36号新疆天业集团化工研究院
E-mail：联系电话：[phone] E-mail：mlong-007@
1 引言
有限元法已越来越多的应用在现代产品设计之中，它的实质是将连续的物理模型离散化为有限个单元体，只在有限个节点相互连接，每个单元选择一个函数，近似模拟该单元的物理量，如位移分布或者应力分布。然后确定优化的目标，在保证模型刚度安全裕度的前提下计算得各约束条件的尺寸值，为产品的设计开发提供指导。本文以一实验平台的摇臂机构为例来说明UG CAE技术在机械机构设计中的应用。
2 建模与仿真
2.1 三维模型的建立
该模型为一可偏转实验平台一侧的摇臂结构，可偏转一定的角度，通过中间肋板上的定位孔定位，摇臂的底部与实验平台连接，承受单向载荷。应用UG的三维建模模块建立全参数化的三维模型，如图1，侧肋板的约束尺寸为p39，如图2，中间肋板截面如图2草图所示，拉伸的特征参数为p55，在满足刚度的条件下可通过仿真对其优化。
2.2 仿真
2.2.1 创建解算方案并划分网格
进入高级仿真模块，解算方案选择【SESTATIC 101-单约束】，通过理想化几何体的方式删除模型上的定位孔和螺栓孔，对简化后的模型划分网格，类型为【CTETRA（10）】的3D四面体，大小为5，单元数11705，节点数20899。

图1
2.2.2 添加材料属性
本结构选用的材料为HT400，对应UG自带的材料库为Iron_Cast_G40，杨氏弹性模量为1.4e+008mN/mm2 (kPa)，密度为7.15e-006 kg/mm3，泊松比为0.25，屈服强度为345MPa。

图 2
2.2.3 添加约束和载荷
由于可偏转试验平台为左右对称结构，两侧的摇臂与试验平台连接，故Z方向的变形不做计算，只计算X方向的变形，摇臂上部的圆孔通过销钉与支架固定，采用销钉约束，单侧受力，摇臂的底部承受负X方向的单向载荷，大小为3000N，添加约束和载荷之后的摇臂如图3所示

图 3
2.2.4 分析求解
有限元模型检查，在确认无误后求解，得到该模型节点的应力云图和位移云图，如图4所示，最大应力为98.44MPa，出现在摇臂靠近下端平面处，与实际分析的一致，如果安全系数Ks取1.6，也满足许用应力条件MPa，满足刚度要求。从位移云图上可以看出，最大位移出现在摇臂的最下端，为X轴的负方向0.2391mm。
2.3 结构优化
以摇臂结构的重量最小化为目标，定义约束条件，最大应力上限为220MPa，最大X负方向位移为0.2mm，设计变量P39的范围为10——15mm，特征参数p55的范围为3——5mm，然后进行求解，如

图 4
图5、图6所示，在进行六次迭代之后基本收敛，摇臂的重量为10092.5N，为满足变形的要求重量有所增加，p39的尺寸为13.2mm，p55为4.22mm，在满足构件刚度和变形的情况下达到了优化的目的，图7为优化前后X方向位移云图的比较，左图为优化之前的位移云图，右图为迭代9次之后的位移云图，优化之后X负方向的最大位移为0.1875mm，小于限定的0.2mm。摇臂模型结构的总体变化趋势是中间的肋板变薄，两侧的肋板变宽，增强结构的抗变形能力。

图 5

图 6

图 7
3 结论
通过软件的三维建模到仿真优化，确定合理的设计尺寸，改变了传统方法从概念到样品测试的复杂环节，减少了设计过程中的缺陷和不足，提高了产品的设计质量和可靠性，缩短设计周期，同时也降低了产品的开发成本。
参考文献
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【2】洪如瑾. UG NX4高级仿真实例教程【M】.北京：清华等数学出版社，2007.
【3】羊玢，等. 基于参数化的车辆驱动桥壳动态优化设计[J].汽车技术，2005，（5）：23-25