基于CATIA和ANSYS的轮毂的有限元分析

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1、沈阳理工大学课程设计 目 录1.绪论.21.1 CATIA软件介绍.21.2 ANSYS软件介绍.21.3 PRO/E软件介绍.21.4 本次课程设计的主要内容及目的.32. 轮毂的建模.42.1轮毂截面的建模.42.2轮毂立体建模.93. CATIA导入ANSYS.163.1运用PRO/E改变CATIA输出格式.163.2轮毂的LUNGU.x-t导入ANSYS.173.3导入模型生成实体.184.轮毂的有限元分析.214.1 参数设定.21 4.2 网格划分.23 4.3 有限元分析.23 4.4分析求解.26 4.5保存为.lgw格式.29结束语.381 课程设计的主要工作.382 课程设

2、计中存在的不足.38参考文献.39轮毂的建模及有限元分析1.绪论1.1 CATIA软件介绍CATIA是法国达索公司的产品开发旗舰解决方案。作为PLM协同解决方案的一个重要组成部分，它可以帮助制造厂商设计他们未来的产品，并支持从项目前阶段、具体的设计、分析、模拟、组装到维护在内的全部工业设计流程。模块化的CATIA系列产品旨在满足客户在产品开发活动中的需要，包括风格和外型设计、机械设计、设备与系统工程、管理数字样机、机械加工、分析和模拟。CATIA产品基于开放式可扩展的V5架构。通过使企业能够重用产品设计知识，缩短开发周期，CATIA解决方案加快企业对市场的需求的反应。自1999年以来，市场上广

3、泛采用它的数字样机流程，从而使之成为世界上最常用的产品开发系统。CATIA系列产品已经在七大领域里成为首要的3D设计和模拟解决方案：汽车、航空航天、船舶制造、厂房设计、电力与电子、消费品和通用机械制造。本次使用软件版本为CATIA V5R19.1.2 ANSYS软件介绍ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, IDEAS, AutoCAD等， 是现代产品设计中的高级CAE工具之一。CAE

4、的技术种类有很多，其中包括有限元法(FEM,即Finite Element Method),边界元法(BEM,即Boundary Element Method)，有限差分法(FDM,即Finite Difference Element Method)等。每一种方法各有其应用的领域，而其中有限元法应用的领域越来越广，现已应用于结构力学、结构动力学、热力学、流体力学、电路学、电磁学等。ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。因此它可应用于以下工业领域： 航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运

5、动器械等.本次运用软件版本为ANSYS 12.01.3 Pro/e软件介绍Pro/Engineer操作软件是美国参数技术公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。Pro/Engineer软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，Pro/Engineer作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广。是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。Pro/E的基于特征方式，能够将设计至生产全过程集成到一起，实现并行工程设计。它不但可以应用于工作站，而且也可以应用到单机上。Pr

6、o/E采用了模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。本次使用的是目前Pro/E最高版本：Pro/ENGINEER Wildfire 5.0(野火5.0)。1.4 本次课程设计的主要内容及目的本次课程设计主要内容是在CATIA软件的基础上，利用零件设计模块对某轿车前悬架所有零件进行建模，然后利用软件的装配模块把悬架的所有组成零件安装一定的位置关系进行装配，最后利用软件的工程图模块完成悬架总成及一些主要零部件的工程图。完成以上内容不仅需要对悬架系统的功用与性能有较好的掌握，还需要对CATIA软件有较熟练的掌握。本次课程设计的

7、主要目的：掌握应用CATIA软件进行三维建模的能力以及掌握应用以及掌握应用ANSYS软件进行有限元分析的能力，正确划分网格，合理施加约束和力2.轮毂的建模2.1轮毂截面的建模轮毂的尺寸直径D=450mm，宽度J=142mm,PCD与孔位为5X106。绘制绘制轮毂截面的步骤如下：（1） 打开CATIA机械设计零件设计，进入绘制轮毂截面工作模块，如图2.1.1;图2.1.1 轮毂设计模块23（2） 选择XY面，点击进入工作台图标，进入草图绘制模块。单击图标建轮毂中心轴线参考线，端点位置坐标(-50,0),(150,0)点击直线绘制图标建立轮毂乱轮廓中间一阶槽宽58mm，距离中心轴线参考线175mm

8、，槽高25mm,如图2.1.2 图2.1.2 轮毂外轮廓截面一阶槽的建立与约束（3） 点击直线绘制图标建立轮毂外轮廓，采用约束中间二阶槽宽138mm，距离中心轴线参考线200mm，槽高25mm,槽沿5mm如图2.1.3图 2.1.3 轮毂外轮廓截面二阶槽的建立与约束（4） 点击平移命令，选取轮毂的槽的外轮廓建立厚度为5mm的内轮廓，方向为竖直方向。如图2.1.4图2.1.4 轮毂内轮廓截面建立（5） 修改内轮廓中间槽宽为48mm，二阶槽沿宽为10mm，内外轮廓厚度均匀为5mm，连接内外轮廓槽沿线端点。如图2.1.5图2.1.5 轮毂内轮廓截面修改与约束（6） 由于轮胎的外形限制，从而使得轮胎与

9、轮毂配合良好，现在对轮毂的内外轮廓线转角处进行倒圆角处理，点击选择需要到圆角的两条线，其中轮毂边沿外轮廓圆角半径为4mm，内轮廓圆角半径为8mm，内外轮廓连接处圆角半径为1mm，其他地方大弧圆角半径为12mm，小圆弧圆角半径为8mm。如图2.1.6 图2.1.6 对内外轮廓进行倒圆角处理（7） 设计轮毂盘中间盖，其中盖厚也为5mm，点击虚线命令建立PCD边缘参考线，点击等距点命令将中间槽宽线等分为3部分，创建三个点距点。点击虚线命令与第一个等分点建立竖直虚直线与PCD参考线相交，并适当移动条件使其与网格竖直线重合，方便取点。如图2.1.7图2.1.7 建立中间盖的参考点线（8） 构建中间盖轮廓

10、线，点击直线命令，从第一个等分点建立直线，与竖直参考线夹角为60，长度为50，然后以这条线的端点继续建立直线，与上条直线夹角为80，相交与竖直参考线，然后建立竖直线与PCD边缘参考线相交；然后平移命令点击将这条轮廓线水平平移并约束处处厚度为5mm。如图2.1.8图2.1.8 构建轮毂中间盖轮廓（9） ，然后点击按钮将槽底线在两轮廓间断开，然后点击倒圆角命令，将轮廓与槽底、转折点进行到圆角处理，其中左边轮廓与槽底圆角半径为2mm，右边轮廓与地槽圆角半径为20mm。依次对下面轮廓线进行倒圆角处理，其中第一个拐角大圆角半径为22mm，小圆角半径为20mm，第二个拐角圆角半径均为30，点击直线命令对中

11、间盖的轮廓进行连接底端。如图2.1.9图2.1.9 轮毂中间盖轮廓的整理约束2.2轮毂立体建模（1） 完成轮毂截面草图后条件坐标，使草图的最底虚参考线与坐标水平相重合，删除不必要后，点击退出工作台命令，退出草图，得到如图2.2.1图2.2.1 退出草图所得到的图形（2） 点击草图，使草图处于选中状态（一般选中后颜色为橘黄色），然后点击旋转体命令，选择第一角度为360，草图1，轴线为X轴。如图2.2.2图2.2.2 根据草图建立轮毂旋转体（3） 点击确定得到轮毂基体立体外形，如图2.2.3图2.2.3 轮毂基体模型（4） 进行制作螺孔，其轮毂PCD与孔位参数代号为5X106，点击YZ平面，点击进

12、人YZ平面草图设计，如图2.2.4图2.2.4 进入YZ平面草图（5） 点击圆命令，在坐标原点建立直径为140mm的圆，点击等距点命令选择刚生成的圆将其分为5个等距点，作为参考点。如图2.2.5图2.2.5 生成5个等距点（6） 点击圆命令，分别以等距点为圆心建立五个直径为13.5的等距圆，然后将等距点以及大圆删除。如图2.2.6图2.2.6生成5个等距圆（7） 点击退出工作台命令，退出YZ平面草图，点击凹槽命令在轮毂基体上生成5个等距孔位，如图2.2.7图2.2.7 生成5个等距孔位（8） 点击确定，生成轮毂模型，如图2.2.8图2.2.8 轮毂模型（9） 点击YZ平面，点击草图命令，建立轮

13、毂面孔草图，其中轮毂面孔为矩形，点击命令生成矩形，其数据为80mmX40mm,均匀分布。如图2.2.9图2.2.9 生成轮毂面孔及气口孔草图（10） 点击退出草图，点击凹槽命令，生成轮毂槽如图2.2.10图2.2.10轮毂槽的生成（11） 再次进人YZ草图，点击圆命令绘制气口槽草图，退出草图，点击凹槽命令，生成气口槽。如图2.2.11图2.2.11生成气口槽（12） 轮毂模型完全生成，保存文件为LUNGU.IGS 和 LUNGU.CATPART3.CATIA导入ANSYS3.1运用PRO/E改变CATIA输出格式（1） 打开PRO/E文件打开，类型选择IGES(.igs/.iges),选择LU

14、NGU.IGS。如图3.1.1图3.1.1将模型导入PRO/E（2） 点击打开，出现导入新模型窗口，默认选择，点击确定，导入成功，如图3.1.2图3.1.2成功导入（3） 点击文件保存副本，模型名称LUNG.PRT,新建名称LUNGU,类型抛物面（*.x-t）,点击确定，格式转换成功，如图3.1.33.1.3格式转换保存3.2轮毂的LUNGU.x-t导入ANSYS（1） 打开ANSYSFileImportPARA.,如图3.2.1图3.2.1导入文件选择（2） 选择已经保存好的LUNGU.x-t，点击OK进行导入，如图3.2.2图3.2.2选择保存好的LUNGU.x-t导入（3） 成功导入，导

15、入后如图3.2.3图3.2.3成功导入模型3.3导入模型生成实体（4） 选择PlotCtrlsStyleSoild Model Facets，生成实体过程如图3.3.1、3.3.2，生成结果如3.3.3图3.3.1 生成实体过程a图3.3.2生成实体过程b成功生成实体模型图3.3.3 实体模型4.轮毂的有限元分析4.1模型参数设定（1） 模型材料的设定：定义模型的单元类型为实体45号单元Brick8node45，如图4.1.1图4.1.1 定义模型材料单元（2） 设置材料属性:ANSYS Main MenuPreprocessorMaterial PropMaterial Models如图4.

16、1.2图4.1.2 设计材料属性i. 定义材料的弹性模量和泊松比，选择StructualLinearElasticIsotropic，其中弹性模量=2.1e11，泊松比=0.3，如图4.1.3图4.1.3 设置弹性模量和泊松比ii. 定义材料的密度：选择StructualDensity，其中密度=7.8e3，如图4.2.2图4.1.4 定义材料密度4.2网格划分ANSYS Main MenuMeshingMeshTool，勾选SmartSize=8，Mesh各项为Volumes，Tet，Free，然后点击Mesh，选择轮毂实体，得到如图4.2所示图4.2 网格划分4.3 有限元分析（1） 约束

17、5个螺孔，ANSYS Main MenuDefine LoadsApplyStructualDisplacementSymmetry B.COn Areas，选择安装螺孔的10个柱面，点击OK；如图4.3.1图4.3.1 约束5个螺孔（2） 约束安装盘，整个安装盘时间位移约束(UX=0), ANSYS Main MenuDefine LoadsApplyStructualDisplacementOn Lines,选择安装盘的两条圆弧线；如图4.3.2图4.3.2 选取安装盘的轮廓线（3） 选取UX方向作为约束自由度，如图4.3.3图4.3.2选取安装盘UX方向约束（4） 在轮毂安装轮胎槽上施加

18、推力载荷（等效为轮毂所承受的压力），ANSYS Main MenuDefine LoadsApplyStructualPressureOn Areas，拾取轮沿，如图4.3.4图4.3.4选择轮沿作为受力面（5） 假设车轮轮毂承受的压力为5000N，在输入面上的压力为5000；如图4.3.5图4.3.5施加压力（6） 点击OK得到添加压力图；如图4.3.6图4.3.6 添加压力图4.4 分析求解（1） 进行求解：MainSolutionCurrent LS，求解如图4.4.1图4.4.1 求解（2） 选择绘制等效应力图，点击MainGeneral PostprocPlot ResultsCon

19、tour PlotNodal SoluStressVon Misess Stress，如图4.4.2 图4.4.2 选择等效应力（3） 点击OK，获得等效应力图，如图4.4.3 图4.4.3 等效应力图（4） 选择绘制等效应变图MainGeneral PostprocPlot ResultsContour PlotNodal Solu，选择DOF SolutionDisplacement vector sun 图4.4.4选择应变位移（5） 点击OK，活动等效应变图，如图4.4.5图4.4.5 等效位移图4.5 保存为.lgw格式将以上分析保存，保存为0902020222KCSJ.lgw，其用

20、记事本打开为： /BATCH ! /COM,ANSYS RELEASE 12.0.1 UP20090415 15:49:45 06/27/2012 /input,menust,tmp,1 ! /GRA,POWER ! /GST,ON ! /PLO,INFO,3 ! /GRO,CURL,ON! /CPLANE,1 ! /REPLOT,RESIZE WPSTYLE,0! /COM,ANSYS RELEASE 12.0.1 UP20090415 20:44:40 06/26/2012 /input,menust,tmp,1 ! /GRA,POWER ! /GST,ON ! /PLO,INFO,3 !

21、 /GRO,CURL,ON! /CPLANE,1 ! /REPLOT,RESIZE WPSTYLE,0PARAIN,LUNGU,x_t,E:cs,SOLIDS,0,0 /NOPR /GO /NOPR /GO ! /FACET,NORML!* ET,1,SOLID45!* !* MPTEMP, MPTEMP,1,0 MPDATA,EX,1,2.1e11 MPDATA,PRXY,1,0.3 MPTEMP, MPTEMP,1,0 MPDATA,DENS,1,7.8e3SMRT,6 SMRT,7 SMRT,8 MSHAPE,1,3D MSHKEY,0!* CM,_Y,VOLU VSEL, , , ,

22、1 CM,_Y1,VOLU CHKMSH,VOLU CMSEL,S,_Y !* VMESH,_Y1 !* CMDELE,_Y CMDELE,_Y1 CMDELE,_Y2 !* ! LGWRITE,safasfasdf,lgw,D:ADAMS-CATIA-ANSYS,SOLIDS FINISH /SOL! /USER, 1 ! /VIEW, 1, -0.816184219326 , 0.479158481589 , 0.322878413097! /ANG, 1, -49.2544524460 ! /REPLO ! /DIST,1,0.924021086472,1! /REP,FAST ! /D

23、IST,1,0.924021086472,1! /REP,FAST ! /DIST,1,0.924021086472,1! /REP,FAST ! /DIST,1,0.924021086472,1! /REP,FAST ! /DIST,1,0.924021086472,1! /REP,FAST ! /DIST,1,0.924021086472,1! /REP,FAST ! /DIST,1,0.924021086472,1! /REP,FAST ! /DIST,1,0.924021086472,1! /REP,FAST ! /DIST,1,0.924021086472,1! /REP,FAST

24、! /DIST,1,0.924021086472,1! /REP,FAST ! /DIST,1,0.924021086472,1! /REP,FAST ! /DIST,1,0.924021086472,1! /REP,FAST ! /DIST,1,0.924021086472,1! /REP,FAST ! /DIST,1,0.924021086472,1! /REP,FAST ! /DIST,1,0.924021086472,1! /REP,FAST ! /DIST,1,0.924021086472,1! /REP,FAST FLST,2,10,5,ORDE,2 FITEM,2,1 FITEM

25、,2,-10 DA,P51X,SYMM! /VIEW, 1, -0.871208855830 , -0.454111830505 , 0.186487465850! /ANG, 1, -48.4910510854 ! /REPLO ! /VIEW, 1, -0.991842481857 , 0.124687286844 , -0.264871984870E-01! /ANG, 1, -46.4603822692 ! /REPLO FLST,2,2,4,ORDE,2 FITEM,2,212 FITEM,2,307 !* /GO DL,P51X, ,UX, ! /VIEW, 1, -0.27290

26、2671674 , -0.551120794186 , 0.788536620588! /ANG, 1, 39.5276063089 ! /REPLO ! /DIST,1,1.37174211248,1 ! /REP,FAST ! /VIEW, 1, -0.141017216647 , -0.881132261659 , 0.451353610900! /ANG, 1, 40.3261232454 ! /REPLO ! /VIEW, 1, -0.213706995829 , -0.712178282404 , 0.668678857155! /ANG, 1, 40.7007916418 ! /

27、REPLO ! /VIEW, 1, -0.210680876787 , -0.254361887254 , -0.943882195228! /ANG, 1, -170.506651079 ! /REPLO ! /VIEW, 1, 0.198253536209 , 0.329344801138 , -0.923161707040! /ANG, 1, -170.066613418 ! /REPLO ! /VIEW, 1, -0.506721278706 , 0.585085502494 , -0.633173357366! /ANG, 1, -145.200094566 ! /REPLO ! /

28、DIST,1,1.37174211248,1 ! /REP,FAST FLST,2,5,5,ORDE,5 FITEM,2,21 FITEM,2,30 FITEM,2,41 FITEM,2,75 FITEM,2,-76 /GO !* SFA,P51X,1,PRES,5000! /STATUS,SOLUSOLVE FINISH /POST1 !* ! /EFACET,1 ! PLNSOL, S,EQV, 0,1.0! /VIEW, 1, -0.804579663033 , 0.271968845780 , -0.527905780191! /ANG, 1, -136.642428228 ! /RE

29、PLO ! /DIST,1,1.37174211248,1 ! /REP,FAST !* ! /EFACET,1 ! PLNSOL, U,SUM, 0,1.0! LGWRITE,0902020222KCSJ,lgw,D:,COMMENT 结束语1 课程设计的主要工作本课题通过对轮毂的模态分析来研究其的稳定型，在设计初期我们需要得到轮毂的参数，然后运用CATIA进行建模，仿真出轮毂模型，然后就将CATIA模型导入ANSYS进行模态分析2 课程设计中存在的不足在设计过程当中，通过到到汽车实验室实际工件量取尺寸，在量取过程中存在一定的误差；在设计过程中由于对软件的不熟悉导致有出错，因此只有重新开始，

30、导致浪费很多时间。其中软件版本的选择在本次设计中有很大的影响，并且在软件安装过程中接口程序的选择也有很大的作用，譬如，在安装ANSYS 12.0我由于没有点击CATIA接口，导致无法直接将CATIA图直接导入ANSYS，因此在设计前要选择好软件版本。参考文献1 龙坤、唐俊，CAITA V5 R15中文版基础教程，北京：清华大学出版社，2006.5 P88-P1222 江洪，李仲兴，陆利锋等，CATIA基础教程，北京：机械工业出版社，2005.11 P16-P1353 张乐乐，苏树强，谭南林，ANSYS辅助分析应用基础教程上机指导，北京：清华大学出版社：北京交通大学出版社，2007.12 P13-76239