摘要：借助solidThinkingInspire軟件對某旋轉推桿進行輕量化結構設計，并采用HyperWorks 的相關軟件進行靜強度計算分析。分析結果表明，利用CAE軟件在滿足結構靜強度的基礎上能夠方便快捷、有效的實現輕量化設計。 

     關鍵詞：solidThinking Inspire 輕量化 HyperWorks 靜強度

     1概述

     輕量化的概念最先起源于賽車運動，它的優點是顯而易見的，通過減輕重量來獲得更好的操控性，使發動機輸出的動力能夠產生更高的加速度。由于車輛輕，起步時加速性能更好，剎車時的制動距離更短。隨著科技進步、社會發展，“節能環保”越來越成為了廣泛關注的話題，輕量化也就廣泛應用到各個領域。輕量化的措施有新材料的應用以及在滿足產品使用性能的前提下對產品進行結構優化設計等。solidThinking Inspire是利用了工程上“拓撲優化”的技術，模擬了自然界中生物生長的過程，最終獲得材料最省的最佳承力結構。HyperWorks[1]完整的CAE建模、可視化、有限元分析、結構優化和過程自動化等領域的軟件產品始終站在技術的前言，為全球客戶提供了先進的產品工程方案。本次輕量化設計采用solidThinking Inspire軟件進行結構優化，然后采用HyperWorks的相關軟件進行計算分析。

     2結構設計 

     2.1旋轉推桿結構原始設計空間

     根據旋轉推桿的使用要求建立原始設計模型，定義推桿中間長梁為設計空間，如圖2-1所示。為施加載荷約定模型的坐標系，其載荷為20KN的靜力施加在與Y軸成60°角的銷軸上，約束施加在軸孔的鍵槽處，如圖2-2所示。

                                                                            圖2-1原始設計空間

                                                                            圖2-2坐標系約定圖

     2.2材料與屬性

     計算中所使用的的材料參數如下：Q345的材料參數：彈性模量：210GPa、材料密度：7.9e+3kg/m^3、泊松比：0.3、屈服強度：345MPa 

     2.3優化模型

     在solidThinking Inspire軟件中，通過控制優化體積的參數設置以求達到減輕重量的目的，其優化后的模型如圖2-3所示。

                                                                            圖2-3優化模型

     2.4創意設計模型

     根據優化設計模型對該推桿進行結構改進，使產品的結構更加美觀，并且能夠滿足產品的使用要求，其改進設計結果如圖2-4所示。

                                                                            圖2-4創意設計模型

     3有限元分析

     3.1網格劃分

     根據模型結構采用實體單元對原始設計模型以及改進后的創意模型進行網格劃分。計算過程中所使用的距離單位mm（毫米）、質量單位t（噸），應力單位MPa（兆帕）。鑒于模型的結構特點兩個模型均采用四面體單元，詳細網格信息見表3.1，有限元模型見圖3-1、圖3-2。

                                                                            表3.1詳細網格信息

                                                                            圖3-1原始設計有限元模型

                                                                            圖3-2創意設計有限元模型

     3.2靜強度計算結果

     結構靜強度設計的基本原則是：結構應確保承受各種運用載荷時具有必要的承載能力。一般規范采用的靜強度要求為構件產生的靜應力不大于材料的許用應力，確定許用應力時通常以屈服極限為基準，使結構變形處于彈性范圍之內，其強度可靠性則通過安全系數予以保障[2]。根據本結構的使用要求以及材料特性選取安全系數為3.5。通過有限元軟件計算得到兩種模型的結果見表3.2。結果應力云圖分別見圖3-3，圖3-4。根據表3.2可以看出改進后的結構在質量上減輕了37.8Kg，在最大應力上雖略有增加但仍能滿足許用應力要求。

                                                                            表3.2靜強度計算結果

                                                                            圖3-3原始設計模型應力云圖

                                                                             圖3-4創意設計模型應力云圖

     4結論

     通過運用solidThinking Inspire和HyperMesh相關軟件對該旋轉推桿進行仿真設計、以及有限元分析，大大提高了設計效率，在保證結構使用要求的基礎上，能夠明顯的使結構輕量化，節約資 源，使結構更加美觀。

     5參考文獻

     [1]王鈺棟.HyperMesh&HyperView應用技巧與高級實例[M].北京：機械工業出版社，2012.[2]趙洪倫.軌道車輛結構與設計[M].北京：中國鐵道出版社，2009：253-268.

  

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