CAD_CAE技术在机械设计中的应用

cae、CAE、传递路径、汽车、碰撞、安全性、现状、智能化

《装备制造技术｝２００７年第１２期

ＣＡＤ／ＣＡＥ技术在机械设计中的应用

张夕琴

（常州机电职业技术学院，江苏常州２１３１６４）

摘要：目前，ＣＡＤ（ＣｏｍｐｕｔｅｒＡｉｄｅｄＤｅｓｉｇｎ）／ＣＡＥ（ＣｏｍｐｕｔｅｒＡｉｄｅｄＥｎ百ｎｅｅｒｉｎｇ）技术突飞猛进的发展，为机械制造业提供了强大的技术

支持。本文以减速器的设计为例，阐述ＣＡＤ／ＣＡＥ技术在机械设计中的应用。

关键词：ＣＡＤ／ＣＡＥ；减速器；设计；应用中图分类号．ＴＰ３９１．７

文献标识码：Ａ

文章编号：１６７２—５４５Ｘ（２００７）１２—０１０９—０２

，

ＣＡＤ技术——计算机辅助设计（ＣＡＤ：ＣｏｍｐｕｔｅｒＡｉｄｅｄＤｅ—

动态地观察装配体装配及拆卸过程。此过程的动态感很强，在

ｓｉｇｎ）技术是以计算机、外围设备及其系统软件为基础，包括二装配时一，可以清晰地观察到零件逐一地装配到目标位置，且此维绘图设计、三维几何造型设计、有限元分析（ＦＥＡ）及优化设过程可以适时控制，也可生成多个装配序列，观察不同的装配计、数控加工编程（ＮＣＰ）、仿真模拟及产品数据管理等内容。而

方案。拆卸过程具有同样的功能。同时可以快捷地通过装配导ＣＡＥ技术——计算机辅助工程，即ＣＡＥ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ

ＡｉｄｅｄＥｎｇｉ—

航器快速浏览整个装配体系，包括零部件名称、数量、属性等。ｎｅｅｒｉｎｇ）是包括产品设计、工程分析、数据管理、试验、仿真和制可以通过装配配对功能观察到每个零件与其相关的装配零件造的一个综合过程，关键是在三维实体建模的基础上，从产品及装配关系，如图２所示。

的设计阶段开始，按实际条件进行仿真和结构分析，按性能要求进行设计和综合评价，以便从多个方案中选择最佳方案，或者直接进行设计优化。

ＣＡＤ／ＣＡＥ技术在产品的三维实体造型（建模）、虚拟装配、二维工程图生成、动态装配干涉检验、机构运动分析、运动仿真和有限元分析等方面带来了革命性的突破，从而大大提高了设计效率与设计质量。三维设计的真正意义不仅仅在于设计模型本身，而是在设计出模型的后处理工作。它的基本思路为：

图１图２

ＣＡＤ技术在零件的设计与装配中起了非常重要的作用，

传统的机械设计的一般步骤为：材料选择一热处理方法确

而对于设计好的零件如何确定其尺寸是否满足要求，传统的设定一零件的尺寸确定一强度校核，若强度校核不满足要求，修

计方法是通过复杂的计算来校核其强度、刚度等机械性能指改零件的某些参数，直至满足强度要求为止。如此反复地修改标，这种方法计算量大而且不易修改。而计算机辅助工程

比较麻烦，而利用ＣＡＤ的优化设计功能，可优化设计方案。例（ＣＡＥ：ＣｏｍｐｕｔｅｒＡｉｄｅｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）技术则是用计算机辅助求

如：在进行减速器结构设计时，图１所示。

解复杂工程和产品结构强度、刚度、热传导、弹塑性等力学性能零件结构设计与尺寸确定是否合理、正确直接与零件装配的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值是否成功有着紧密联系的。在轴系零件装配中，轴系零件轴向分析方法。同时也可运用ＣＡＥ技术中的动力学或静力学分析装配尺寸链之和与箱体两端面尺寸是相关联的，在零件结构与结果来指导零件的强度设计。所以ＣＡＥ技术在工程上的应用尺寸确定后，将各零件按照一定装配关系进行装配，然后进行越来越广泛。下面以减速器中轴的结构设计为例谈谈ＣＡＥ技轴系自由端与箱体端面的干涉检查，可以检查出其是硬干涉，术在机械设计中的应用。

还是接触干涉或间隙配合，如是间隙配合可方便地检查其间隙轴是机器中最常见的零件，是一种通用的非标准化的零量（也可通过视图操作直接观察其大致状态）。通过改变相关零件。也是减速器中的重要零件，它的结构设计（轴向尺寸和径向件结构与尺寸，其修改结果可直接使装配体上零件得以更新，尺寸）随着与其装配的零件尺寸变化而变化。一般设计过程为：

然后再进行相关检查，直至得到优化的方案。

材料选择

『按扭转强度｜

轴的结构设计

在进行机械设计时可充分运用ＣＡＤ强大的装配功能展与热处理卜刮估算轴的Ｉ—叫（轴向尺寸与酬

按变五日轴

示零件与零件之间的装配过程、拆卸过程。通过生成序列，可以

方法确定｛最小直径』径向尺寸的确定）

～

一弯形的一～扭校强一

组核度～

收稿日期：２００７—１０—２６

作者简介：张夕琴（１９６８一），女，江苏丹阳人，常州机电职业技术学院模具技术系讲师，研究方向：机械设计。

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ＥｑｕｉｐｍｅｎｔＭａｎｕｆａｃｔｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＮＯ．１２，２００７

若强度不满足要求，则需修改轴的结构直至满足强度要求则需修改轴的结构，有必要再用一次ＣＡＥ分析。

ＣＡＥ技术除了可对产品结构进行强度分析外，还可进行刚度分析、散热能力分析、疲劳和蠕变分析、抗冲击试验模拟、跌落试验模拟等。

随着科学技术的不断发展与进步，制造业正向数字化、智能化、网络化、全球化方向发展，产品的生产周期越来越短，新产品的上市速度越来越快，机械设计与机械制造的效率对产品的开发效率也就起着决定性的影响。所以利用先进的ＣＡＤ／ＣＡＥ技术进行机械设计与分析更省事、省力，也更经济。

为止。轴的强度校核过程为：轴的受力分析一画出轴在水平面内的弯距图一画出轴在垂直面内的弯距图—合成弯距图一扭距图一弯、扭组合图一确定２—３个危险截面分别进行强度校

核。此过程计算量与作图量都较大。为了提高轴的设计效率，缩短设计周期，现在工程实际中经常使用ＣＡＥ技术（如ＡＮＳＹＳ等）对轴进行校核，根据轴的材料属性、负载条件、边界条件，并对轴进行有限元网格划分等，给定条件后进行求解运算，可得出最大应力，然后此最大应力与许用应力比较，若最大应力小于许用应力，则轴的结构满足要求。若最大应力大于许用应力，

ＴｈｅＣＡＤ／ＣＡＥＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＨｉｔｓｔｈｅＴａｒｇｅｔｉｎＭａｃｈｉｎｅｒｙＤｅｓｉｇｎＡｐｐｌｙｉｎｇ

ＺＨＡＮＧＸｉ－ｑｉｎ

（ＣｈａｎｇｚｈｏｕＥｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｅａｌＩｎｓｔｉｕｔｅ

ｏｆＶｏｃａｔｉｏｎａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｚｈｏｕ

Ｊｉａｎｇｓｕ２１３１６４，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｔｐｒｅｓｅｎｔ，ｔｈｅＣＡＤ（ＣｏｍｐｕｔｅｒＡｉｄｅｄＤｅｓｉｇｎ）／ＣＡＥ（ＣｏｍｐｕｔｅｒＡｉｄｅｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｈａｓａｄｖａｎｃｅｄｂｙｌｅａｐｓａｎｄｂｏｕｎｄｓ，

ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｉｎｄｕｓｔｒｙ

ｈａｓｐｒｏｖｉｄｅｄｔｈｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｈｏｌｄ

ｏｕｔ

ｂｉｇａｎｄｐｏｗｅｒｆｕｌ

ｔｏ

ｍａｃｈｉｎｅｒｙ．ｎｅｍａｉｎｂｏｄｙｏｆ

ａ

ｂｏｏｋｔａｋｅｔｈｅｒｅｄｕｃｔｉｏｎｇｅａｒ

ｅｘａｍｐｌｅ，ｓｅｔｆｏｒｔｈＣＡＤ／ＣＡＥｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎｄｅｓｉｇｎｉｎｇｔｈａｔｉｎｍａｃｈｉｎｅｒｙ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎｇｅａｒ；Ｄｅｓｉｇｎｔｈａｔ；Ａｐｐｌｙｄｅｓｉｇｎ

ａｓ

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［上接第１０６页］

ＴｈｅＣｏｎｔｒｏｌＭｅａｓｕｒｅｓｆｏｒ

ＣＨＥＮ

ＷｅｌｄｉｎｇＤｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ０１＂１

Ｄａ－ｊａｎ，ＹＡＮＧＷｅｎ－ｊｉｎｇ，ＦＡＮＧ

ＡｕｔｏｍｏｂｉｌｅＦｒａｍｅＢｏｄｙ

ＣｈａｏＬｉｕｚｈｏｕ

（ＬｉｕｚｈｏｕＳＡＩＣ—ＧＭ－ＷｕｌｉｎｇＡｕｔｏｍｏｂｉｌｅＣｏ．Ｌｔｄ．，Ｇｕａｎｇｘｉ

５４５００７，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓｔｈａｔｗｅｌｄｉｎｇｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｒｅｅａｓｉｌｙｅｘｉｓｔｉｎｇｉｎｔｈｅｓｐｅｃｉａｌｓｈａｐｅｄｔｕｂｅｐａｒｔｓｏｆａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｆｒａｍｅｂｏｄｙ．ｔｈｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｗｅｌ＇ｅｓｔｒｉｃｔｌｙｅｏｎｔｒｏｌ／ｅｄｆｒｏｍｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｗｅｌｄｉｎｇｐｉｅｃｅｓ，ｗｅｌｄｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｍａｃｈｉｎｅｒｙｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｅｔｃ．Ａｓａｒｅｓｕｌｔ，ｉｔｈａｓ

ｅｎｓｕｒｅｄｔｈａｔｔｈｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎｐｒｅｃｉｓｉｏｎｔｏｒｅａｃｈｔｈｅａｓｓｅｍｂｌｙｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．

Ｋｅｙ

ｗｏｒｄｓ：Ｗｅｌｄｉｎｇ；Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ；Ｃｏｎｔｒｏｌ

ｍｅａｓｕｒｅｓ；Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｐｒｅｃｉｓｉｏｎ

［上接第１０８页］

＃１＝１５设置底孔半径＃２＝１０设置圆角半径

＃３－－－０

ＩＦ［＃３ＬＥ＃８］ＧＯＴ０８０判断如果角度小于９０。，就继续下个圆的计算，切削，否则结束倒圆角程序

Ｇ００２１００Ｍ３０

设置角度初始值

＃４＝８设置球刀半径＃８＝９０设置角度终止值

Ｎ８０拍＝［＃２梢】Ｘｆ１－ｃｏｓ［＃３］］

＃５－－＃１－＃４＋＃６

求出△月

５结束语

以上方法均采用的是分层铣削，前三种选用的是立铣刀，所以形面是由一个一个台阶组成，如图４ａ所示，粗糙度较差。如果工件有较高的粗糙度要求，则需将角度增量减小，增加切削层数，延长加工时间。如果选用球头刀，以上问题将会大大改善。两种刀具切削后加工表面比较如图４ａ，图４ｂ是用立铣刀，

求出Ｒ

胛＝降２梢］Ｘｓｉｎ［＃３］－－＃２求出圆所在的深度

Ｇ０１Ｚ｝ｆ７

Ｃ０ｔＸ＃５Ｙ０选择半径为ＲＳｍｍ的立铣刀，设定刀具半

径补偿值Ｄ１为８ｍｍ

Ｇ０３Ｉ—薛５

Ｇ０１ＸＯＹ０

到相应深度铣相应半径的圆角度加１．

角度增量为５。时的加工效果，ｂ图是用球头刀，角度增量为１０。的加工效果，很明显，后者较前者粗糙度要好得多。

档＝箨３＋Ｉ

ＴｈｅＰｒＯｇｒａｍｍｅＭｅｔｈｏｄｆｏｒＯｒｉｆｉｃｅＣｈａｍｆｅｒｉｎｇＭａｃｈｉｎｉｎｇ

一——

一

ＱＩＡＮＨｏｎｇ

（ＷｕｘｉＴｅｃｈｎｉｃｉａｎＣｏｌｌｅｇｅ，ＷｕｘｉＪｉａｎｇｓｕ２１４０００，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｆｏｒｍｉｎｇｃｕｔｔｅｒＣａｎｕｓｕａｌｌｙｂｅｕｓｅｄｔｏｐｒｏｃｅｓｓｔｈｅｏｒｉｆｉｃｅｃｈａｍｆｅｒｉｎｇ，ｂｕｔｗｈｅｎｔｈｅＣｈａｍｆｅｒｉｎｇｒａｄｉｕｓｉｓｓｐｅｃｉａｌ，ｉｔｉｓｍｏｒｅｄｉｆｆｉ—ｃｕｌｔｔｏｕｓｅｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｍｅｔｈｏｄｔｏｐｒｏｃｅｓｓ．Ｂｙｔｈｅｗａｙ，ｈｏｗｔｏｕｓｅｏｒｄｉｎａｒｙｍｉｌｌｉｎｇｃｕｔｔｅｒａｎｄｔｈｅｂａｌｌ－－ｃｕｔｔｅｒｗｅｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．

Ａｎｄｓｅｖｅｒａｌｍａｃｈｉｎｉｎｇｃｈａｍｆｅｒｉｎｇ

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｏｒｉｆｉｃｅ

ｐｒｏｇｒａｍｗｅｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．ａｎｄｔｈｅｉｒｍａｃｈｉｎｉｎｇｅｆｆｅｃｔｓｗｅｒｅ

ｃｈａｍｆｅｒｉｎｇ；Ｍｉｌｌｉｎｇｃｕｔｔｅｒ；Ｂａｌｌ－ｃｕｔｔｅｒ；Ｍａｃｒｏｐｒｏｇｒａｍ

ｍｅｔｈｏｄｓａｉｄｅｄｂｙｍａｃｒｏ

ｃｏｍｐａｒｅｄ．

１１０

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