使用3D CAD可實現充分考慮強度進行機械設計

發布日期: 2024-04-30

雖然3D機械設計中會進行基本的強度計算,但由于強度不足而導致問題的發生仍不可避免。究其原因,是單個零部件的強度計算并不完美。但這并不是因為設計人員忘記計算,而是無法計算。作為此情況的應對措施,可使用3D CAD實現同步強度檢證的機械設計。

 

?什么是零部件強度?

強度的定義是材料所具備的對于變形和抵抗破壞的能力。簡單來說,一個樹脂零部件可以用手使其彎曲,但一個相同形狀的鋼制零部件卻無法用手讓其彎曲。因此可以說相同形狀,鋼材的強度高于樹脂?!安牧狭W”是一門與機械設計相關的學科,而”應力”和”應變”是影響強度的2個因素,且其計算方法也已經確立。

?為什么強度無法計算?

機械構成的零部件中只有少數的強度計算達到了完美的程度,如齒輪、螺栓和梁等。原因是它們的形狀比較簡單,可以很容易地使用材料力學公式進行計算。然而,其他形狀并不簡單的零部件,無法直接使用公式進行計算。因此,設計人員要憑借經驗和直覺來估算其強度,最后再通過原型測試來驗證他們的估算是否正確。 因此,一旦估算錯誤,就需要進行設計變更,開發周期也會相應延長。
以下圖為例進行說明,左邊的鈑金件由于形狀簡單,可以直接使用公式計算,但右側2個帶孔的鈑金件強度卻無法直接計算。例如,如果在這個零部件的中央施加載荷,1個孔和2個孔零件哪個的強度更高呢?
以此圖為例進行說明,左邊的鈑金件由于形狀簡單,可以直接使用公式計算,但右側2個帶孔的鈑金件強度卻無法直接計算。
我們通常認為孔越少,面積越大,強度越高,但事實果真如此嗎?設計人員可能每天都會根據這樣的經驗和直覺進行類似的判斷。
使用CAE對實際強度進行分析后,應力分布如下圖所示。
使用CAE對實際強度進行分析后,應力分布如圖所示。
結果會發現,1個孔的鈑金件有許多深色的高應力區域,強度較低。事實上,結果與我們的預判完全相反。
結果會發現,1個孔的鈑金件有許多深色的高應力區域,強度較低。事實上,結果與我們的預判完全相反。

?使用3D CAD將強度可視化

根據經驗和直覺來探討強度,就類似于只依靠面對面的診察來猜測體內的病癥一樣。實際上,醫生會通過X射線和MRI等來將體內的病癥可視化,從而做出精確的診斷。
在3D CAD中可以使用一種名為CAE的分析工具,能夠將上圖所示零部件的應力分布可視化。這樣就可以避免依賴經驗和直覺,做出精確的判斷,充分考慮強度進行機械設計。

?設計時始終關注強度

在設計過程中,零部件的幾何形狀經常會發生變化。與3D CAD聯動的CAE 可以根據零件的變化直觀地顯示強度的變化,使設計人員在設計時始終能夠關注到強度,減少返工,提高質量,從而縮短開發周期。
*目前的CAE被稱為設計輔助CAE,由于其操作簡單,設計人員可以用它來代替計算器,獲得設計人員的廣泛應用。

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