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利用3D CAD能夠實現的兼顧強度的機械設計

發布日期: 2023-09-12

在3D機械設計中,雖然進行基本的強度計算,但是因強度不足原因出現的問題卻并未消除。原因是未對每一個零件的強度都進行完美的計算。然而這并不是設計人員忘記了計算,而是無法計算。作為其對策,當使用3D CAD時,能夠進行兼顧零件強度的機械設計。

 

什么是零件強度?

強度的定義是,材料具有的對變形和破壞的抵抗力。簡言之,樹脂零件能夠用手彎曲,但同樣形狀的鐵制零件卻不能用手彎曲,故可以說它強度大。與機械設計相關學科有“材料力學”,而與強度相關的因素有“應力”和“應變”,還確立了它們的計算方法。

 

為什么無法計算強度?

對于構成機械的零件,只有少數能夠完美地計算強度。諸如“齒輪”、“螺栓”、“梁”等。因為它們形狀單純,能夠用材料力學公式簡單計算。但是其他零件形狀并不單純,無法使用公式。因此設計人員都是憑借經驗或直覺來推測強度,最后通過試制實驗來驗證推測是否正確。其結果是,每當推測錯誤時,就必須進行設計變更,從而延長了開發周期。

以下圖為例說明,左側的鈑金零件由于形狀單純,能夠使用公式計算,但是兩個開孔的鈑金零件就無法計算強度。那么,當在該零件的中央施加載荷時,有一個孔的零件和有兩個孔的零件究竟哪個強度更大?
在機械設計中,對于構成機械的零件,只有少數能夠完美地計算強度。

通??梢赃@樣推測:孔少的零件面積大,強度就高,但果真如此嗎?設計人員平時就是憑借經驗或直覺進行這樣的判斷的。
現將實際的強度利用由CAE解析出的應力分布示出如下。
通??梢赃@樣推測:孔少的零件面積大,強度就高,但果真如此嗎?設計人員平時就是憑借經驗或直覺進行這樣的判斷的。

一個孔的鈑金零件,其應力較大的深色部分較多,由此可知強度較低。這說明實際情況與推測結果恰恰相反。

一個孔的鈑金零件,其應力較大的深色部分較多,由此可知強度較低。這說明實際情況與推測結果恰恰相反。

 

利用3D CAD使強度可視化

憑借經驗和直覺來研討強度,就如同僅憑面對面診察就猜對了體內的病灶一樣。而實際上,醫生是通過X光、MRI等手段來檢測體內的病灶從而作出正確的診斷的。
在3D CAD中能夠使用被稱為CAE的解析工具,能夠使如上圖所示的零件應力分布可視化。由此可以不依賴于經驗和直覺進行正確的診斷,能夠進行兼顧強度的設計。

 

始終兼顧強度的設計

設計中途的零件形狀每日都在發生變化。與3D CAD聯動的CAE能夠配合零件變化使強度可視化,因此設計人員能夠始終兼顧強度進行設計,由于減少了返工,提高了質量,因此能夠縮短開發周期。

*現在的CAE操作非常簡單,設計人員甚至能用它取代計算器,由于被設計人員積極使用故被稱作“設計人員CAE”。

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