基于CATIA的HP500线切割机中拖板的三维建模与有限元分析

张 峥

（苏州工业职业技术学院，江苏 苏州 215000）

线切割机一直以来在机械加工中占有很重要的地位，主要用于加工模具以及一些形状复杂的零件，具有加工质量好、精度高，自动化程度高等优点。近年来机械加工行业对线切割机的需求量也在逐步上升。HP500线切割机属于中走丝线切割机，机械结构主要有床身、下拖板、中托板、上托板、工作台、导轨、丝杠等组成。

随着电脑硬件技术的发展，其运算功能越来越强大，伴随着工程分析软件的迅速发展使得电脑辅助工程分析（Computer-Aided Engineering，CAE）的可行性提高，进而在产品的开发上占有的地位愈发重要。现代工业产品的外形日趋复杂，常常是通过电脑辅助设计（Computer-Aided Design，CAD）来进行产品的开发和设计。但设计出来的产品是否满足要求，机械强度是否足够，都必须进行进一步的确认。因此，此时电脑辅助工程分析（CAE）的作用尤为重要，可以使产品的开发工作更加完善，并能达到产品设计的最佳化。本文利用法国达索公司开发CATIA应用软件对HP500线切割机中拖板进行了三维实体建模与有限元分析，实例说明了CAD/CAE工具在产品设计和分析中的重要地位。

1 基于CATIA的三维建模

（1）三维建模方式与设计方法。CATIA建模的方式有多种，分为基于约束的建模、参数化建模、非参数化建模和混合建模。一般在工业设计中使用的比较多的是前面两种，对于产品不是很复杂的多使用基于约束的建模。这种建模方法是通过尺寸驱动或几何位置驱动达到设计和修改模型的目的，是CATIA中最常用的一种方法。

CATIA的基本设计方法有三种，即自上而下、自下而上和逆向设计。比较通用的是自上而下的设计方法。

（2）HP500线切割机中拖板的三维建模。HP500线切割机中拖板为铸造件，结构虽然复杂但是整体对称也比较匀称。可以采用自上而下的设计方法，通过实体命令拉伸、切除、阵列、打孔、镜像等得到。

2 有限元分析过程

2.1 CATIA的有限元分析功能及流程

（1）CATIA有限元分析功能简介。CATIA的工程分析功能主要包括4个模块，分为创成式结构分析模块（Generative Structural Analysis）、高级网格划分模块（Advanced Meshing Tools）、连接分析模块（Analysis Connections）和装配变形公差分析（Tolerance Analysis ofDeformable Assembly）。在CATIA中可对单个零件（Part）或多个零件组装而成的部件（Assembly）进行应力、应变和频率分析。实现了在无纸化工作环境下对产品的工程分析，大大缩短了产品设计周期，提高了产品的质量，降低了生产成本。

（2）CATIA有限元分析流程，如图1。①创建数模，并从三维实体建模模块入有限元分析模块。②实体的有限元网格划分。③在形体上施加约束和载荷。④分析计算，解方程和生成应力应变结果。⑤数据结果输出，单元网格、应力或变形显示，对关心的区域可细化网格、重新计算。上述①～②过程是有限元分析预（前）处理，④是计算过程，⑤是有限元后处理。有限元文件的类型为CATAnalysis。

图1CATIA有限元分析流程

2.2 有限元分析及结果

进入有限元分析介面后，进行对中托板添加约束和载荷以及网格的划分，并进行求解，就可以得到等效应力图（如图2）和变形位移云图（如图3），而且可以生成工程分析报告。

图2 等效应力图

图3 变形位移云图

3 结语

除了对中拖板进行了有限元分析，还对床身以及其他零部件进行了有限元分析。通过有限元分析，大大提高了生产效率，缩短了生产周期。值得一提的是在强度满足的条件下，优化了中拖板的结构，直接减少了铸铁的使用材料，为产品的投入降低了成本。

［1］曾红江.CATIA V5从入门到精通［M］.北京：中国青年出版社，2004.

［2］张友湖，夏超群.基于CATIA的TBM主箱梁的数字建模与有限元分析[J].中国重型装备，2008.

［3］林博正.CATIA电脑辅助工程分析［M］.台湾：全华科技图书股份有限公司（台湾），2008.

［4］程佰兴，王作乾.基于CATIA的盾构掘进机刀盘的有限元分析［M］.机械设计与制造，2008.