UG有限元分析法在“机械设计”课程教学中的应用研究

邓松松 郑继明

（贵州师范大学 机械与电气工程学院，贵阳 550001）

“机械设计”课程教学中的重点和难点是零部件结构的应力、应变分析。该课程特点是计算公式较多、重点知识多、实践性强以及与多课程有联系。因此，学生在学习该课程时觉得应力、应变分析很抽象，难以理解重难点知识和计算公式，导致常规教学方法难以达到理想效果。如何运用新方法和新技术提高教学效果，是当今教学改革深入亟待解决的重要问题之一。UG软件是一个集成化的CAD/CAM/CAE系统软件[1]，其CAD/CAM/CAE模块之间都可以自由切换。同其他软件相比，UG软件具有最领先的计算机辅助设计、分析以及制造能力，能够实现三维建模、虚拟装配以及仿真等功能，广泛应用在机械行业、航天以及汽车等领域。将UG有限元分析法合理地应用于“机械设计”课程教学活动，能够提高教学效果和培养学生的浓厚兴趣。

1 “机械设计”教学分析

“机械设计”课程包含6个章节[2]，分别是绪论、机械设计总论、联接、机械传动、轴系零部件以及其他零部件。绪论是对机械设计课程的高度概括。轴系零部件和其他零部件涉及理论知识学习和零部件设计计算等。这3个部分的知识点内容不适于有限元分析法，但可以用UG软件来辅助教学。选取课本中的案例，通过UG软件绘制零件的三维模型制作成PPT等进行教学。机械设计总论、联接以及机械传动这3个部分的知识点内容都涉及强度分析和变形分析，可以应用UG有限元分析法来深入分析与讲解相关知识点。

2 UG有限元分析法在“机械设计”课程教学的教学设计

2.1 UG有限元分析法流程

应用UG软件，按照图1流程制作教学案例。

图1 操作流程图

2.2 应用UG有限元分析法讲解“机械设计”课程的教学过程设计

在“机械设计”课程教学中，首先选取该课程中要讲解知识点的案例，使用UG进行三维几何建模。其次，进行有限元建模与分析，用鼠标点击“应用模块”→“前/后处理”进入前处理，进而进行案例的应力和应变分析。再次，把分析好的模型和截图的图片制作成资料，采用录屏软件来录制动画视频，制作成应力和应变分析动画。最后，把图片资料制作成PPT或动画视频等，将应用UG有限元分析法讲解机械设计课程问题的案例做成授课资料。

教师在授课时可以用事先准备好的案例辅助教学，对照制作的PPT，一边详细地跟学生讲解受力分析云图结果，一边让学生看图，也可以播放一段动画视频。授课结束后，可与学生交流和讨论。

3 UG有限元分析法制作“机械设计”课程教学案例

3.1 创建CAD模型与创建理想化模型

首先，单击UG软件进入CAD模块，绘制水箱底座的三维实体模型，如图2（a）所示。其次，在单击【应用模块】→【前/后处理】环境后，新建FEM文件，同时勾选创建理想化模型，单击【确定】。最后，优化模型。第一步，单击【提升体】命令，选择底座实体后，单击【确定】命令进行提升体操作，如图2（b）所示。第二步，单击【移除几何特征】命令，移除模型中的圆角，单击“√”完成，如图2（c）所示。需要注意，如果不移除模型中的圆角会影响后面的分析结果，如产生应力集中等情况。

图2 模型图及优化模型图

3.2 创建有限元模型

3.2.1 定义材料属性

在UG材料库中指派底座的材料为Nylon（尼龙），其材料属性如表1所示。

表1 材料属性

3.2.2 物理属性

在工具栏中单击【物理属性】命令，会弹出物理属性对话框，再次单击【创建】命令，弹出【PSOLID】对话框，在【材料】选项中选择【尼龙】，其余选项参数默认，单击【确定】命令，如图3所示。

图3 物理属性图

3.2.3 网格划分

网格划分是有限元分析的关键步骤。网格划分的好坏直接影响有限元分析的精度[3]。网格划分包括零维网格、一维网格、二维网格、三维网格和连接网格5种类型。每种类型都适用于一定的对象[4]。选择工具栏【3D四面体网格】命令，对水箱底座模型进行网格划分，先自动确定单元格大小；单击【自动单元大小】命令，参数框中显示为30.2，手动输入较小的单元格数值为20，再进行网格划分，以确保结果的分析精度，如图4（a）所示。最后进行网格划分的检查，单击【单元质量】命令检查所划分的网格，日志显示“Number Failed”“Number Warning”为零，因此网格划分是合理的，如图4（b）所示。

3.3 创建仿真模型

创建新仿真模型，采用的求解器为NX Nastran，分析类型为结构，解算类型为SOL 101线性静态——全局约束。第一，边界条件设置。在工具栏中单击【约束类型】，选择【固定平移约束】命令，在图形窗口中单击水箱底座的底面，单击【确定】，边界条件设置完成。第二，载荷类型设置。由于水箱底座所支撑产品为圆柱类产品，受载荷类型为轴承载荷。单击【载荷类型】命令选择【轴承】，在图形窗口中选择底座弧面，指定矢量为ZC轴，单击反方向，方向垂直向下，力的大小手动输入90 000 N，角度设置为180°。第三，检查水箱底座模型。为了确保解算的成功和结果精确，检查模型参数，如材料、网格、单元、约束以及载荷等。参数检查没有错误，才可以进入求解及有限元分析阶段。其中，模型边界条件和载荷类型设置完成后的效果如图5所示。

图4 网格划分与检查图

图5 边界条件和载荷设置图

3.4 分析有限元求解及结果

在前处理设置完成后，开始求解有限元模型。求解完成后进入后处理阶段，在右边仿真导航器中查看结果。首先，后处理使用云图或标记图显示结果，其中结果类型包括位移、旋转、应力、反作用力以及反作用力矩等[5-6]。双击【仿真导航器】中的结果进行查看，查看水箱底座应变云图（位移），如图6（a）所示，其中最大变形量为1.149 mm。采用相同的方法，展开【应力-单元-节点】，并双击【Von Mises】得到应力云图，最大应力为33.15 MPa，如图6（b）所示。通过UG有限元分析法的仿真结果与理论计算分析对比可知，应变、应力的数据都在符合要求的范围之内，水箱底座满足设计要求，具有足够的刚度与稳定性，可为底座类零件的设计和优化设计提供参考，证明了UG有限元分析法具有可靠性，为“机械设计”课程教学提供了依据[7]。

其次，创建应力-单元-节点与节点ID相对应的曲线图，如图7所示，可以形象地描述并揭示模型上的结果变化规律，从而为模型的形状改进和尺寸优化提供直观的依据[8]。

图6 应变、应力云图分布情况

图7 应力-单元-节点曲线图

最后，利用UG有限元分析法自带的动画功能制作可视化模型，显示水箱底座的应变、应力情况，方便学生理解。该模型先自动设置好帧数，调节好播放速度，使学生能清晰观察到应变和应力变化的趋势，如图8所示。

图8 动画下的云图

4 结语

本文提出了基于UG有限元分析辅助“机械设计”教学的一种教学方法，并进行了教学分析及UG有限元分析辅助“机械设计”教学设计。以水箱底座为案例，进行了几何建模、有限元建模、前处理及有限元分析，通过后处理阶段的输出位移和应力等参数的分布情况，将结果数据进行了动画仿真，使理论教学更加形象生动，能有效提高教学效果，有利于学生后续专业课程的学习。基于UG有限元分析辅助“机械设计”教学，可提高教师“机械设计”课程的信息化教学水平，让学生掌握利用先进工具软件解决机械设计领域实际问题的方法。