燕山大学研究生课程 CAD/CAE综合应用目录第一章 研究任务简介 2第二章 三维建模 52.1 solidworks软件简介 52.2 solidworks三维建模步骤 62.3三维建模及装配 62.3.1 实体建模（以顶台为例） 62.3.2 建立装配体，并生成爆炸图 11第三章 理论分析 12第四章 有限元分析 144.1 ANSYS软件简介 144.2 千斤顶有限元仿真 144.2.1对顶台施加500KN载荷，分析关键部件应力及变形 144.2.2对顶台施加2KN载荷，分析各零部件及变形情况 21第五章 设计小结 27第六章 参考文献 28第一章 研究任务简介用螺杆驱动剪刀式千斤顶，顶台上能否顶起500KN载荷？则其最大承载能力是多少？对上下支板和关节螺母进行静强度分析，以验证零件在给定的载荷下静强度是否满足要求图1-1 总体效果图图1-2 下支板 图1-3 基座图1-4 上支板图1-5 顶台图1-6 关节螺套 图1-7 关节螺母图1-8 手动螺杆图1-9 定位环套 图1-10 下轴钉图1-11 上轴钉第二章 三维建模2.1 solidworks软件简介 SolidWorks是功能强大的三维CAD设计软件，是美国SolidWorks公司开发的以Windows操作系统为平台的设计软件。
SolidWorks相对于其他CAD设计软件来说，简单易学，具有高效的、简单的实体建模功能利用solidworks集成的辅助功能对设计的实体模型进行一系列计算机辅助分析，能够更好的满足设计需要，节省设计成本，提高设计效率 SolidWorks已广泛应用于机械设计、工业设计、电装设计、消费品产品及通信器材设计、汽车制造设计、航空航天的飞行器设计等行业中2.2 solidWorks三维建模步骤(1)建立或选取基准特征作为模型空间定位的基准：如基准面、基准轴和基准坐标系等建立每个实体特征时，都要利用基准特征作为参照； (2)建立基础实体特征：拉伸、旋转、扫描、混合等； (3)建立工程特征：孔、倒角、肋、拔模等； (4)特征的修改：特征阵列、特征复制等编辑操作； (5)添加材质和渲染处理2.3三维建模及装配2.3.1 实体建模（以顶台为例）图2-1 顶台（1）、打开solidworks软件，点击“文件”下拉菜单中“新建文件”，点选“零件”，单击“确定”进入零件设计界面图2-2 新建零件 （2）、点击工具栏中的“草图”选项，单击“绘制草图”并选择前视基准面为草图绘制平面进入草图绘制界面。
图2-3 草图绘制界面 （3）在前视基准面内绘制如下草图，并点击“特征”拉伸凸台，深度32mm图2-4 绘制草图图2-5 拉伸凸台 （4）点选实体上顶面，为草图绘制平面，绘制如下草图，点选“特征”中“拉伸切除”深度40mm 图2-6 草图绘制 图2-7 拉伸切除（5）对实体进行修饰，倒圆角，如图： 图2-8 生成圆角 仿照上面的步骤建立该千斤顶所有零件： 图2-9 基座 图2-10 上支板 图2-11 手动螺杆 图2-12 关节螺母图2-13 零件列表2.3.2 建立装配体，并生成爆炸图 （1）、点击“文件”新建“装配体”确定，进入装配界面，如图： 图2-10 装配界面 （2）选择“插入零部件”，插入第一个零件-基座并固定，再插入下支板，并完成下支板跟基座的配合，如图： 图2-11 装配零件 按以上步骤，完成所有零件的装配，如图：图2-12 装配体（3）、通过装配图，建立其爆炸视图，如图：图2-13 爆炸视图第三章 理论分析 剪刀式千斤顶可以简化为平面桁架结构，根据尺寸分析知千斤顶具有上下左右对称结构，所以其力也具有对称性，故只需算出一个支板的力就知道了其余三个支板的力，通过静力分析也可计算出手动螺杆的受力，先通过简化计算确定各构件受力最大时的位置。
图3-1 上支板简图现取千斤顶上半部分作为研究对象，图1为顶台、上支板、螺杆简化结构图，设顶台所受载荷为F，上支板受力为FB，FC（ FB=FC），上支板与螺杆夹角为θ，由静力学知：（FB+FC）sinθ=F显然θ取最小值时，FB，FC取得最大值，此时各构件受力均为最大此时应有：BC＝376ｍｍ，AB＝AC＝172＋22／cosθ，解得θ＝15.18°代入解得：FB=FC=F/2 sin15.18=1.91F （1）以B点为研究对象，如图：图3-2 关节螺母受力分析F1=F3=FB=1.91F,由静力学得：F2=-2Fcosθ=-1.93F （2）若假定千斤顶最大承载能力为0.2t，现对各关键零件进行校核： 由上（1）（2）式知：上下支板受力：F1=F3=1.91x2000N=3820N手动螺杆受力：F2=-1.93x2000N=-3860N上下支板最小横截面和螺杆最小横截面面积S1，S2分别为S1=0.㎡，S2=0.㎡对上下支板：σ1=F1/S1=3820/0.=51Mpa （受压）对手动螺杆：σ2=F2/S2=3860/ 0. =34Mpa（受拉）查相关手册：材料Q345，许用屈服强度345/1.2=287.5Mpa，显然满足要求。
第四章 有限元分析4.1 ANSYS软件简介ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）软件，是世界范围内增长最快的计算机辅助工程（CAE）软件，能与多数计算机辅助设计（CAD，computer Aided design）软件接口，实现数据的共享和交换，如Creo, NASTRAN, Alogor, I－DEAS, AutoCAD等是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件在核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等领域有着广泛的应用ANSYS功能强大，操作简单方便，现在已成为国际最流行的有限元分析软件，在历年的FEA评比中都名列第一目前，中国100多所理工院校采用ANSYS软件进行有限元分析或者作为标准教学软件4.2 千斤顶有限元仿真4.2.1对顶台施加500KN载荷，分析关键部件应力及变形说明：由第三章静力计算分析知，千斤顶各部件受力最大位置为顶台处于最低位置，且千斤顶具有上下对称，左右对称结构，通过分析，上下支板受力大小相等，所以为简化计算，取上半部分进行仿真分析即可。
4.2.1.1 前处理阶段（1）、打开ansysworkben，从分析系统栏下面拖动static structure创建一个静态结构分析项目，如下图：图4-1 建立分析项目 （2）、添加定义材料，双击Engineering Data，进入到材料配置界面，点击添加新材料，本结构我采用Q345结构钢，参数：E=2.06E+11Pa，u=0.280，密度7850kg/m3图4-2 定义材料(3)、右击Geometry，导入SolidWorks保存的IGS文件图4-3 导入模型 （4）、配置零件材料，定义接触类型说明：材料选在编辑好的Q345，接触类型选择no seperationg-不分离，为简化计算，忽略摩擦 图4-4 配置材料及接触设置 （5）、划分网格 控制单元尺寸，对关键零部件上轴钉设置尺寸为1mm图4-5 网格划分总体控制图4-6 局部网格细化最终效果：图4-7 网格划分结果（6）、施加约束及载荷选择两上支板圆孔的8个面，添加固定约束，选择顶台的两个面，施加500KN载荷，如图：图4-8 施加固定约束图4-9 施加载荷4.2.1.2 后处理阶段选择solution，插入要求解的选项，进行求解。
说明：本结构需要求解等效应力，总体变形，及各零件的等效应力图4-10 求解选项图4-11 求解4.1.2.3 分析结果图4-13 等效应力图4-14 总体变形结果分析说明：通过应力云图和变形图，最大应力为59774Mpa，大大超过Q345的许用屈服极限345/1.2=287.5Mpa，最大变形量33mm，显然超过变形的许用值，故不能承受500KN的载荷安全系数取s取1.2）4.2.2 对顶台施加2KN载荷，分析各零部件及变形情况说明：第三章通过理论计算，该千斤顶最大承受载荷约为2KN，并通过理论分析计算，对各关键零件进行强度校核，知各关键零部件均满足强度要求现对此载荷进行仿真分析，由于分析步骤跟前面差不多，故详细步骤不做赘述，直接查看分析结果图4-15 上支板及顶台总体等效应力图4-16 上支板及顶台总体变形图4-17 顶台等效应力图4-18 螺母等效应力图4-19 螺母变形图4-20 手动螺杆等效应力图4-21 手动螺杆变形图4-22 上轴钉等效应力图4-23 上支板等效应力图4-24 下支板及螺杆等效应力结果说明：通过有限元分析，当载荷为2KN时，最大应力为264Mpa，小于Q345许用屈服极限287.5Mpa，且此时各关键零部件的变形均在许用值范围内，故该千斤顶能承受2KN的载荷。
第五章 设计小结通过本次对剪刀式千斤顶的分析，我收货了很多从零件图到三维建模，装配，运动分析，理论分析计算，再到最后的有限元仿真分析，每一步我都认真去对待，也从这个过程中学到了很多虽然在这个过程中，遇到了很多问题，我都很认真的去解决掉了，比如在装配的时候由于螺杆跟螺纹孔建模的时候没有仔细核对，配合不上，然后进行了好几次的重绘，最后才装配成功；再比如，刚开始准备对转配体进行整体分析，最后发现由于很多零件不规则，零件也太多，几次都计算错误，还特别耗时，所以最后迫使我先进行理论计算，分析出主要零部件，及受力最大的位置，然后再把装配体拆分开，并去掉一些没有太大影响的倒角等修饰，最后问题都一一得到了解决 通过本次作业，我也感觉到，学再多如果不去运用，光装在脑袋里，真的不会有任何作用，在实践中学到的东西远比在书本上学到的知识更深刻更有价值，所以如果当你感觉自己学会了，不妨用实践去加以检验，你会收获很多第6章 参考文献[1]白象忠, 谭文锋. 材料力学[M]. 北京：科学出版社, 2007.[2]张云杰. SolidWorks2010从入门到精通[M]. 北京: 电子工业出版社, 2010.6.[3]濮良贵, 紀名刚, 机械设计[M]. 北京: 高等教育出版社, 2006.5.[4]谢龙汉, 蔡明京. 有限元分析及仿真 [M]. 北京: 电子工业出版社, 2013.9. 非物质文化遗产是指各族人民世代传承的，与。