基于UG和Abaqus的产品快速设计和优化
耿鲁
摘? 要：该文使用UG和Abaqus，以某产品机械结构设计为例，对产品模型进行设计、仿真和优化。基于产品需求，通过UG实现产品模型的快速设计。利用Abaqus对产品模型进行模态分析，识别试验中振动频率的共振点。根据仿真结果，修正模型结构设计，满足产品需求。通过UG和Abaqus的联合使用，对产品模型进行模型设计、仿真模拟、修正调整，满足了产品设计需求，提高了产品的设计效率和设计质量，为智能化生产制造提供有力支撑。
关键词：UG和Abaqus;机械结构设计;模拟仿真;智能化制造
中图分类号：TH122? ? ? ? ? ? 文献标志码：A
1 设计工作的基本流程
UG是一套集CAD/CAM/CAE于一体的软件系统。它提供了强大的实体建模技术，提供了高效能的曲面建构能力，能够完成最复杂的造型设计。Abaqus被广泛认为是功能最强的有限元软件之一，可以分析复杂的固体力学、结构力学系统，特别是能够驾驭非常庞大复杂的问题和模拟高度非线性问题。UG和Abaqus在产品设计中得到广泛使用，特别是在机械产品设计领域发挥了巨大的作用。UG可以实现机械产品的概念化设计，缩短产品的设计时间，利用Abaqus可以对产品设计进行计算和分析，从而优化产品设计。通过UG和Abaqus软件的结合使用，实现了产品机械结構的概念化设计和仿真分析的相互融合，快速迭代，优化了产品设计，缩短了产品设计时间，提高了设计效率和设计质量。
2 产品机械结构设计
某产品的机械结构设计考虑的主要因素包括外形尺寸、安装要求、结构重量、通风散热、配线布线、强度刚度、外壳防护、电磁兼容、人机要求、加工工艺性等。
考虑产品主要组成部件液晶显示屏尺寸、电源电路板和接口电路板的固定方式等因素确定产品的外形尺寸。显示屏和线路板是产品中发热量较大的部件，合理进行通风散热设计，产品显示屏采取紧贴机械结构内壁的散热方式，增大散热面积，加速散热。为降低电磁干扰，采取了全封闭的外壳设计，保证干扰电磁信号不容易进入产品内部。
机械结构的加工材料选取了反射损耗大的金属铝，可以有效地对低频电磁干扰进行屏蔽。在金属与金属连接缝处没有喷涂漆塑，降低接触电阻，保证整体的导电性。在机构架和外壳的连接处，设计了开槽，放置导电橡胶棒，保证了整体密封性和导电性。结合电子元器件大小和电路板的尺寸，将电路板通过螺钉与产品机构架连接。在接口电路板的位置确定的过程中要保证接口电路板上的插头和液晶显示屏上的插座准确对接。显示器结构中的所有部件之间的连接采取螺钉固紧的方式。在保证不影响产品性能和机械结构强度的前提下，对机械结构部件采取了减重措施。在机构架内部和外表面设计了减重槽，有效减轻了整体重量。设计的过程中充分考虑机械加工的工艺性，所有零部件的机械加工较易完成。
基于以上因素，使用UG进行产品设计，为更清楚的表达模型中的各部件，对产品模型部件进行爆炸分解，如图1所示。
3 基于Abaqus的模态分析
3.1 模型简化
利用Abaqus进行模态分析的过程中，为提高分析精度和速度，在保证模型基本特征的前提下对模型一些特征可以做简化处理，具体包括去除导光板和橡胶垫、简化螺钉连接关系、忽略电子元器件、等化电路板质量、焊缝的连接强度等于母材强度、去除减重槽等。
3.2 定义材料属性
将所有零件的材料视为同一材质，将电路板整体（元器件、PCB板等）视为同一材质，等效后的密度见表1。
3.3 模型参数设置
定义分析步类型为Frequency，选择Lanczos求解器，要求阶次Value定义为10。输出变量和历史变量采用默认设置。对模型进行模态分析的目的主要是获得模型不同阶次下的固有频率和振型，将产品的前表面设置为固定面，分别限制该表面的3个方向上的移动和旋转，约束6个自由度。部件与部件之间的约束关系近似定义为绑定约束。对产品模型分别进行网格划分，最大单元尺寸为4，选取单元类型为四面体单元。
3.4 模型固有频率提取
对模型的固有频率进行分析，1阶固有频率为1 492.6 Hz，2阶固有频率为1 623.8 Hz。模型前10阶固有频率的分析结果见表2。
从模型1～10阶固有频率输出值可以看出，对于当前产品的机械结构来说，理论上其1阶、2阶固有频率没有超出2 000 Hz（试验中振动频率的临界点），产品整体容易与外界环境产生共振，对产品造成破坏。
3.5 模型结构改进
为保证模型前10阶固有频率的数值超出2 000 Hz，对模型中最易引起共振的区域结构进行了改进。对模型中散热器的散热片高度进行了调整，减少了散热器的重量和提高了整体结构的平衡性。
3.6 模型改进后的固有频率提取
对调整散热片高度后的模型再次进行固有频率提取，提取1～10阶固有频率输出值见表3，前两阶固有频率都已经超出了2 000 Hz。1阶固有频率为2 094.2 Hz，比改进前的结构频率提高了601.6 Hz，2阶固有频率为2 396.8 Hz，比改进前的结构频率提高了773 Hz。理论上改进后的显示器结构在试验的过程中不易与2 000 Hz内的振动源产生共振，可以防止结构的破坏，改进后的结构可以满足防止共振的要求。
4 结语
在考虑多种机械结构设计影响因素的前提下，使用UG对产品结构进行快速建模，利用Abaqus对模型进行了固有频率分析。模型前两阶固有频率偏低，容易与外界环境产生共振，对产品造成破坏。通过对产品结构的设计优化，提高了固有频率，满足产品设计需求。在产品设计的过程中，UG和Abaqus的联合使用，提高了产品的设计效率和设计质量，为智能化生产制造提供有力支撑。
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