毕业设计(论文)
3 CAE结构分析
3.1 CAE技术
CAE（Computer Aided Engineering）是用计算机辅助求解复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法，它作为一项跨学科的数值模拟分析技术，越来越受到科技界和工程界的重视。[8]随着计算机辅助技术的推广和进步，CAE系统的功能和计算精度都有着极大地提高，各种基于数字三维建模的CAE系统应运而生，并现已成为结构分析和结构优化的重要工具，同时也是计算机辅助4C系统（CAD/CAE/CAPP/CAM）的重要环节。
3.2 CAE软件
CAE软件是迅速发展中的计算力学、计算数学、工程科学、工程管理学与现代计算技术相结合，而形成的一种综合性、知识密集型信息产品。常用的CAE分析软件如Ansys、Abaqus、Adina、MSC等，本次毕业设计所使用的CAE分析软件就是Ansys有限元分析软件。
Ansys是一款功能强大的有限元分析与优化设计系统，可用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。它现在已广泛应用于航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等领域。[9]
3.3 CAE分析对象
本毕业设计的简易3D打印机，在所有零件结构中，Φ8直线光轴和悬挂着送丝机构的2020GW铝型材是最容易出现断裂，折弯的地方，所以本设计主要的CAE分析对象就是Φ8直线光轴和悬挂着送丝机构的2020GW铝型材。
3.4 Ansys有限元分析过程
有限元分析主要要经过前处理、有限元分析、后处理这三大过程，本节主要以校核Φ8直线光轴所受的应力和变形为例来介绍说明Ansys分析的整个过程。
3.4.1 前处理
前处理主要是对工程或产品进行建模，建立合理的有限元分析模型，具体步骤如下：
第一步：导出模型。先将已建好模型的SolidWorks文件导出为Ansys软件能识别的文件格式，将做好3D建模的直线光轴保存为.x_t文件格式即Parasolid模型文件（见图3-1）。
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图3-1 将SolidWorks原模型文件转化为Parasolid文件
第二步：导入模型。打开Ansys13.0软件，点击File控件，通过Import将Φ8直线光轴的Parasolid文件导入进Ansys13.0软件中，修改PlotCtrl—Style—Solid Model Facet将Style Of Area And Volume Plots的属性更改成Normal Faceting，再点击Plot，选择Volume，得到Φ8直线光轴的Ansys实体模型（见图3-2）。
见图3-2 Φ8直线光轴的Ansys实体模型
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第三步：设定分析模块。点击Preference，进行优选项的设置，由于本次毕业设计只涉及力学结构性能的分析，所以只选择Structural选项即可（见图3-3）。
图3-3 设置优选项设置
第四步：设定单元类型相应选项。在预处理器中，设定单元类型。点击Preprocessor，选择Element Type的Add/Edit/Delete，选择Solid brick 20 node 186 ，点击OK（见图3-4）。
图3-4设定单元类型
第五步：定义材料属性。点击Preprocessor里的Material Models，选择Structure—Elastic—Isotropic，设置材料的弹性模量和泊松比。由于设计所选用的Φ8直线光轴的材料是优质碳素钢45钢，且根据表2-3可知45钢的弹性模量为210000MPa，泊松比为0.269。最后将
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数据依次填入EX与RPXY表格中（见图3-5）。
图3-5定义材料属性
第六步：对几何模型划分网格。点击Preprocessor里的Meshtool，选择Smart Size，细分等级选择6级，Mesh下拉框选择Volumes，选择Φ8直线光轴实体（见图3-6），再点击Mesh，将导入的Φ8直线光轴实体智能网格化处理，最后得到网格的化Φ8直线光轴模型（见图3-7）。
图3-6对几何模型划分网格
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图3-7 网格化的Φ8直线光轴模型
3.4.2 有限元分析
有限元分析的过程在前处理之后，它主要是对有限元模型进行单元特性分析、有限元单元组装、有限元系统求解和有限元结果生成，具体步骤如下。
第一步：添加约束条件。在求解器中设定模型的约束条件，由于直线光轴在简易3D打印机中两端是固定的，所以在Ansys中Φ8直线光轴的两个端面就是需要约束的对象。点击Solution，选择Apply—Structure—On Areas，选择Φ8直线光轴的两个端面（见图3-8、图3-9），通过ALL DOF指令将这两个端面完全约束（见图3-10）。
图3-8 选择Φ8直线光轴一约束平面
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