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solidworks教程资料:
第12章  设计项目(选做)
学习目标
 
12.1  设计项目概述
    本章分两个部分,第一部分由每个学员来求解外科剪问题。在第二部分中将检查外科剪的设计并
评估结果。实例也将分为两部分:这个实例的目的是确定外科剪手柄的设计是否合适。
    第一部分:基于运动算例确定零件上的载荷。这需要使用力函数来模拟导尿管被外科剪切割时的
阻力。第二部分:使用第一部分得到的载荷,进行手柄的FEA仿真。
 
12.2  实例:外科剪——第一部分
   外科剪被用于切割动脉和导尿管,它包括一个固定刀片和一个活动刀片.如图12-1所示。
    在本章的这一部分.我们将配合零部件,生成一个运动算
例,编写一个力函数来模拟刀片切割导尿管的过程。
外科剪
12.2. 1问题描述
    这个机构包括7个零件:fixed_cutter是静止的,手柄(handie)的旋转导致moving_cutter运动。
锁销插在moving_cutter内并沿fixed_caller移动。当没有力施加在手柄上时,弹簧维持moving - cutler
处于打开状态。活动刀片(biade2)连接在fixed_cutter和moving_cutter上,如图12-2所示。
    当外科医生握紧手柄时handle将转动12°并移动刀片。弹黄用于辅助将blade2收回到打开状态。假
设外科医生将用大约1s来切割导尿管。确定手柄零件handle的设计适用性。
12.2.2  切割导尿管的力
    从实验的结果可以得出切割∮3mm导尿管的力.图解显示如图12-3所示。X轴显示了刀片从
Point1(X=Omm)点开始移动,即刀片接触导尿管的地方。最初的切剖力增长缓慢,因为导尿管受力压
缩,之后突然快速爬升,因为接近了切割开始的点。
    在Point2(X=1.5mm)点处,刀片开始切割导尿管,力下降得很快,因为导尿管的切割部分开始恢
复至圆形。
    从Point3到Point4.将切割剩余的厚度,Point4对应切割完成的点,如图12-3所示。
零部件分布
    图12-3包含来自实验的切割力变化。为了将这条曲线输入到Solid Works
Motion中,每一段都必须表示为导尿管位置的函数(切割刀片的位置);图
12-3中该位置通过变量“x”来表达。注意,假定数值从0mm(切割刀片接触
导尿管)变化至3mm(切割刀片完成切割)。因此.每段都表达为一个线性的函数。
12.2.3  操作指导(一)
    这一部分,将山学员自己求解该问题的运动部分。下面只给出一个简单的引导
切割力图解
提示
基本步骤
·添加配合:添加合适的配合,确保机构按照预期动作。
·确定切割力:切割导尿管时作用在刀片上的作用力或反作用力由实验确定,而且这并不是线性
的。以实验数据为基础编写一个表达式来模拟作用在刀片上的力。
·运行运动分析:运行这个算例并生成适当的图解。
·分析这个机构:执行干涉检查并检查载荷路径以确保在仿真过程中计算出正确的力。
分段函数
提示
操作步骤
12.2.4  操作指导(二)
    在这一部分,舟个学员需要求解这个问题的FFA部分。下面给出一个基本的过程。
    ·输出载荷至SolidWorks Simulation:一旦计算出载荷.将载荷输出到Solid Works Simulation中评
估零件的适用性。
    ·替换运动犯动:某些像马达之类的驱动件需要被力或力矩替换,以运行一个静态分析。
    ·分析零件:使用SolidWorks Simulation分析这个零件,确定强度和挠度等因素。
    ·改善零件:如果分析后确定该零件不符合设计需求,在必要时可以修改这个零件井重新运行
分析。
12.2.5  问题求解
   在这一部分,提供了这个间题的完成结果。
操作步骤
步骤4
步骤6
设置最初位置定义配合关系
步骤7
定义弹簧添加马达
12.2.6  创建力函数
    现在需要生成一个模拟切割导尿管时的作用力与反作用力。假定导尿管的直往为∮3mm.如
图12-15所示。
制定尺寸
    基于物理条件.必须分几步来定义力。在生成表达式之前.应该先使用文字来描述这个运动:
    步骤1:当刀片刚开始移动时没有作用力,此时为空行程。
    步骤2:一旦刀片接触到导尿管.便会产生阻力,因为在导尿管
被真正切割前会被压缩。
    步骤3:导尿管被切断,力迅速降低。
    步骤4:导尿管被切断,刀片继续在没有阻力的情况下前行。
    步骤5:刀片在没有阻力的情况下回到开始位置。
    上面提到的步骤1, 4, 5很简单,因为力的数值为零.真正的问
题在于定义步骤2和步骤3的力。
    1.切割导尿管的力  在前面已经给出了实验数据.如图12-3和图12-4所示。
    关键步骤
    接下来将逐步创建完整的表达式.以查看其构造。
     ·当刀片切剖导尿管时会生成一个切割刀片位置的变量(图12-4中的变量x)。
     ·图解显示第一段的力函数。
     ·图解显示第一段和第二段的力函数。
     ·图解显示第一段、第二段和第三段的力函数。
     ·当切割刀片完全切断导尿管时(x=3mm)终止力函数。
     ·当切割刀片在反方向移动时,在切割过程的这个第二部分设置力函数为零。
步骤13
选择边线查看图解1
注意
    2.生成力的表达式下  面这个部分的目标是在两个刀片之间生成作用与反
作用力,以表现切割导尿管时所需的力,如图12-18所示。
    在生成力的表达式时不会直接加载作用力到刀片上,而是将使用虚构的力,
并保证不会影响到运动分析的输出。接着将应用这个力到fixed_cutter,因为
SolidWorks Motion是一个刚体分析工具,任何作用在固定零件上的力都不会对
运动分析产生影响。
生成力
步骤15
定义力函数
步骤18
查看图解3
12.2.7  力的表达式
  这里要生成的表达式如下:
  IF({Linear Velocityl}:IF({Linear Displacement1}:IF({Linear Displacement1}+3:0,0,7.333333*
({Linear Displacement1}+3))+IF({Linear Displacementl}+1.5:0,0,一7.333333*({Linear
Displacement1}+3)-80*({Linear Displacement1}+3)+131)+1F({Linear Displacementl}+1.4:0,0,80*
({Linear Diaplacementl}+3)-131-2.142868*({Linear Displacement1}+3)+6.42857),0,0),0,0)
    最初这个表达式看上去有些复杂,但这只是一组嵌套的IF语句而已。
    1. IF语句基于输入变量的组合,IF讲句用于定义一个输出,形式如下:
    IF(Input variable;A,B,C)
    当数值“Input variable”为负时.输出数值“A”
    当数值“Input variable”为零时,输出数值“B”
    当数值一Input variable"为止时,输出数值“C”
    输入变量A, B和C可以都是固定值,也可以是表达式。
    在上面的表达式中可以看出在所有IF语句中,只有两个不同的输入变量.即“Linear Velocityl”
和“Lnrar Displacrrnrntl”。
    2.创建表达式  首先要做的是定义刀片第一次接触导尿管的位置点。在这个点及之前的力必须为
零。根据测量可知.当刀片开启时的间距为7.25mm,而且导尿管的直径为∮3mm,因此,当{LinearD-
isplncementl}+3 =0时将发生接触。在步骤18中已经确定了这一点。
    因此.第一部分力的表达式为:
    IF(I Linear Displacement1}+3:0,0,7.333333*({Linear Displacement1}+3))
    也就是说:
    ·当数值“{Linear Displacement}+3”为负时,表达式等于零。
    ·当数值“{Linear Displacement}+3”为零时,表达式等于零。
    ·当数值“{Linear Displacement}+3”为正时,表达式的值为“7.333333*({Linear Displacement1}
+3)”,其中数值“7.333333”来自实验数据,即第一段曲线的斜率。
步骤20
    为了完成第二段,就需要在表达式中添加更多内容,细节如下:
    IF({Linear Displacement}+3:0,0,7.333333*({Linear Displacement}+3))+IF({Linear Die-
placementl}+1.5:0,0,-7.333333*({ Linear Displacement1}+3)-80*({Linear Displacement1}+3)+
131)
    如果用户捡查这个表达式,会发现这是两个IF语句的组合.第一个IF语句为:
    IF({Linear Displacement1}+3:0,0,7.333333*({Linear Displacement1}+3))
    然后是第二个IF语句:
    IF({Linear Displacemen1}+1.5:0,0,-7.333333*({Linear Displacement1}+3)一80*({Linear Dis-
placement1}+3)+131)
    这就是说,当“{Linear Displacement1}+1.5”为负或为零时,表达式的使都将为零。换句话说.在
刀片位移在5.75mm(Point2)之前,表达式的这一部分都不起作用。
    一旦结果为正时,表达式的值将会是“一7.333333*({Linear Displacementl}+3)-80*({Linear
Displacement1}+3)+131”。
    其中的第一部分是第一个表达式的负值,用以消除第一个表达式的作用。表达式的第二部分是力
在第二段中的方程式:-80*({Linear Displacement1}+3)+131。
步骤22
查看图解5
查看图解6
    为了完成第三段,需要在表达式中添加更多内容,细节如下:
    IF({Linear Displacemcntl}+3:0,0,7.333333*(Linear Displacement1}+3))+IF({Linear Displace-
mend1}+1.5:0,0,-7.333333*({Linear Displacement1}+3)一80*(Linear Displacement1}+3)+131)
+IF(I Linear Displacement}+1.4:0,0,80*({Linear Displacemet1}+3)-131-2.142868*({Linear
Displacementl}+3)+6.42857)
    同样.表达式的第一部分是已经完成的内容,新的语句为:
    IF({Linear Displacement1}+1.4:0.0.80*({Linear Displacement1}+3)-131-2.142868*({Linear
Displacement1}+3) +6.42857)
    其中的第一部分“IF({Linear Displacement1}+1.4:0,0,80*({Linear
    Displacement1}+3)-131)”同样只是前面表达式的负值以将其抵消,余下的部分2.142868*({Line-
ar Displacement1}+3)+6.42857”
    定义了第三段的曲线。
步骤24
步骤25
步骤26
查看图解8
步骤29
查看图解9
查看图解10
步骤32
 
12.3  实例:外科——第二部分
    这个实例的第二部分将检查外科剪手柄的设计,如图12-32所示。这里已经运行了
运动分析来确定其载荷。
手柄
12.3.1  问题描述
    基于运动分析中发现的最大载荷,确定手柄零件的应力。基于分析结果.评估手柄
零件的适用性。
12.3.2  关键步骤
    基本步骤包括:
    ·评估冗余:在运动算例中存在几个冗余,必须评估每个冗余在FEA问题中对载荷的影响。
    ·干涉检查:必须检查装配体以确保零件只在设计条件下互相接触,而且不存在阻止装配体正常
工作的接触。
    ·输出载荷:从Solid Works Motion中输出载荷至SolidWorka Motion。
    ·评估输入的载荷:对仿真而言运动载荷可能并不正确,必须评估每个载荷来保证对FFA的处理
过程是正确的。
    ·将输入载荷替换为本地载荷:对于FEA不合适的载荷,必须使用合适的载荷或夹具进行替换。
    ·运行这个仿真
    ·评估结果:需要评估所有的结果,确保零件正常工作。
操作步骤

自由度结果
步骤3
步骤4
步骤5
步骤7
查看结果1
查看结果2
查看结果4
步骤13
步骤17
检查载荷
步骤21
最大应力安全系数图解
 
12.4  总结
    在这一章中.分析了一个切割导尿管的外科剪装配体。因为导尿管不是一个刚体,它阻止切割的
抵扰表理为作用在刀片上的反作用力。在刚体动力学软件中,不能分析柔性导尿管的变形及分离,因
此需要采用等效于导尿管反作用力的模型。
    本章使用了导尿管切割力的真实实验数据来建构一个复杂、基于位置的、等效于作用力与反作
用力的表达式。由于问题较复杂.所以在表达式中包含有大量的IF语句。在每次分析的最后都生成了
大量图表。然后运动载荷被输入到SolidWorks Simulation中以进行有限元应力分析。分析表明,手柄零
部件的安全系数达到了符合要求的2.5。
 
 
 
 
 
 
 

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