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1、新疆大学毕业论文(设计)论文（设计）题目：棉花残膜机主要部件凸轮轴及杆齿组合的强度分析及参数优化毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即
2、：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权
3、书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日毕业论文（设计）任务书论文（设计）题目：建立残膜机三维模型并运用ANSYS进行强度分析及参数优化专 题：残膜机主要部件凸轮轴及凸轮的强度分析及参数优化论文（设计）来源： 教师科研 要求完成的内容： 1查询、阅读资料(1周) 2应用ANSYS软件建立残膜
4、机主要部件凸轮轴、凸轮及杆齿组的三维模型（25周） 3. 对该构件进行理论分析及参数优化（67周） 4撰写毕业论文（78周） 5提交毕业论文、装配图及答辩（911） 摘 要本文分析了目前残膜回收及残膜回收机的现状和存在的主要问题，指出了残膜回收的紧迫性、重要性,以及CAD技术在农业机械领域中的应用。对4JSM1800棉秸杆切碎及残膜回收联合作业机的主要工作部件滚筒机构（挑膜齿组及凸轮轴）进行工作原理及结构的理论研究。以ANSYS软件为技术平台，主要对挑膜齿组及凸轮轴进行了三维建模、强度分析及参数优化。通过对主要部件的强度分析，研究挑膜齿组及凸轮轴的应力及变形情况，并且通过得到的数据进行结构的优
5、化。关键词：残膜回收；弧形挑膜齿；结构优化；强度计算； ANSYSABSTRACTIn this paper, it is analyzing the present conditions and the main problem of the existences of the plastic film residue collecting and its collector and pointing out the urgency of the plastic film residue collecting and the main substance of the CAD techniq
6、ue which is used in the agricultural machinery territory. We have studied the operation principle and structure characteristic of the machine cylinder, which is the key work parts of the 4JSM1800 type cotton stem-cutting and plastic film residue picking- ups teamwork. By the use of a Three-dimension
7、al design software ANSYS, we can design the parts of the machine cylinder，analyse the intensity and optimize its parameter. Based on the intensity analysis of its main parts, we can research the stress and contingency ，then optimize the structure with help of acquired data.Key Words：plastic film res
8、idue-collecting; arc spring-finger; the optimize of the structural; intensity calculation; ANSYS目 录摘 要4ABSTRACT41 绪 论71.1 地膜覆盖种植技术的发展概况71.2 地膜覆盖带来的“白色污染”71.3 残膜机研究的意义91.4 农业机械的现状91.5 国内外残膜回收技术研究现状101.6课题来源、研究方法及目的112 软件介绍122.1 CAD技术的发展122.2 CAD发展趋势122.3.1 ANSYS的发展历史142.3.2 ANSYS软件概述142.3.3 ANSYS 软件的
9、模块介绍142.4.1 有限元法的发展史162.4.2 有限元法的原理162.4.3 划分网格注意事项172.5 有限元的发展193 残膜回收机滚筒的工作原理及结构分析203.1 圆弧型挑膜齿机构的工作原理203.2 弧行挑膜齿滚筒的结构分析213.2.1 滚筒一周上排齿量的确定213.2.2 弹性挑膜齿齿间距的选定及实际配齿法223.2.3 滚筒直径和转速的确定234 基于的ANSYS建模254.1 挑膜齿组的建模过程254.1.1 定义工作文件的目录、文件名和工作标题254.1.2 定义单元类型254.1.3 创建三维模型264.2 凸轮轴建模334.2.1 凸轮轴的组成334.2.2 凸
10、轮轴的建模过程335 基于ANSYS的强度求解与分析355.1 挑膜齿的受力计算355.2 挑膜齿组的强度求解365.2.1划分网格365.2.2 加约束385.2.3 加载荷395.2.4 求解395.2.5 查看求解结果395.3结果分析与动态仿真425.3.1 结果分析425.3.2 挑膜齿组的动态仿真455.3.3 结论455.4 凸轮轴的强度求解465.4.1 凸轮轴的求解465.4.2 结果分析465.4.3 凸轮轴的动态仿真485.5 结论486 全文总结496.1 本论文的结论496.2 存在的问题与展望49致 谢50参考文献511 绪 论1.1 地膜覆盖种植技术的发展概况地膜
11、覆盖种植是一项大幅度提高作物单产的切实可行的新型技术，在国内外均得到了广泛的应用。欧、美、日等发达国家从50年代就开始逐步将铺膜种植技术应用于蔬菜及经济类作物。日本的地膜覆盖栽培技术研究早，普及快，应用作物种类多，栽培水平高，增产增收效果显著。美、德、法等国在地膜覆盖种植技术的研究及新型覆盖材料开发方面也做了大量工作如对覆盖材料的开发，研究了改变地面覆盖小气候和土壤条件的农田保苗覆盖膜，并开发了加入杀菌剂的防病杀菌膜和由遇水分解的纤维素材料组成的多孔性薄膜片及光降解地膜等。我国从7O年代开始将地膜覆盖种植技术应用于蔬菜生产，80年代开始应用于棉花、花生等经济作物，近年来又将这一技术推广到玉米栽
12、培上，解决了寒冷和干旱地区作物增产困难的问题，从而开始大面积推广应用，预计10年内可发展到600多万km2，地膜覆盖种植技术增加了有效积温，相对延长了作物的生育期，可以广泛采用中晚熟品种，使品质和产量大幅度提高，同时使各种作物的适作区向北推移、扩大，更有效地利用国土资源。地膜覆盖的保墒效果，使作物根系深扎，也是一项抗旱措施，对于有效利用水资源、发展我国旱地农业有着重要的战略意义。目前新疆、山东、山西、内蒙古、黑龙江、陕西、甘肃等寒冷和干旱及半干旱地区，地膜覆盖种植不仅应用于棉花、花生、甜菜、烤烟等经济作物以及蔬菜和瓜果，而且已推广到玉米等粮食作物，总面积达300万km2。其中玉米、棉花应用地膜
13、面积都超过100万km2 。据调查，采用铺膜种植后，玉米单产可提高30%8O% ，棉花可提高30%70% 我国玉米种植面积达2000万km2 ，如有20%应用这一技术，以单产提高30%约l350kg估算，总产可增加540万吨，相当于增加120万km2。粮田、棉花种植面积为533万km2，平均单产900kg，若其中35采用地膜覆盖种植，以每公顷增加 300kg估算，总产提高56万吨，等于增加56万km2棉田1 。二十多年来，农用地膜的大面积应用，对新疆农民增收、农业增产以及农村经济的发展起到了巨大的推动作用。地膜覆盖栽培技术具有节水抗旱、增温保墒、防除杂草、节本增效、提高作物产量等诸多优点，对于
14、利用有限的水资源，发展旱地农业有着重要的战略意义。1.2 地膜覆盖带来的“白色污染” “白色污染”已成为一个众所周知的新型名词。那么，到底什么是“白色污染”呢？“白色污染”主要指白色的发泡塑料饭盒，各种塑料袋，农用地膜等给环境造成的污染。“白色污染”物的主要成分为：聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PV)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯树脂(PS)。在这些污染物中，还加入了增塑剂，发泡剂，热稳定剂，抗氧化剂等。“白色污染”的危害：塑料地膜废弃物在土壤中大面积残留，长期积累，造成土壤板结，影响农作物吸收养分和水分，导致农作物减产；抛弃在陆地上或水中的塑料废弃物，被动物当作食物吞食后，会导致动物死亡；进入生活垃
15、圾中的塑料废弃物质量轻、体积大，很难处理。如果将它们填埋，会占用大量土地，而且，在很长一段时间内难以分解；部分的塑料含有毒性，如果用作餐具或食品包装的材料，这样对人体的健康不利；使臭氧层变薄。采用地膜覆盖种植技术虽可提高作物产量，但若不能将田地里的残膜及时回收，不仅会导致环境污染，对农业生产本身也将构成严重危害3。当前全球范围内正在积极推行的可持续发展战略4，对于解决我国人多地步、土地资源紧缺的问题尤为重要。人口不断增多、人民生活水平逐步提高，对粮食的需求也将扩大，农业生产必须持续、稳定、健康地发展，才能满足这一要求。残膜回收问题是制约农业生产持续发展的重要因素之一。目前我国政府及一些农业生产
16、部门已开始投入人力、物力和财力来解决残膜回收问题；但从总体来看，由于我国地膜覆盖种植面积广，铺膜年限长，残膜回收处理又不及时，农村废残膜数量剧增，不少地方出现了“白色污染”遗留在土壤中的残膜沉积为害，给生态环境、土壤结构、作物生长发育造成严重影响，特别是在新疆。新疆是地膜覆盖栽培技术在农业生产中应用最广泛的省区。由于农业生产中大量和长期的使用农用地膜，不能全部及时回收，年复一年累积在土壤中使耕地遭到严重的“白色污染”。残膜在土壤中形成阻隔层影响根系的发育和均匀分布、阻碍作物对水分和养分的吸收、影响种子发芽、出苗，造成烂种、烂芽，使幼苗黄瘦甚至死亡，对农业生产本身构成严重危害，给生态环境也造成很
17、大损害。据估计，迄今为止，全国耕地中的残膜已超过100万吨。残膜回收问题已引起人们的极大关注。废膜残留造成的影响主要有4个方面：1)对农田周围环境的污染。在许多地区，田地里未回收的残膜被风吹散后，挂附在农田周围的篱笆、树枝、电杆上，飘到地头、路旁、沟边等处，对周围环境构成污染。2)严重影响机械作业。据调查，废膜主要残留在农田的020cm的浅耕层内，约占总残留量的80% 。残留废膜易缠绕犁铧，严重影响整地质量；大量残膜还易堵塞播种机，造成播种不均匀，影响播种质量。3)影响作物生长发育，降低作物产量。种子播在残膜上会因吸收不到养分和水分而不能发芽，造成烂种，或发芽后因吸收不到水分而枯死。据调查，连
18、续覆膜种植35次的田地，小麦产量下降2%3% 、玉米产量下降l0%左右、棉花下降l0%l5% 5 4)牲畜误食引起病害或死亡。花生秧是良好的饲料，但花生起收时，在花生秧带有的地膜占残膜的20%25%，给饲料加工带来很大不便，也影响了饲料的品质。家畜食用了含残膜的叶子和秸秆后会引起肠道疾病，严重时可造成死亡。目前新疆在农田残膜回收工作中其数量最大的是棉田。由于新疆现已普遍应用宽膜植棉技术，每年都将新产生约6-8万吨残膜。据有关部门调查测算，棉花种植老区土壤耕层残留废膜每亩可达20多千克，而且还在不断增长，对农业生产的危害逐步加重。如果不积极采取措施加以扼制，若干年后土质严重恶化，农产品质量下降，
19、土地将无法种植，后果不可想象2。自地膜覆盖技术使用后不久我国农机科研人员就开始针对残膜回收技术和机具展开研究，经过十几年的努力我国已研制出二十多种残膜回收机，其中有几种较为成功，但目前从总体上看残膜回收机具的推广应用并不尽人意。究其原因首先地膜太薄、强度太差，加上土地中作物残茬、杂草太多，地膜与土地的亲和力较强，膜土难以分离，给地膜的捡拾造成很大困难；再者残膜回收是一项社会效益大而短期经济效益不明显的工作。同时苗期残膜回收也受到农艺的限制，比如膜下滴灌技术的推广，给苗期收膜带来困难。此外有些残膜回收机具存在如结构复杂，可靠性低或者调整使用不方便等内在缺陷6。基于上述原因及现象就可以看出：研发和
20、改进残膜回收机是必要的，也是必须的，对于它的开发前景是光明的。当然我今天所做的工作不是并不是进行研发，而是对残墨机结构的建模、强度分析及参数优化。我认为这是一件有意义的事，可以为改进残膜机的性能、简化它的结构提供非常重要的数据。1.3 残膜机研究的意义为了有效地减少或消除耕作土壤中的白色污染， 通过在农业生产耕作中推广机械化苗期残膜回收、机械化农作物收获后残膜回收和机械化可降解生物地膜应用等技术，减少和消除耕作土壤中残留地膜对农业生态环境的危害，同时为农业经济效益的持续发展提供保证。况且人工捡拾地膜存在劳动生产率低、劳动强度大、耗工、费时等缺点，因此推广残膜回收机械化生产技术具有十分重要的现实
21、意义。1.4 农业机械的现状农业机械化是农业现代化的主要内容和重要标志。一个国家农业是否实现现代化，关键在于这个国家农业机械化的程度如何。随着世界经济、科技的发展，我国的农业机械化水平也取得了很大提高，但现在国际经济趋于全球化，我国也即将加入世界贸易组织，我国的农机行业正面临着严峻的考验。我们必须认清我国农机发展薄弱环节，积极寻求农机发展新的方向，才能充分发挥农业机械化在建设我国现代化农业中主力军的作用。经过多年的努力，我国的农业机械化已经取得了长足的进展，主要体现在：适应社会主义市场经济的农业机械化发展机制已经基本形成；农业机械拥有量快速增长，农业机械化水平持续提高，结构不断优化；农业机械化
22、适用新技术推广面积迅速扩大，加快了农业技术进步和高效优质高产的步伐；农业机械化服务体系不断完善和壮大，有力地支撑了农业机械化快速健康发展；虽然我国农机化水平已经有了较大提高，但与国外发达国家相比，仍然有较大差距。要想改变我国农业机械化的现状就必须了解农业机械的设计现状并掌握先进的设计方法。中国的农业机械行业起步较晚，设计技术的整体水平还处于经验设计时期，还主要以技术模仿、降低零部件的成本(提高国产化率)为主；CAD/CAE技术、虚拟设计、优化设计等现代化设计技术还处于水平较低的普及阶段。这种状况是导致企业、科研部门自主开发能力不强，技术创新能力不足，缺乏市场有力竞争的原因之一。计算机和信息技术
23、的进步及其各种先进软件的出现，促使农业机械现代化设计向着虚拟设计、优化设计等先进技术应用的方向发展。CAD/CAM/CAE技术的不断成熟，使农业机械产品的设计水平和开发质量，缩短开发周期，为跨越工业发达国家几十年曾走过的发展阶段，赶超世界先进水平提供了一条捷径。1.5 国内外残膜回收技术研究现状残膜回收处理问题是世界各国面临的一个棘手问题。日本对废旧农膜的回收处理情况相对好一些；因为那里覆盖地膜的土壤主要是火山灰土，土质疏松，便于揭膜，而且地膜强度大、覆盖期相对较短(1.53个月)，清除时可保持较大片块，用地膜缝合机缝合所铺地膜，不用土压膜，也利于收膜。以色列是研究残膜回收机起步较早的国家之一
24、，主要用收卷机来回收残膜，效果较好；因为以色列所用地膜较厚(1.5mm)，强度高，而且对于大田作物，铺膜主要用于帮助种子发芽出苗期的保墒保温，作物出苗后即开始收膜，地膜在田间停留时间较短，有足够强度保证收卷时不会破碎7，易于整膜回收再利用。欧美国家为防止残膜造成的危害，一方面推广使用高强度、耐老化地膜以便回收，另一方面，积极开发研制新型地膜，如可降解地膜，使残膜经一定时期自动分解成无害物质混入土壤；但其价格偏高，目前还不能推广用于大田作物，仅对经济价值较高的蔬菜等作物应用较好。我国残膜污染问题相对较严重：一方面低成本地膜偏薄(有的厚度仅0.5mm)，强度差1，另一方面由于我国多数地区是作物收获
25、后收膜，地膜在田间停留时间较长，易破碎，并且主要依靠人工回收残膜，劳动强度大，成本高，碎膜不能有效回收。我国一些铺膜地区根据当地具体条件研制了不同形式的残膜回收机。比如：1SM-5型密排弹齿残膜回收耙： 新疆农垦总局研制的这种机型，作业幅宽5m，前后双排弹齿100根，由小四轮拖拉机悬挂作业，用于播种前对土层内的残膜回收。它只能回收大块残膜，对碎膜则无能为力 。SMJ-2型地膜回机： 工作时先切断作物粗根，松动地膜，四组搂齿盘将棉秆和地膜搂集成条后，用特制的大耙将集成条的残膜人工搂成堆，再装车拉出地外。JM-1型废膜回收机： 适用于中耕与揭膜联合作业，是一种收卷式工作机械。当棉花株高超过500m
26、m时，枝冠封垅会导致其作业速度大大降低。另外，它还要求铺膜机作业时在种行处打两排孔，揭膜时又常不能沿孔将膜揭开，影响回收效果。IMS-800型滚筒式收膜机8: 由山西省农机研究所和山阴县农机局研制，主要用于大根茬地(如玉米地)残膜的回收。该机动力消耗大，残膜回收率低 。这些机具存在的主要问题是不能有效地将小块碎膜回收，回收效果差。有的机具结构复杂，工作可靠性差，也有的需要过多的辅助人工，劳动效率低。以色列的A.V.I公司研制了一种用于回收苗期地膜的类似于JM-1型的收卷式回收机。该机工作时，液压马达驱动收卷工作部件，同时控翩收卷部件的转速与拖拉机行进速度相适应。一个作业行程可同时回收四幅地膜；
27、但这一机型不能用于回收作物收获以后的残膜，尤其是对于我国的农膜偏薄，作物收获后的地膜极易破碎，收卷时容易断裂，影响机器的连续工作，无法得到广泛的应用。由于残膜在土壤覆盖的时间相对较长而风吹日晒老化较碎、破损大，因此残膜回收是世界各国都面临的一个棘手问题。英国和前苏联采用悬挂式收膜机工作时松土铲将压膜土耕松，然后将薄膜收卷到羊皮网或金属网上，收下的膜清洗干净卷好备用。日本对旧农膜的回收处理相对好一些，主要原因一是日本覆盖地膜的土壤主要是火山灰土，土壤疏松易揭膜；二是地膜较厚强度大、覆盖期相对较短，清除时可保持较大片块；还有一种地膜缝合机铺地膜，不用土压膜以利于收膜，收膜时缠绕扎在地膜两边的绳索将
28、地膜卷起9。从总体来看欧美及日本，以色列等国家为防止残膜造成的危害、便于回收，一方面推广使用高强度、耐老化地膜；另一方面积极开发研制新型地膜，如可降解地膜残膜，使残膜经一定时期自动分解形成无害物质而混入土壤中；但其价格偏高，目前还不能推广用于大田作物，仅对经济价值较高的蔬菜等作物应用较好。国内在研制残膜回收机的同时，也研制出一些新型降解农膜如生物降解膜、光降解膜和双降解膜等但因其成本过高或其它原因均未大面积推广使用。国内残膜回收技术及机具按照农艺要求和残膜回收的时间分为苗期揭膜机械、秋后回收机械、耕层内清捡机械和播前回收机械，以及利用常规机具改装附加回收残膜装置等类型。经过十几年的研究我国虽已
29、研制出二十多种残膜回收机并且有几种效果较好，但还没有一种为农民所广泛接受。相对于传统农机具如犁耙以及播种机等来讲残膜回收机理论上几乎还处于空白，实际机型还处于初步研究探索试验阶段。从我国已有机型来看苗期揭膜已取得了一定成果，苗期揭膜只适用于水源较充足地区的部分作物。而我国北方的大部分地区为干旱少雨区，近年来推广的滴灌管道布置在地膜下面，因此苗期揭膜不可能在我国大面积推广开来使用。耕层内残膜回收机和播前耕整地残膜回收机虽然结构简单成本低，但残膜回收率不高，只能作为辅助方式辅助残膜回收。利用常规机具改装回收残膜，成本低但需要的辅助人员过多、回收率低，工作环境恶劣，工作强度大，从长远来看不是残膜回收
30、的长久之计10。1.6课题来源、研究方法及目的该课题来源于国家自然科学基金项目资（项目编号：50375131）（“九五”国家重点科技攻关计划项目）弧形挑膜齿残膜清理滚筒的运动学原理及工艺结构研究。该项目由新疆农科院农业机械化研究所、新疆大学机械学院及新疆农业大学三家联合承接。本课题是在新疆农业科学院农机化研究所研制的4JSM-1800棉秸杆切碎及残膜回收联合作业机基础上，针对机具的核心部件滚筒部件进行研究分析，结合对弧形挑膜齿滚筒机构的工作原理及结构的理论分析，利用ANSYS软件对凸轮轴及凸轮的强度分析，从而为滚筒结构简化及参数优化提供必要的有利数据。2 软件介绍2.1 CAD技术的发展随着信
31、息技术在个领域的迅速渗透，CAD/CAM/CAE技术已经得到了广泛的应用，从根本上改变传统的设计、生产、组织模式，对推动现有企业的技术改造、带动整个产业结构的改革、发展新兴技术、促进经济增长都具有十分重要的意义。计算机辅助设计（Computer Aided Design，简称CAD）技术产生于19世纪50年代后期。CAD技术是以计算机、外围设备及其系统软件为基础，包括二维绘图设计、三维几何造型设计、有限元分析（FEA）及优化设计、数控加工编程（NCP）、仿真模拟及产品数据管理（PDM）等内容，是一种设计人员借助于计算机进行设计的方法10。作为当代杰出的工程技术成就,已广泛地应用于工程设计的各个
32、领域。CAD在机械制造行业的应用最早，使用也最为广泛。目前其主要的应用涉及到机械、电子、建筑等工程领域。世界各大航空、航天及汽车等制造巨头不但广泛采用CAD/CAM/CAE技术进行产品设计，而且投入大量的人力、物力及资金进行CAD/CAM/CAE软件的开发，以保持自己在技术上的领先地位和国际市场上的优势。CAD技术将人的创造能力和计算机的高速运算能力，巨大存储能力和逻辑判断能力很好地结合起来。在机械设计中，许多繁重的工作，例如非常复杂的数学和力学计算，多种设计方案的提出、综合分析比较与优化，工程图样及生产管理信息的输出等，均可由计算机完成。设计人员则可对计算、处理的中间结果作出判断、修改，以便
33、更有效地完成设计工作。计算机辅助设计能极大地提高设计质量，减轻设计人员的劳动，缩短设计周期，降低产品成本，为开发新产品和新工艺创造了有利条件。目前，在我国正受到企业的欢迎和重视，逐步获得推广应用。大幅度地提高了产品的设计效率和质量,将设计人员的精力从繁琐的绘图,查手册等重复性劳动中解放出来,成为现代工业中必不可少的主要技术手段。从60年代的二维平面图形设计开始,CAD经历了70年代的交互式图形技术、三维线框系统及绘图系统,80年代的三维实体造型、自由曲面设计、有限元分析、机构及机器人分析和仿真,90年代的参数化设计、特征造型、CNC代码生成及刀具轨迹仿真等发展过程11。随着Pentium芯片和
34、Windows NT操作系统的出现并流行，以前只能运行在工作站上的CAD/CAM软件现在也可以运行在微机上。微机平台为普及CAD应用创造了绝好的条件。Pentium处理器和NT环境已经或者正在成为CAD/CAM软件运行和应用的主流平台 。在2D市场上占绝对优势的是Autodesk公司的AutoCAD软件。3D市场的主流软件Unigraphics、Pro/Engineer、AutoCAD、Solid Edge、SolidWorks、I-DEAS及CimatronCAD等。2.2 CAD发展趋势标准化：CAD软件一般应集成在一个异构的工作平台之上，只有依靠标准化技术才能解决CAD系统支持异构跨平台
35、的环境问题。目前，除了CAD支撑软件逐步实现ISO标准和工业标准外，面向应用的标准零部件库、标准化设计方法已成为CAD系统中的必备内容，且向合理化工程设计的应用方向发展。 开放性 ：CAD系统目前广泛建立在开放式操作系统视窗95/98/2000/NT和UNIX平台上，为最终用户提供二次开发环境，甚至这类环境可开发其内核源码，使用户可定制自己的CAD系统。 集成化 ：CAD技术的集成化将体现在三个层次上其一是广义CAD功能，CAD/CAE/CAPP/CAM/CAQ/PDM/ERP经过多种集成形式，成为企业一体化解决方案。新产品设计能力与现代企业管理能力的集成，将成为企业信息化的重点；其二是将CA
36、D技术采用的算法，甚至功能模块或系统，做成专用芯片，以提高CAD系统的使用效率；其三是CAD基於计算机网络环境实现异地、异构系统在企业间的集成。应运而生的虚拟设计、虚拟制造、虚拟企业就是该集成层次上的应用。例如，在美国通用汽车公司的生产过程，大量的零部件生产、装配都通过“虚拟工厂”、“动态企业联盟”的方式完成，本企业只负责产品总体设计和生产少数零部件，并最终完成产品的装配。 智能化 ：设计是一个含有高度智能的人类创造性活动领域，智能CAD是CAD发展的必然方向。从人类认识和思维的模型来看，现有的人工智能技术模拟人类的思维活动明显不足。因此，智能CAD不仅是简单地将现有的智能技术与CAD技术相结
37、合，更重要的是深入研究人类设计的思维模型，最终用信息技术来表达和模拟它，才会产生高效的CAD系统，为人工智能领域提供新的理论和方法。CAD的这个发展趋势，将对信息科学的发展产生深刻的影响。 虚拟现实(VR)与CAD集成 ：VR技术在CAD中的应用面很广，首先可以进行各类具有沉浸感的可视化模拟，用以验证设计的正确性和可行性11。例如用这种模拟技术进行设计分析，可以清楚地看到物体的变形过程和应力分布情况。其次它还可以在设计阶段模拟产品装配过程，检查所用零部件是否合适和正确。在概念设计阶段，它可用於方案优化。特别是利用VR的交互能力，支援概念设计中的人机工程学，检验操作时是否舒适、方便，这对摩托车、
38、汽车、飞机等的设计作用尤其显著，在协同设计中，利用VR技术，设计群体可直接对所设计的产品进行交互。更加逼真地感知到正在和自己交互的?体成员的存在和相互间的活动。尽管VR技术在CAD中的应用前景诱人，不过离广泛推广应用还有一定距离。 随着Internet/Intranet网络和并行、高性能计算及事务处理的普及，虚拟设计及实时仿真也得到广泛应用。设计人员在虚拟世界中创造新产品，可以从人机工程学角度检查设计效果、设计人员可直接参与操作模拟，移动部件和进行各种试验，以确保设计的准确性，这种技术的特点是：及早看到新产品的外形，以便从多方面观察和评审所设计的产品；可以使用不同的虚拟工具来扭曲、挤压和拉伸物
39、体；可以虚拟地切削或挤压材料，无需耗费材料或占用宝贵的加工设备；及早发现产品结构空间布局中的干涉和运动机构的碰撞等问题；直接观察数控加工中刀具的运动轨迹是否正确。2.3.1 ANSYS的发展历史ANSYS公司成立于1970年，是由美国匹兹堡大学的John Swanson博士创建的，其总部位于美国宾夕法尼亚洲的匹兹堡，目前是世界CAE行业最大的公司。30余年来，ANSYS公司一直致力于设计软件的开发，不断吸取新的计算方法和计算技术，领导着世界有限元技术的发展12。ANSYS可以与多种先进的CAD（如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, IDEAS, AutoCAD）软件共
40、享数据，利用ANSYS的数据，利用ANSYS的数据接口，可以精确地将在CAD系统下生成的几何数据传输到ANSYS，并通过必要的修补可以精确地在该模型上划分网格并进行求解，这样就可以节省用户在创建模型的过程中所花费的大量时间，使用户的工作效率大幅度提高。2.3.2 ANSYS软件概述ANSYS软件是融结构、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。由世界上最大的有限元分析软件公司之 一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, IDEAS, AutoCAD等13， 是现代产品设计中的高级CA
41、D工具之一。软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强 大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线 性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度 分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明 显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出13。软件提供了100种以上的单元类型，用 来模拟工程中
42、的各种结构和材料。该软件有多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如PC，SGI，HP， SUN，DEC，IBM，CRAY等。目前版本为ANSYS5.4版，其微机版本要求的操作系统为Windows 95或Windows NT,也可运行于UNIX系统下。微机版的基本硬件要求为：显示分辨率为1024768，显示内存为2M以上，硬盘大于350 M，推荐使用17英寸显示器。2.3.3 ANSYS 软件的模块介绍前处理模块PREP7：双击实用菜单中的“Preprocessor”，进入ANSYS的前处理模块。这个模块主要有两部分内容：实体建模和网格划分。ANSYS程序提供了两种实体建模
43、方法：自顶向下与自底向上。自顶向下进行实体建模时，用户定义一个模型的最高级图元，如球 、棱柱，称为基元，程序则自动定义相关的面、线及关键点。用户利用这些高级图元直接构造几何模型，如二维的圆和矩形以及三维的块 、球、锥和柱。无论使用自顶向下还是自底向上方法建模，用户均能使用布尔运算来组合数据集，从而“雕塑出”一个实体模型。ANS YS程序提供了完整的布尔运算，诸如相加、相减、相交、分割、粘结和重叠。在创建复杂实体模型时，对线、面、体、基元的布尔操作 能减少相当可观的建模工作量。ANSYS程序还提供了拖拉、延伸、旋转、移动、延伸和拷贝实体模型图元的功能。附加的功能还包括 圆弧构造、切线构造、通过拖
44、拉与旋转生成面和体、线与面的自动相交运算、自动倒角生成、用于网格划分的硬点的建立、移动、拷贝和 删除。自底向上进行实体建模时，用户从最低级的图元向上构造模型，即：用户首先定义关键点，然后依次是相关的线、面、体。ANSYS程序提供了使用便捷、高质量的对CAD模型进行网格划分的功能。包括四种网格划分方法：延伸划分、映像划分、自由 划分和自适应划分14。延伸网格划分可将一个二维网格延伸成一个三维网格。映像网格划分允许用户将几何模型分解成简单的几部分，然后 选择合适的单元属性和网格控制，生成映像网格。ANSYS程序的自由网格划分器功能是十分强大的，可对复杂模型直接划分，避免了 用户对各个部分分别划分然
45、后进行组装时各部分网格不匹配带来的麻烦。自适应网格划分是在生成了具有边界条件的实体模型以后，用户 指示程序自动地生成有限元网格，分析、估计网格的离散误差，然后重新定义网格大小，再次分析计算、估计网格的离散误差，直至误差 低于用户定义的值或达到用户定义的求解次数。求解模块（SOLUTION） ：前处理阶段完成建模以后，用户可以在求解阶段获得分析结果。点击快捷工具区的SAVE_DB将前处理模块生成的模型存盘，退出Preprocessor，点击实用菜单项中的Solution，进入分析求解模块。在该阶段，用户可以定义分析类型、分析选项、载荷数据和载荷步选项，然后开始有限元求解。ANSYS 软件提供的分
46、析类型如下：结构静力分析：用来求解外载荷引起的位移、应力和力。静力分析很适合求解惯性和阻尼对结构的影响并不显著的问题。ANSYS程序中的静力分 析不仅可以进行线性分析，而且也可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析。 结构动力学分析：结构动力学分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。与静力分析不同，动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻 尼和惯性的影响。ANSYS可进行的结构动力学分析类型包括：瞬态动力学分析、模态分析、谐波响应分析及随机振动响应分析。结构非线性分析：结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化。ANSYS程序可求解静态和瞬态非线性问题，包括材料非线性、几何非 线性和单元非线性三种。动力学分析：ANSYS程序可以分析大型三维柔体运动。当运动的积累影响起主要作用时，可使用这些功能分析复杂结构在空间中的运动特性， 并确定结构中由此产生的应力、应变和变形。热分析：程序可处理热传递的三种基本类型：传导、对流和辐射。热传递的三种类型均可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。热分析还具有 可以模拟材料固化和熔解过程的相变分析能力以及模拟热与结构应力之间的热结构耦合分析能力。电磁场分析：主要用于电磁场问题的分析，如电感、电容、磁通量密度、涡流、电场分布、磁力线分布、力、运动效应、电路和能量损失
