云台轴结构静力学分析及优化设计(附件)【字数：9289】
摘 要云台轴主要是云台的轴承部分的构件，不仅需要承受较大的力，还同时具有定位的作用，保证云台在固定的区域内运动。对云台轴进行有限元分析，确定轴承的受力分析，观察受力之后的位移云图，验证云台轴的强度和结构设计的合理性。使用hypermesh13.0软件，在分析中建立受力和约束条件，完成有限元分析仿真。根据结论进行优化，并且与优化前进行比较。结论表明，优化后的云台轴改变了应力集中的位置。通过静力学的分力设计，改变受力角度和方向，云台轴最大变形减少了百分之30，最大应力降低了百分之40，实现了结构优化的预期目标。
目 录
第一章 绪 论 1
1.1 课题背景与意义 1
1.2 有限元分析的概念和优点 1
1.3 有限元国内外发展状况 1
1.4 课题研究内容与目标 3
第二章 零件建模过程 4
2.1 UG NX软件的概述 4
2.2 零件图的分析 4
2.3 零件的建模 5
第三章 有限元分析仿真 8
3.1 HyperMesh软件的概述 8
3.2 基本假设 8
3.3 有限元分析模型建立 8
3.3.1 电机支架的网格划分 9
3.3.2 参数设置 10
3.3.3 边界条件 11
第四章 计算结果分析与优化 15
4.1 应力与变形分析 15
4.2 优化设计 17
第五章 总 结 19
致 谢 20
参考文献 21
第一章 绪 论
1.1 课题背景与意义
随着无人机和摄像机以及手机的大规模普及，人们迫切的需要一些机械产品来进行使用的配套，而云台成为了一个重要的机械装置。人们能够使用云台承载这些拍摄设备，使得这些设备能够为人类完成更多的工作。而云台中最重要的机械零件就是云台轴，它是整个装置中受力最大，并且也是完成机械运动的重要部件，没了它云台就不能进行指定的工作。而轴承的重要性不言而喻，作为机械运动的最重要的部件，它承受了很大的载荷，而摄像头这些模组又 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
十分昂贵。所以我们对云台轴的设计要求不能马虎，所以对其结构设计和强度有意义进行分析和验证。
由于现代化产品的质量规格越来越复杂和严格，产品的功能也越来越复杂，特别是对于使用寿命和内部强度分析更是十分重要[1]。恰恰是这些数据我们无法使用一些传统的物理手段来测量，所以使用仿真分析便成为了机械设计的重要一环。使用有限元分析就是利用数学近似的方法来研究其真实的物理环境。有限元分析的意义就在于工程师们可以在研发过程中及时发现问题，使其结构更加的合理化，减少研发周期，能够提前预估风险，减少设计后期出现的缺陷[2]。有限元的分析精度更是传统物理测量所难以企及的，理论上只要计算机运算能力足够强大，就可以与物体的真实物理特性更加相似的分析结果。通过对于零件有限元分析的学习，能够提前学习到一下现代化设计所必要的设计手段，理解现代化设计的一些先进手段，便于走上社会不落后于他人。
1.2 有限元分析的概念以及优点
有限元分析，我们先顾名思义，就是对有限元的分析得到数据。有限元：就是一个个有大小限制的单元，它与物体本身并不完全一样，而是每一个单元假设的一个近似解，有限元越小，我们的分析就越精确。使用偏微分方程其实并不能能到一个准确的解，只能得到一个近似的结果，所以只要划分的的单元越多越细致，我们就能得出越精确的结果，这就是为什么有限元分析运算精度高的主要原因[3]。由于有限元分析一般由计算机软件运算完成，所以我们无需手动建立和运算方程。
1.3 有限元国内外发展状况
有限元法自从创立以来，经过人们不断的发展和优化，他的用处得到了巨大的拓展[4]。随着计算机技术的发展，两者相辅相成。纵观国外这些年的发展趋势，不使用有限元进行分析的企业在逐渐被淘汰。有限元分析作为现代制造技术具备很多的优点。首当其冲的就是其精度越来越高，特别在航天科技的作用十分巨大。发展总是相互的，越来越多的CAD软件与之相互适配，使得机械设计的效率大大提高。甚至某些CAE软件能无缝和CAD软件进行数据交换，这也是有限元分析软件将来的一大趋势，技术最终会走向合作统一。
在国际上许多数学家和工程师的奋斗下，达索公司作为其中顶尖的软件商之一，发布了最新一代的版本的Abaqus 6.9，代表了当今国际上的最高水平。本次的技术升级使得制造企业加强了他们非线性和线性分析过程的能力[5]。国外的有限元技术发展基本取决于以下几点：首先，数学发展先行，软件开发紧随其后[6]；第二，扩大应用场合，增加使用人群，寻找系统技术的合作伙伴；第三，与实验室研究所共同开发，数学家与工程师携手合作；第四，使用现有的技术进行开发，争夺市场，在商业上获得足够的效益，加大投入继续研发，得到良性循环。这些经验对于发展较晚的我国来说，首先我们的研究方向不是一片空白的，可以运用国人善于学习的特性，摸着石头过河，先学习仿制，后研究超越，有助于自身技术的快速进步，其次充分发挥中国人口多市场大的特性，有了商业价值就会得到更多的关注，用市场换取国外的先进技术，争取共同开发。 如图11所示为发动机缸体有限元应力分析图。
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图11 发动机缸体有限元应力分析图
为了国际竞争的压力，我国迫切的需要机械行业高端研发技术，对此我国也做了很多的努力。我国决定在“九五”计划期间国投入力量全力推行发展CAD/CAE技术，有了政府政策的支持加上了国家资本的投入，大部分现代机械制造业企业CAD的已经基本普及，现在许多大学校企结合已经增加了相关的专业课程[7]。由于CAD应用在机械制造行业中普及，机械分析师和生产企业的工程技术人员已从图板制图到软件制图，进行现代化的设计，不仅可以提高工程也能稳定产品质量，计算机辅助工程分析（CAE，Computer Aided Engineering）方法和软件将成为关键的技术要素[8]。根据国家公布的数据信息来分析，在产品的研发和设计阶段，百分之七十以上的制造业企业均都已采用有限元分析法来进行产品的质量控制，尤其在机械工程、土木工程、车辆工程、航空航天、材料加工工程等领域中尤其突出。经过这些年的努力，我们也能看到一些成果。首先我国自主研发的CAD软件已经能够投入使用并且保持和国外产品的兼容，从这一步开始我们开始在制图方面开始了扎实的第一步，之后我国将在各行各业开始发力，并且与大学专业课程相互匹配，培养新一代国家的工程师。可以预计的是，到“2025计划”中的最后一年2025年，我国将成为世界上不仅体量最大也同时是技术水平世界领先的制造业强国。当然我们也要看到自己的不足。尽管有限元法在我国长足的进步，但仍需不断进行学术研究和商业开发，在强大自己的同时赶上西方发达国家。如图12所示为长春六耳有限元科技有限公司：汽车后桥结构刚度有限元分析图。
目 录
第一章 绪 论 1
1.1 课题背景与意义 1
1.2 有限元分析的概念和优点 1
1.3 有限元国内外发展状况 1
1.4 课题研究内容与目标 3
第二章 零件建模过程 4
2.1 UG NX软件的概述 4
2.2 零件图的分析 4
2.3 零件的建模 5
第三章 有限元分析仿真 8
3.1 HyperMesh软件的概述 8
3.2 基本假设 8
3.3 有限元分析模型建立 8
3.3.1 电机支架的网格划分 9
3.3.2 参数设置 10
3.3.3 边界条件 11
第四章 计算结果分析与优化 15
4.1 应力与变形分析 15
4.2 优化设计 17
第五章 总 结 19
致 谢 20
参考文献 21
第一章 绪 论
1.1 课题背景与意义
随着无人机和摄像机以及手机的大规模普及，人们迫切的需要一些机械产品来进行使用的配套，而云台成为了一个重要的机械装置。人们能够使用云台承载这些拍摄设备，使得这些设备能够为人类完成更多的工作。而云台中最重要的机械零件就是云台轴，它是整个装置中受力最大，并且也是完成机械运动的重要部件，没了它云台就不能进行指定的工作。而轴承的重要性不言而喻，作为机械运动的最重要的部件，它承受了很大的载荷，而摄像头这些模组又 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
十分昂贵。所以我们对云台轴的设计要求不能马虎，所以对其结构设计和强度有意义进行分析和验证。
由于现代化产品的质量规格越来越复杂和严格，产品的功能也越来越复杂，特别是对于使用寿命和内部强度分析更是十分重要[1]。恰恰是这些数据我们无法使用一些传统的物理手段来测量，所以使用仿真分析便成为了机械设计的重要一环。使用有限元分析就是利用数学近似的方法来研究其真实的物理环境。有限元分析的意义就在于工程师们可以在研发过程中及时发现问题，使其结构更加的合理化，减少研发周期，能够提前预估风险，减少设计后期出现的缺陷[2]。有限元的分析精度更是传统物理测量所难以企及的，理论上只要计算机运算能力足够强大，就可以与物体的真实物理特性更加相似的分析结果。通过对于零件有限元分析的学习，能够提前学习到一下现代化设计所必要的设计手段，理解现代化设计的一些先进手段，便于走上社会不落后于他人。
1.2 有限元分析的概念以及优点
有限元分析，我们先顾名思义，就是对有限元的分析得到数据。有限元：就是一个个有大小限制的单元，它与物体本身并不完全一样，而是每一个单元假设的一个近似解，有限元越小，我们的分析就越精确。使用偏微分方程其实并不能能到一个准确的解，只能得到一个近似的结果，所以只要划分的的单元越多越细致，我们就能得出越精确的结果，这就是为什么有限元分析运算精度高的主要原因[3]。由于有限元分析一般由计算机软件运算完成，所以我们无需手动建立和运算方程。
1.3 有限元国内外发展状况
有限元法自从创立以来，经过人们不断的发展和优化，他的用处得到了巨大的拓展[4]。随着计算机技术的发展，两者相辅相成。纵观国外这些年的发展趋势，不使用有限元进行分析的企业在逐渐被淘汰。有限元分析作为现代制造技术具备很多的优点。首当其冲的就是其精度越来越高，特别在航天科技的作用十分巨大。发展总是相互的，越来越多的CAD软件与之相互适配，使得机械设计的效率大大提高。甚至某些CAE软件能无缝和CAD软件进行数据交换，这也是有限元分析软件将来的一大趋势，技术最终会走向合作统一。
在国际上许多数学家和工程师的奋斗下，达索公司作为其中顶尖的软件商之一，发布了最新一代的版本的Abaqus 6.9，代表了当今国际上的最高水平。本次的技术升级使得制造企业加强了他们非线性和线性分析过程的能力[5]。国外的有限元技术发展基本取决于以下几点：首先，数学发展先行，软件开发紧随其后[6]；第二，扩大应用场合，增加使用人群，寻找系统技术的合作伙伴；第三，与实验室研究所共同开发，数学家与工程师携手合作；第四，使用现有的技术进行开发，争夺市场，在商业上获得足够的效益，加大投入继续研发，得到良性循环。这些经验对于发展较晚的我国来说，首先我们的研究方向不是一片空白的，可以运用国人善于学习的特性，摸着石头过河，先学习仿制，后研究超越，有助于自身技术的快速进步，其次充分发挥中国人口多市场大的特性，有了商业价值就会得到更多的关注，用市场换取国外的先进技术，争取共同开发。 如图11所示为发动机缸体有限元应力分析图。
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图11 发动机缸体有限元应力分析图
为了国际竞争的压力，我国迫切的需要机械行业高端研发技术，对此我国也做了很多的努力。我国决定在“九五”计划期间国投入力量全力推行发展CAD/CAE技术，有了政府政策的支持加上了国家资本的投入，大部分现代机械制造业企业CAD的已经基本普及，现在许多大学校企结合已经增加了相关的专业课程[7]。由于CAD应用在机械制造行业中普及，机械分析师和生产企业的工程技术人员已从图板制图到软件制图，进行现代化的设计，不仅可以提高工程也能稳定产品质量，计算机辅助工程分析（CAE，Computer Aided Engineering）方法和软件将成为关键的技术要素[8]。根据国家公布的数据信息来分析，在产品的研发和设计阶段，百分之七十以上的制造业企业均都已采用有限元分析法来进行产品的质量控制，尤其在机械工程、土木工程、车辆工程、航空航天、材料加工工程等领域中尤其突出。经过这些年的努力，我们也能看到一些成果。首先我国自主研发的CAD软件已经能够投入使用并且保持和国外产品的兼容，从这一步开始我们开始在制图方面开始了扎实的第一步，之后我国将在各行各业开始发力，并且与大学专业课程相互匹配，培养新一代国家的工程师。可以预计的是，到“2025计划”中的最后一年2025年，我国将成为世界上不仅体量最大也同时是技术水平世界领先的制造业强国。当然我们也要看到自己的不足。尽管有限元法在我国长足的进步，但仍需不断进行学术研究和商业开发，在强大自己的同时赶上西方发达国家。如图12所示为长春六耳有限元科技有限公司：汽车后桥结构刚度有限元分析图。
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