一、引言
子母環又稱蝴蝶環，作為連接件，在礦山和煤礦機械中大量使用，零件的質量不僅關系企業生產的效益，更關系操作人員的人身安全，因此怎樣設計出既節省材料又能滿足強度要求的零件成為擺在我們面前的課題。
二、優化分析的必要性
如圖1所示，a圖為子母環的零件單體，b圖為子母環在工作狀態的裝配體，裝配時僅需要一支網柱銷就可以滿足裝配要求，結構簡單，易于操作。
圖1 子母環（蝴蝶環）
在滿足強度的條件下，怎樣才能做到使用最少材料，縮小零件尺寸，節約成本，成為機械設計人員所追求的目標。
增大零件的截面尺寸可以增加極限抗拉強度，在這個零件中，有很多尺寸不一樣的截面，增加哪個尺寸才能對增加極限抗拉強度有明顯的影響呢？在承受同樣的應力載荷下，增加子母環網環部位截面尺寸B和增加網環與連接軸之間的截面尺寸A，哪一個才更能節約材料呢？就像體積一樣的兩塊網柱鋼件，直徑大的比直徑小的更能承受壓應力，同樣體積的材料，設計尺寸不同就會呈現不同的承載能力。
在CAE出現以前，復雜結構和零件的強度設計都是根據經驗預估的，即使簡單的零件強度設計也需要大量的計算，即耗時又耗力，Pro/E/MECHANICA(有限元分析)模塊可以進行零件模型和裝配模型的結構分析和優化分析，具有的分析類型有靜態分析、模態分析、屈曲分析、接觸分析、、預緊分析、振動分析、溫度分析、運動分析。其強大的分析、優化功能可以幫助設計人員在短時間內得到最優的設計結果，從而減小繁雜的計算任務負擔。
三、優化分析步驟
1.建立實體模型
使用Pro/E強大的建模模塊可以迅速的得到零件的數學模型，造型尺寸的準確性直接決定了優化分析后尺寸的合理程度。針對當前零件，采用了拉伸、掃描、混合等常用的造型方法，在棱角部分適當添加網角來改善零件的受力情況。
2.進行零件裝配
進入Pro/E的組件模塊，對各個部件添加必要的約束進行裝配，裝配后的效果如圖1(b)所示。
3.定義模型
定義模型的材料物性，包括材料(20CRMnTi)、密度(7.8×103kg/m3)、彈性模量(207GPa)、泊松比(0.25)等，定義模型的載荷(32T)，屈服強度σs≥835(Mpa)，抗拉強度σb：≥1080(MPa)、約束。
4.建立靜態分析
靜態分析是在當前的尺寸條件下，根據預設載荷、強度條件，對零件進行應力應變分析，并以不同顏色顯示出來，它是后期敏感度設計和優化設計的基礎，只有先做這一步，后面的優化分析才能進行，Pro/E/MECHANICA模塊會根據當前靜態分析結果進行判斷，如果當前尺寸強度滿足要求，則進一步減小尺寸，反之則增大尺寸，達到滿足強度條件所需的最小尺寸效果。
5.建立優化分析
優化分析是在靜態分析的基礎上進行的，通過大量的數據循環套用，比較判斷，最終得到最優的數模尺寸，這一階段所需時間較長。
四、建立尺寸關系
為了限制優化分析后零件變形的隨意性，必須給零件各個截面尺寸增加關系式，讓尺寸在一定的條件和范圍內變化，這是草繪截面尺寸關系約束。
在混合操作中，各個草繪截面之間的距離必須隨零件截面尺寸的變化而變化，這就需要加入草繪截面距離和零件截面尺寸的關系約束，這是混合尺寸關系。
建立了尺寸關系，在優化分析后，得到的結果才能和實際情況更為接近。
五、確定優化尺寸
在所有的尺寸關系建立后，圖1中B、C、D三處的尺寸基本決定了零件的大體尺寸，B截面尺寸作為最重要尺寸控制了零件的主要強度指標，為第一優化尺寸，C和D截面尺寸控制零件在工作狀態下不發生大的變形甚至拉裂，為第二和第三優化尺寸。這三個尺寸確定后就確定了零件的外觀尺寸和用料量。
六、優化分析結果
1.靜態分析應力、位移分布如圖2、圖3所示。
圖2 應力分布
圖3 位移分布
2.優化分析結果
環直徑截面尺寸B=38mm，鎖扣C=42mm，鎖扣D=66mm。
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本文標題：子母環的優化設計
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