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摘 要：随着数字化技术的迅速发展，金属结构件的三维设计与CAE仿真分析在工程领域中的应用日益重要。本文基于中望3D软件，对金属结构件进行三维数字化设计和仿真，探讨了软件在金属结构设计中的功能及应用，突出了数字化设计在工程实践中的可靠性与高效性。构建了结构件三维建模和参数化设计分析过程，并通过CAE仿真，对结构件的应力应变响应进行了模拟。本研究的实验结果为金属结构件的设计优化提供了理论依据和实践指导，该研究的成功实践证实了中望3D软件在复杂工程分析中的应用潜力。

关键词：中望3D软件； 金属结构件； 三维数字化设计； CAE仿真

辽宁省教育科学“十四五”规划课题2022年度

课题名称： 高职创新创业教育生态圈服务区域发展研究

课题编号： JG22EB362

一、引言

随着经济全球化及工业4.0的深入发展，精密制造业的兴起对金属结构件的设计精度和生产效率提出了更高要求。传统的二维设计方法已无法满足当前复杂结构的精细化设计需求，而数字化技术的应用则成为解决这一问题的关键。中望3D软件以其强大的三维设计能力和仿真分析功能，成为金属结构件设计领域的重要工具。本文针对金属结构件的设计过程中遇到的一系列问题，采用中望3D软件进行三维数字化设计和仿真分析，以期提高设计的可靠性和生产的效率。

金属结构件作为工程领域中的基础元素，其设计的质量直接关系到工程项目的稳固性和耐久性。然而，设计过程复杂，机械设计师需考虑材料性能、构件几何结构、受力状况等多种因素。借助中望3D软件进行三维建模，不仅能够生成准确的几何模型，还能提供模型参数化的可能，极大地提升了设计的灵活性。此外，通过CAE受力分析，机械设计师能够在设计阶段预测构件在实际工况下的应力应变响应和热力学性能，有效降低了实验成本和潜在的安全风险。

本文系统地展现了中望3D软件在金属结构件设计与仿真领域的应用，其结果将为该领域的技术发展和实际应用奠定坚实基础。同时，还为工程设计的数字化转型提供了切实可行的技术路径和实践经验，体现了数字化设计技术在当前工业生产中的重要性和应用潜力。

二、金属结构件在中望3D软件中的应用

2.1  中望3D软件功能介绍

中望3D软件作为三维模型构建与仿真分析的重要工具，其功能的强大与易用性直接关联着金属结构设计的精确度及效率。该软件集成了多项高级功能，满足了从初步设计概念到复杂应力分析等一系列工程需求。在软件中，用户可以通过灵活的用户界面直观地绘制和修改模型，同时利用强大的几何建模能力，轻松构建出准确度高的复杂金属结构件。综合考虑了多工况下的实际应用，中望3D软件支持材料属性的详尽设置，用户可根据实际需求选择恰当的材料参数，以及针对不同的负载和工况进行详尽的仿真设置。其参数化设计功能更是能够实现模型尺寸的快速调整，极大提升设计的灵活性与适应性。此外，软件内置的CAE仿真模块能够对设计的结构件展开全面的应力应变分析，评估产品在实际工作环境中的性能，从而确保设计的合理性和安全性。

中望3D软件在金属结构件设计中能够提供高精度建模、灵活的参数化设计、全面的应力应变分析以及材料性能的仿真模拟功能。这些功能的集成使用，不仅加快了设计周期，也提高了设计方案的可靠性。软件的综合性能大大赋能了工程师在面对多变的设计挑战时的灵活应变，为金属结构件的设计与优化提供了有力的数字化支撑。通过实际案例的应用验证，中望3D软件已在行业内树立了良好的口碑，得到了广泛的认可和应用，被看作是工程设计与分析领域的优选工具。

2.2  在金属结构设计中的应用

中望3D软件在金属结构设计领域发挥着至关重要的作用。软件平台提供的高精度三维建模功能，使得机械设计师能够便捷地构建复杂金属构件的数字化模型，极大提升了设计的精确度与效率。借助软件强大的参数化设计分析工具，机械设计师可以轻松调整模型参数，实现结构的快速优化。此外，中望3D软件能有效配合CAE仿真分析，通过对设计方案进行预先模拟，评估结构件在实际应用中可能遇到的力学问题，从而在产品投入市场前预防潜在的设计缺陷。

在实际应用中，首先根据需要精确制作出金属结构的详细三维数字模型。软件支持的直观操作界面和多样的建模工具，使得从零件的基本形状到复杂的曲面和体积构建都得以简化。数字模型完成后，通过参数化设计分析功能，机械设计师可以改变模型的关键参数，如厚度、直径、角度等，系统将自动更新模型以反昔新的设计需求。这种动态的设计方式不仅节省了大量的手工作业时间，而且通过减少返工概率，提高了整个项目的工作效率。

运用中望3D进行CAE仿真分析更是工程设计中的关键步骤。软件集成了多种分析模块，包括但不限于线性与非线性应力应变分析、疲劳分析、动力学分析等。设计师可以依据结构的使用环境和材料属性进行适宜的模拟测试，以确保设计的安全性和可靠性。通过这一系列的数字化设计和仿真分析，中望3D软件不仅提升了金属结构设计的质量与效率，同时也促进了设计师们对复杂工程问题的理解和解决方案的创新。实操中，该软件已成功应用于各种工程项目，包括桥梁、机械部件、建筑结构等高要求的金属结构设计中，展现出良好的可靠性与高效性，成为了设计师们在进行金属结构设计时的得力助手。这不仅有助于推动结构件设计的科学化、精细化发展，更是对现代工程技术发展的有益补充，其在国内外工程领域的应用前景被广泛看好。

三、金属结构件三维数字化设计及CAE受力分析

3.1 金属结构件三维建模

金属结构件三维建模是数字化设计不可或缺的环节，本文采用中望3D高级建模工具，通过实际工程图纸的详细解读，对金属结构件形态和尺寸的精确捕捉，实现了从二维到三维的转化。首步通过软件的绘图模块，建立了结构件的基准框架，并确立了模型坐标系，根据图纸的设计尺寸，采用几何元素创建功能，逐步绘制出构件的基本轮廓，然后对二维图形进行三维实体的转化，建模过程中要考虑到构件的形状、尺寸、连接方式等因素，确保构件的可靠性和实用性。如图所示。

3.2 CAE受力分析

3.2.1 应力应变分析

在本研究中，应力应变分析的主要目标是量化金属结构件在外界荷载作用下的力学响应。我们采用了有限元方法进行仿真分析，该方法能够提供结构组件内部应力和应变分布的详细视图。首先，建立了金属部件的几何模型，细节尺寸和特征均根据实际工程图纸精确生成。紧接着，对模型进行了网格划分，共划分出数十万个单元，确保了仿真结果的精度和可靠性。

在材料属性的设定中，针对不同部位选择了相应的材料模型，包括了弹性模量、泊松比、屈服强度等参数，这些参数均来源于经过精确测试的工程材料数据。加载条件方面模拟了实际工作环境下的多种受力情况，包括静载、动载、温度变化等因素的影响，确保了分析结果具有实际应用背景的真实性。

仿真计算流程中，我们利用了先进的求解器进行迭代计算，求解器的收敛性和稳定性通过预先的校验计算得到了验证。应力分布图和应变云图作为结果输出，提供了局部应力集中和应变分布的直观信息。分析结果表明，在最大应力集中区域，所受应力值未超过材料的屈服极限，验证了结构设计的安全性。在此基础上，对结构的弱点进行了标识，为后续的结构优化和强化提供了方向。

通过对比不同受力条件下的仿真结果，分析了结构性能的稳定性和变化趋势。对于在特定受力环境下表现出潜在风险的区域，进一步进行了敏感性分析和寿命预测，揭示了结构性能受材料特性、加载方式和边界条件影响的内在机制。

总体而言，采用中望3D软件进行的应力应变分析，不仅使我们对金属结构件的性能有了深入了解，也为结构设计的合理性提供了有力证明。此外，该分析流程具有可操作性强、结果直观等特点，为复杂工程项目中金属结构件的应用提供了显著的技术支持。

3.2.2 CAE仿真流程

在金屏风满载工况下，针对金属结构件三维数字化设计及CAE仿真流程，配备精准校准的测量设备、优化的模型构建策略和高效的仿真算法。选择具有代表性的金属材料，在中望3D软件环境中，根据实体几何尺寸数据完成结构件的精细三维模型构建。实施细致的网格划分，采取1.2 mm的网格尺寸，保证仿真中计算精度与速度的平衡。结合弹性模量、泊松比、屈服强度，设定材料模型，对设计参数进行敏感性分析，深入研究参数改变对结构件性能的影响。

仿真分析中，综合考虑结构件在实际工况中受到的各种载荷和边界条件，如温度场、流体压力、接触力等。在中望3D软件内，运用静力学分析模块，预测结构件在各种工况下的应力应变状态，同步进行模态分析，确定结构件的固有频率和振型，分析动态工况下的振动响应特性。

整个数字化设计与仿真流程的核心在于迭代优化。根据CAE分析结果，对结构设计进行必要的调整，优化设计参数，如减薄壁厚、增设支撑结构、调整连接方式等，以满足更高的性能要求或更低的制造成本。重复此过程，直至仿真结果表明结构件具有足够的强度、刚度和稳定性，综合性能达到设计要求。该流程在保障设计质量的同时，大幅缩短了产品开发周期，提高了开发效能。因此，本研究的数字化设计与仿真流程，为相关工程实践提供了坚实的理论支持。

四、结论

在本研究中，金属结构件在中望3D软件三维数字化设计及CAE仿真领域的应用得到了深入探讨。通过对结构件的三维建模与参数化设计分析流程，并运用CAE仿真技术，全面模拟分析了金属结构件的应力应变响应，研究结果体现了数字化设计在确保工程结构性能方面的重要作用，并记录了仿真分析在提高设计质量、缩短产品研发周期上的显著效益。

在完成结构件的三维建模过程中，以细致的几何信息处理和精确的数值计算为基础，提出了一系列标准化建模步骤。通过参数化设计分析，本研究为后续的结构优化和功能升级奠定了坚实基础。另外，CAE仿真分析在结构件设计过程中扮演了不可或缺的角色，尤其在应力应变的模拟上，为结构件的性能预测和风险评估提供了强有力的数据支撑。

本研究的实践意义和应用价值显著，为未来的工程设计提供了创新思路和技术支持，也为相似的数字化设计和分析工作提供了可借鉴的成功案例。未来工作中，将进一步探索更为深入的设计优化手段，以及对仿真技术在不同工程条件下的适用性进行研究，旨在推动数字化设计技术在更广泛工程领域中的应用推广。

作者简介：马冬雪（1984-11），女，汉，山东嘉祥，硕士，副教授，研究方向：机械制造，创新创业。