基于catia的多功能拐杖釣魚凳建模及分析

趙廣偉　劉剛　王曉娟

摘 要：設想將拐杖與釣魚凳結合起來，有效改變老年人釣魚時需要手拄拐杖且額外再拎釣魚凳的不方便現狀。利用CATIA軟件進行三維建模，并利用有限元模塊對釣魚凳支腳進行強度分析，證明了其牢固性。

關鍵詞：釣魚凳 拐杖 catia 三維建模 有限元

中圖分類號：TS976 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）05（b）-0008-02

Abstract：Crutch and fishing stool were combined，which changed the trouble condition of elderly people went wild fishing.Designed the three-dimensional model of multifunctional crutch stool for angling in CATIA，and executed static analysis for the legs of fishing stool by finite element model，which proved its stable performance.

Key words：fishing stool；crutch；catia；3D-modeling；finite element

隨著生活水平的日益提高，野外垂釣走進了老年人們的日常生活，部分老年人需要拄拐杖來應付野外崎嶇不平的路。現如今，市場上的釣魚椅均比較高檔、龐大，不適合老年人攜帶，而釣魚凳雖然小巧，卻也要騰出手去拎，再加上拐杖、漁具的重量，這種負擔大大降低了老年人外出釣魚的便捷性。為了減輕負擔，設計將拐杖和可折疊的釣魚凳連接在一起，如圖1所示，以螺紋連接固定，平常可當拐杖使用，釣魚時將其拆卸及成為釣魚凳，如圖2所示。另外，在拐杖把手處加入電筒來提供夜晚時的光源，考慮到老年人愛聽廣播，所以在拐杖把手處加入收音機來豐富釣魚的等待時間。當然，該多功能釣魚凳也不局限于只在釣魚時使用，日常生活中也可使用。

1 結構模型

該多功能拐杖釣魚凳上半部分的設計與普通拐杖無異，在添加了光源和收音機等輔助配件的基礎上，將該部分的下端打上內螺紋，作連接用，如圖3所示。下半部分，即可折疊釣魚凳，將其三個支腳的上端均設計成一個120°的扇形，三者組合在一起恰好成為一個圓，并在其圓弧側面打上外螺紋，以便與上半部分連接固定[1]，如圖4所示。因為釣魚凳要承受一個人體的重量，它的支腳不能過細，否則會發生折斷，而當其折疊起來時又要與拐杖的上半部分相連接，為了減輕該拐杖整體的重量，上半部分不能太粗，所以該支腳的設計采取了如圖5所示的結構。三個支腳用如圖6所示的結構連接在一起[2]。

2 有限元分析

2.1 CATIA有限元分析介紹

CATIA是CAD/CAE/CAM集成軟件，其功能強大，只需要在要分析的機構上定義類似工程實際問題的載荷和約束，就可以快速地實現有限元分析[3]。

有限元分析總體上分為前處理部分、分析計算部分以及后處理部分。其過程為：建立零件或裝配模型并導入到分析模塊，然后指定材料、定義約束、定義載荷、自動劃分網格參數或適當調整，進行分析計算，分析結果數據，有時還需要進行后處理，以得到更加精確的結果[4-5]。

2.2 建立釣魚凳支腳的力學模型

因為該多功能拐杖釣魚凳主要在其展開成為釣魚凳時要承受大量的壓力載荷，發生彎曲、折斷等問題的可能性較高，所以對其進行有限元分析。建立正確的力學模型，是實現有限元分析的關鍵之一。為使問題簡單化，理想的認為每一個支腳的承受載荷是相同的，及各承受總載荷的1/3，所受載荷示意如圖7所示，并建立如下的力學平衡方程：

假設是一位體重75公斤的老年人，則P=250N。將數據帶入式1，解得Nx=257N，Ny=215N，Fx=-257N，Fy=35N。

2.3 建立有限元分析模型

材料選用較輕的7075-T561鋁合金，其楊氏模量為76GPa[6]，泊松比為0.33，密度為2.82×103kg/m3，屈服強度為503MPa，撓度容許值為L/250（L為跨度）[7]。將在CATIA軟件中建立的支腳三維模型導入到有限元分析模塊中，按照前面建立的力學模型為該支腳定義約束、載荷。網格劃分越精細，計算結果越精確，不過耗時也越長引用。這里先采取有限元處理工具自動劃分網格的方法，對結果進行分析后再作考慮。

2.4 有限元計算結果分析

通過有限元分析模塊的顯示功能分別顯示該模型的馮米斯應力圖、變形位移云圖，并進行分析。

2.4.1 應力

該釣魚凳支腳的馮米斯應力圖如圖8所示。由圖可知，最大應力達到了147Mpa，遠小于材料的屈服強度。在設計生產中，對材料進行表面強化，可以加強其性能。

2.4.2 變形

該釣魚凳支腳的變形位移云圖如圖9所示。由圖可知，變形主要發生在支腳的上下兩端，最大變形達到1.3mm，雖然超過了國家標準中允許的1mm范圍，但其屬于彈性變形，且變形后不影響正常使用。

3 結語

（1）設想將拐杖和釣魚凳有效的結合在了一起，解決了老年人外出釣魚的不方便問題，具有一定的推廣性。

（2）利用CATIA軟件進行三維建模，證明了其構造的可能性。

（3）對模型進行了有限元分析，在強度上滿足了設計要求，證明了該構思、設計的可行性。

參考文獻

[1] 濮良貴，陳國定，吳立言.機械設計[M].9版.北京：高等教育出版社，2013.

[2] 馬偉，雷賢卿，張海英.CATIA V5 R16曲面造型及逆向設計[M].北京：科學出版社，2009.

[3] 尤春風.CATIA V5高級應用[M].北京： 清華大學出版社，2006.

[4] 張洪武，關振群，李云鵬，等.有限元分析與CAE技術基礎[M].北京：清華大學出版社，2004：11.

[5] 張勇，張樹生，張開興.基于CATIA的減速器輸出軸有限元分析[J].機械與電子，2010（6）：11-13.

[6] 王海燕，劉琳，諶巖，等.高壓處理對7075鋁合金微觀力學性能的影響[J].高壓物理學報，2013，27（5）：768-772.

[7] 張其林，季俊，楊聯萍，等.《鋁合金結構設計規范》的若干重要概念和研究依據[J].建筑結構學報，2009（5）：1-12.