Pro/MECHANICA與ANSYS在裝配體結(jié)構(gòu)分析中的比較

2013-06-22 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

關(guān)鍵字:ANSYS proeNGINEER 結(jié)構(gòu)分析

首先以一個(gè)形狀簡(jiǎn)單且受簡(jiǎn)單約束和外力的裝配體為例,分別利用ANSYS和Pro/MECHANICA進(jìn)行分析,從而說明Pro/MECHANICA在裝配體結(jié)構(gòu)分析中比ANSYS更簡(jiǎn)便高效。

ANSYS是融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁及聲學(xué)于一體的大型CAE通用有限元分析軟件,該軟件是當(dāng)前結(jié)構(gòu)分析中使用最為頻繁的軟件。

proeNGINEER Wildfire是美國(guó)PTC公司推出的一整套CAD/CAM/CAE集成解決方案,它主要包括proeNGINEER和Pro/MECHANICA。proeNGINEER是當(dāng)今世界上擁有用戶最多的三維CAD軟件,而Pro/MECHANICA是強(qiáng)大的有限元軟件,它可以實(shí)現(xiàn)和proeNGINEER的無縫集成,即完全實(shí)現(xiàn)幾何建模和有限元分析的集成。其主要模塊可以分為Pro/MECHANICA STRUCTURE(結(jié)構(gòu)分析)、Pro/MECHANICA THERNAL(溫度分析)和Pro/MECHANICA MOTION(運(yùn)動(dòng)分析)。

本文以兩個(gè)裝配體為例,分別使用ANSYS和proeNGINEER的Pro/MECHANICA 模塊對(duì)它們進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,并對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行比較。

一、簡(jiǎn)單裝配體的結(jié)構(gòu)分析

簡(jiǎn)單裝配體是指組成裝配體的零件形狀比較簡(jiǎn)單,且零件個(gè)數(shù)較少。

以常見的軸、鍵、轉(zhuǎn)輪的裝配體為例。轉(zhuǎn)輪與鍵是過盈配合裝配。在軸上施加約束,并在轉(zhuǎn)輪上施加載荷,如圖1所示。

圖1 簡(jiǎn)單裝配體及其約束和受力

1.利用ANSYS軟件進(jìn)行分析

對(duì)單一零件,可以利用ANSYS自身的建模工具,建立實(shí)體模型或有限元模型,但ANSYS不能直接建立裝配體模型,只能在其他三維造型軟件中建好后導(dǎo)入。若利用proeNGINEER建模,可以有兩種方法導(dǎo)入:第一種是將裝配體另存為后綴為IGES的文件,打開ANSYS,點(diǎn)擊“File”→“Import”→“IGES”將數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入。第二種是利用proeNGINEER與ANSYS 的接口,由proeNGINEER直接進(jìn)入ANSYS界面。

本文是將proeNGINEER Wildfire 2.0與ANSYS 8.0連接,將裝配體導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行分析。具體步驟如下。

(1)在proeNGINEER建立三個(gè)零件的零件圖,并利用Mate(匹配)。Align(對(duì)齊)等指定零件間的裝配關(guān)系,形成組件。

(2)單擊proeNGINEER界面的“ANSYS 8.0”→“ANSYS Geom”。在窗口下方出現(xiàn)提示“Begin transfer of proe geometry to ANSYS”,并顯示轉(zhuǎn)換進(jìn)程。轉(zhuǎn)換結(jié)束后,進(jìn)入ANSYS界面。

(3)定義單元類型、實(shí)常數(shù)、材料屬性、網(wǎng)格尺寸,劃分網(wǎng)格。

(4)添加DOF約束、設(shè)置集中載荷和重力載荷。這里值得注意的是:ANSYS的重力載荷依靠ACEL命令來實(shí)現(xiàn),該命令會(huì)對(duì)物體施加一加速度場(chǎng)(非重力場(chǎng)),因此若要施加負(fù)y方向的重力,應(yīng)指定一個(gè)正y方向的加速度;ANSYS只顯示施加的約束和外載荷,不顯示重力。

(5)單擊“Solution”→“Solve”→“Current LS”進(jìn)行求解。

(6)顯示結(jié)果,可以依次單擊“General Postproc”→“Plot Results”→“Contour Plot”→“Nodal Solu”來進(jìn)行。然后選擇“Stress”和“Von Mises SEQV”,以Def + undeformed 形式顯示等效應(yīng)力值,如圖2所示。

圖2 ANSYS得到的等效應(yīng)力云圖

利用ANSYS的縮放工具將應(yīng)力云圖放大,發(fā)現(xiàn)在零件的裝配接觸面應(yīng)力云圖斷裂,且零件分開。實(shí)際上,它們已經(jīng)裝配為一體,裝配接觸面應(yīng)力應(yīng)是連續(xù)的。這說明ANSYS對(duì)裝配體不能識(shí)別,認(rèn)為裝配后的零件是互不影響,互相獨(dú)立的。

(7)解決辦法:在上面的步驟2完成后,首先用布爾運(yùn)算的VADD命令將三個(gè)體加到一起,成為一個(gè)體,然后可以用NUMCMP命令壓縮實(shí)體編號(hào),再進(jìn)行后面的操作。圖3所示是布爾運(yùn)算后的裝配體等效應(yīng)力云圖。

圖3 布爾運(yùn)算后ANSYS得到的等效應(yīng)力云圖

由圖可知,最大應(yīng)力值為1.02E+6。

2.利用Pro/MECHANICA模塊進(jìn)行分析

Pro/MECHANICA有兩種工作模式:集成模式和獨(dú)立模式。前者在proeNGINEER環(huán)境界面下工作,可以直接利用proeNGINEER模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分工作。后者在Pro/MECHANICA界面下工作,有限元模型可以由Pro/MECHANICA直接創(chuàng)建,也可以從其他CAD系統(tǒng)中輸入幾何模型數(shù)據(jù)。

本文采取集成模式。具體分析步驟如下。

(1)安裝好proeNGINEER與Pro/MECHANICA后,進(jìn)行一定的連接操作,完成兩者的匹配,使Pro/MECHANICA以集成模式工作。

(2)在proeNGINEER下建立三個(gè)零件的零件圖,指定零件間的裝配關(guān)系,形成組件。

(3)在proeNGINEER主菜單上選擇“Applications”→“Mechanica”,單擊“Continue”,使系統(tǒng)進(jìn)入“Pro/MECHANICA”環(huán)境,然后在MECHANICA菜單管理器中選擇“Structure”,系統(tǒng)進(jìn)入結(jié)構(gòu)分析主界面。

(4)定義材料屬性(可以在材料庫(kù)中直接選擇“STEEL”)、約束和載荷。其中重力載荷就是習(xí)慣的方向,即若施加負(fù)y方向的重力,即指定負(fù)y方向的加速度。為避免應(yīng)力集中,外載荷和約束不要加在單點(diǎn)上,應(yīng)將它平均分配到整條邊或整個(gè)面上。

(5)單擊“Analyses”→“Mechanic Analyses/Studies…”彈出“Analyses and Design Studies”對(duì)話框,建立新的分析任務(wù),進(jìn)行有限元計(jì)算。

值得注意的是,我們并沒有人為地進(jìn)行劃分網(wǎng)格的操作,但若在“Analyses and Design Studies”對(duì)話框點(diǎn)擊“Info”→“Status”進(jìn)行查看,可以發(fā)現(xiàn)有這樣一段話:

...Checking the model before creating elements...These checks take into account the fact that AutoGEM will automatically create elements…

這表示,雖然網(wǎng)格沒有被顯示,但Pro/MECHANICA軟件內(nèi)部已經(jīng)自動(dòng)劃分了網(wǎng)格。除了自動(dòng)劃分網(wǎng)格外,也可以對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行人為控制,不過一般情況下自動(dòng)劃分的網(wǎng)格精度已經(jīng)能很好地滿足要求。

(6)點(diǎn)擊“Analys”→“Results…”顯示計(jì)算結(jié)果,仍然選取“Stress”→“von Mises”,得到等效應(yīng)力云圖,如圖4所示。

圖4 Pro/MECHANICA得到的等效應(yīng)力云圖

最大值是1.113E+6,與圖3的結(jié)果1.02E+6很接近,相差8.356%。

3.比較結(jié)果

通過上面的比較,我們可以發(fā)現(xiàn)在進(jìn)行簡(jiǎn)單裝配體機(jī)構(gòu)分析時(shí),ANSYS有以下不足:(1)沒有單位提示,即若輸入長(zhǎng)度100它不識(shí)別是100 還是100 ,因此在輸入數(shù)據(jù)時(shí)要特別小心,一定要采用封閉的整套單位,否則會(huì)帶來結(jié)果錯(cuò)誤;(2)載荷更改不方便;(3)重力加載與習(xí)慣方向不同;(4)若要得到較好結(jié)果,需對(duì)網(wǎng)格尺寸進(jìn)行人為控制;(5)裝配體不識(shí)別,必須用布爾運(yùn)算對(duì)裝配體操作后,才可以計(jì)算。

與此相比,Pro/MECHANIC有單位提示,并且在在窗口直接顯示約束和載荷名稱,更改時(shí)只需選中名稱,選擇相應(yīng)的Edit definition或其他操作即可,而且可以不用人為控制,就能得到較好的網(wǎng)格劃分,另外在零件裝配后,無需任何操作即可直接分析。

二、復(fù)雜裝配體的結(jié)構(gòu)分析

復(fù)雜裝配體指裝配體的零件形狀復(fù)雜或零件個(gè)數(shù)較多。

下面以SGA3550礦用汽車整車滿載靜止于水平路面時(shí),驅(qū)動(dòng)橋橋殼和A形架的裝配體應(yīng)力分析為例,比較ANSYS和Pro/MECHANICA在分析復(fù)雜裝配體結(jié)構(gòu)時(shí)的不同。

1.利用ANSYS軟件對(duì)復(fù)雜裝配體進(jìn)行分析

用proeNGINEER建好模型后,如果不做任何簡(jiǎn)化,向ANSYS導(dǎo)入時(shí),系統(tǒng)會(huì)提示模型有1000多個(gè)面,這是因?yàn)锳NSYS軟件對(duì)造型軟件的一些處理方法無法識(shí)別,模型又過于復(fù)雜致使導(dǎo)入失敗。因此必須對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化,例如刪除倒角及非承載部分等,這一過程需要大量反復(fù)的修改嘗試,同時(shí)也是目前對(duì)橋殼分析時(shí)常采用的方法。在模型導(dǎo)入成功后,也會(huì)出現(xiàn)因ANSYS無法對(duì)模型的一些特征進(jìn)行網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格劃分失敗的現(xiàn)象,使后續(xù)工作無法進(jìn)行下去,因此,只能對(duì)模型再次簡(jiǎn)化(在多數(shù)情況下,模型的簡(jiǎn)化工作將占總工作量的50%以上)。顯然,這種反復(fù)修改工作量大,效率低。而且最后簡(jiǎn)化的模型與原模型相差比較大,計(jì)算結(jié)果精度不是很理想。

2.利用Pro/MECHANICA模塊對(duì)復(fù)雜裝配體進(jìn)行分析

無需對(duì)模型做任何簡(jiǎn)化處理,也無需人為劃分網(wǎng)格(自動(dòng)劃分的網(wǎng)格精度較高),只需要按照2.2的分析步驟,設(shè)置約束和載荷即可,載荷的大小可以由力學(xué)方程計(jì)算得到。

最后得到的應(yīng)力云圖,如圖5所示。

圖5 驅(qū)動(dòng)橋殼與A形架裝配體等效應(yīng)力云圖

如圖5所示,最大應(yīng)力值為6.672E+7Pa。

用同樣的步驟,可以對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼和A形架的裝配體在其他典型受力工況下(例如最大牽引力、最大測(cè)向力等)的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析,從而找到危險(xiǎn)點(diǎn),對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

3.比較結(jié)果

可見對(duì)于復(fù)雜裝配體,若利用ANSYS軟件,需要進(jìn)行大量的簡(jiǎn)化工作,且要得到理想的結(jié)果還需要人為控制網(wǎng)格劃分。而利用proeNGINEER軟件的Pro/MECHANICA模塊,則無需對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化,而且能很方便地得到較好的結(jié)果。

三、結(jié)論

通過上面的應(yīng)用比較,我們可以發(fā)現(xiàn):

1.ANSYS無法直接建立裝配體模型,需由其他造型軟件導(dǎo)入,導(dǎo)入后要對(duì)裝配體進(jìn)行布爾運(yùn)算,否則ANSYS將認(rèn)為零件是未經(jīng)裝配的。

2.對(duì)形狀簡(jiǎn)單的裝配體進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,ANSYS與Pro/MECHANICA都能得到較理想的結(jié)果。

3.對(duì)形狀復(fù)雜的裝配體進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,必須對(duì)模型進(jìn)行大量的簡(jiǎn)化和修補(bǔ)工作,才可以利用ANSYS作為分析工具,而Pro/MECHANICA則無需這些操作,它與proeNGINEER的無縫連接使其對(duì)復(fù)雜裝配體的分析比利用ANSYS更加簡(jiǎn)便快捷。

4.ANSYS在結(jié)構(gòu)非線性分析等方面具有明顯優(yōu)勢(shì),故在實(shí)際應(yīng)用中可以將Pro/MECHANICA與ANSYS結(jié)合起來,使兩者各自的優(yōu)勢(shì)得以充分發(fā)揮,從而得到更加理想的分析結(jié)果。

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