將運動模擬與FEA結合使用

2013-06-09 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

今天,由于機械產(chǎn)品日漸復雜,不斷加劇的競爭加快了新設計方案投入市場的速度,工程師們越來越迫切地感到必須使模擬超出FEA的局限范圍。除了使用FEA模擬結構性能外,工程師還需要在構建物理原型之前確定新產(chǎn)品的運動學和動力學性能。

作者: COSMOS 來源: COSMOS
關鍵字: 運動模擬 FEA 機構分析動力學性能

將運動模擬與FEA結合使用

要想懂得運動模擬和FEA在機構模擬中如何結合使用,了解每種工具的基本假設會對您有所幫助。

FEA是一種用于結構分析的數(shù)字技術,已經(jīng)成為研究結構的主導CAE方法。它可以分析任何固定支撐的彈性物體的行為,如圖13中所示的托架。此處彈性是指物體可變形。如果應用靜態(tài)載荷,拖架會變成新的變形形狀,之后將不再變化。如果應用動態(tài)載荷,拖架會圍繞平衡位置振動。FEA可以研究應用靜態(tài)或動態(tài)載荷情況下拖架的位移、應變、應力和振動。

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圖13固定支撐的拖架只能變形,不能移動。

相反,局部支撐的物體,如拖架上鉸接的調(diào)速輪(圖14),可以旋轉(zhuǎn)而無須變形。調(diào)速輪可像剛性實體那樣移動,因而該設備屬于機構,而非結構。我們將使用運動模擬來研究調(diào)速輪的運動。如果將調(diào)速輪視為剛性實體,則無法計算應變和應力(詳細信息請參閱附錄1)。

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圖14調(diào)速輪作為剛性實體圍繞將其連接到基體的鉸鏈旋轉(zhuǎn)(上圖)。由于存在剛性實體運動(下圖),因此將此設備歸類為機構。

乍一看,結構與機構之間的差異可能并不太明顯,如圖15所示的兩個設備。它們都有兩個通過鉸鏈連接到不可移動基體的擺動桿。右邊的設備使用彈簧將擺動桿與基體連接到了一起。沒有彈簧的設備屬于機構,因為其擺動桿不能自由旋轉(zhuǎn)。不論是圍繞鉸鏈旋轉(zhuǎn)還是圍繞平衡位置來回擺動,在擺動桿移動過程中,此設備的任何零件都無須變形。擺動桿顯示的是剛性實體運動,因此將左邊的設備歸類為機構。設計人員可以使用運動模擬來研究其運動。

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圖15左邊的擺動桿可進行移動,而不會發(fā)生變形,因而屬于機構。右邊的擺動桿在進行任何移動時都會使彈簧變形,因而屬于結構。

添加彈簧會更改設備的性質(zhì),這是因為添加彈簧后擺動桿就不能在彈簧不發(fā)生變形的情況下進行移動了。擺動桿連續(xù)運動的唯一一種可能形式是圍繞平衡位置來回擺動。擺動桿運動時會產(chǎn)生彈簧變形,因此右邊的設備應歸類為結構。FEA可以分析擺動桿振動,并且如有必要,還可以計算彈簧和其他視為彈性實體的零部件的應變和應力(請參閱附錄2以了解有關運動模擬和FEA之間差異的更多信息)。

在完成運動模擬研究后,如果設計工程師想對任一機構零部件執(zhí)行變形和/或應力分析,則需要將所選零部件提供給FEA來進行結構分析。

運動模擬結果可提供輸入數(shù)據(jù),包括作用于每個機構連桿的接點反作用力和慣性力,這需要使用FEA進行結構分析。不論接下來是否使用FEA,運動模擬肯定都會計算這些系數(shù)。按定義來說,接點反作用力和慣性力保持平衡;在一對平衡力作用下的機構零部件可提交給FEA,而分析程序會將其作為結構進行處理。

盡管工程師可以手動將數(shù)據(jù)從運動模擬傳輸?shù)紽EA,但是如果運動模擬軟件可以將結果自動導出到FEA,則可確保得到最佳結果。以此方式使用時,運動模擬和FEA可以進行所謂的“耦合的”模擬。這樣,就可以自動定義FEA載荷,從而可以避免手動設置中常見的猜測和可能發(fā)生的錯誤。

圖16中所示的曲柄機構問題示例演示了耦合模擬。在該示例中,設計工程師要計算連桿中的最大應力。

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