搜索Pro/MECHANICA與ANSYS在裝配體結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用比較
2013-05-07 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
首先以一個形狀簡單且受簡單約束和外力的裝配體為例,分別利用ANSYS和Pro/MECHANICA進行分析,從而說明Pro/MECHANICA在裝配體結(jié)構(gòu)分析中比ANSYS更簡便高效。
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,該軟件是當前結(jié)構(gòu)分析中使用最為頻繁的軟件。
proeNGINEER Wildfire是美國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是當今世界上擁有用戶最多的三維CAD軟件,而Pro/MECHANICA是強大的有限元軟件,它可以實現(xiàn)和proeNGINEER的無縫集成,即完全實現(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(運動分析)。
本文以兩個裝配體為例,分別使用ANSYS和proeNGINEER的Pro/MECHANICA 模塊對它們進行結(jié)構(gòu)分析,并對分析結(jié)果進行比較。
一、簡單裝配體的結(jié)構(gòu)分析
簡單裝配體是指組成裝配體的零件形狀比較簡單,且零件個數(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 簡單裝配體及其約束和受力
1.利用ANSYS軟件進行分析
對單一零件,可以利用ANSYS自身的建模工具,建立實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進行分析。具體步驟如下。
(1)在proeNGINEER建立三個零件的零件圖,并利用Mate(匹配)。Align(對齊)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)換進程。轉(zhuǎn)換結(jié)束后,進入ANSYS界面。
(3)定義單元類型、實常數(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命令來實現(xiàn),該命令會對物體施加一加速度場(非重力場),因此若要施加負y方向的重力,應(yīng)指定一個正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對裝配體不能識別,認為裝配后的零件是互不影響,互相獨立的。
(7)解決辦法:在上面的步驟2完成后,首先用布爾運算的VADD命令將三個體加到一起,成為一個體,然后可以用NUMCMP命令壓縮實體編號,再進行后面的操作。圖3所示是布爾運算后的裝配體等效應(yīng)力云圖。
圖3 布爾運算后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模塊進行分析
Pro/MECHANICA有兩種工作模式:集成模式和獨立模式。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)進入“Pro/MECHANICA”環(huán)境,然后在MECHANICA菜單管理器中選擇“Structure”,系統(tǒng)進入結(jié)構(gòu)分析主界面。
(4)定義材料屬性(可以在材料庫中直接選擇“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y方向的重力,即指定負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上,應(yīng)將它平均分配到整條邊或整個面上。
(5)單擊“Analyses”→“Mechanic Analyses/Studies…”彈出“Analyses and Design Studies”對話框,建立新的分析任務(wù),進行有限元計算。
值得注意的是,我們并沒有人為地進行劃分網(wǎng)格的操作,但若在“Analyses and Design Studies”對話框點擊“Info”→“Status”進行查看,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)自動劃分了網(wǎng)格。除了自動劃分網(wǎng)格外,也可以對網(wǎng)格進行人為控制,不過一般情況下自動劃分的網(wǎng)格精度已經(jīng)能很好地滿足要求。
(6)點擊“Analys”→“Results…”顯示計算結(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)在進行簡單裝配體機構(gòu)分析時,ANSYS有以下不足:(1)沒有單位提示,即若輸入長度100它不識別是100 還是100 ,因此在輸入數(shù)據(jù)時要特別小心,一定要采用封閉的整套單位,否則會帶來結(jié)果錯誤;(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,需對網(wǎng)格尺寸進行人為控制;(5)裝配體不識別,必須用布爾運算對裝配體操作后,才可以計算。
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)雜或零件個數(shù)較多。
下面以SGA3550礦用汽車整車滿載靜止于水平路面時,驅(qū)動橋橋殼和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)時的不同。
1.利用ANSYS軟件對復(fù)雜裝配體進行分析
用proeNGINEER建好模型后,如果不做任何簡化,向ANSYS導(dǎo)入時,系統(tǒng)會提示模型有1000多個面,這是因為ANSYS軟件對造型軟件的一些處理方法無法識別,模型又過于復(fù)雜致使導(dǎo)入失敗。因此必須對模型進行簡化,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,同時也是目前對橋殼分析時常采用的方法。在模型導(dǎo)入成功后,也會出現(xiàn)因ANSYS無法對模型的一些特征進行網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格劃分失敗的現(xiàn)象,使后續(xù)工作無法進行下去,因此,只能對模型再次簡化(在多數(shù)情況下,模型的簡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。而且最后簡化的模型與原模型相差比較大,計算結(jié)果精度不是很理想。
2.利用Pro/MECHANICA模塊對復(fù)雜裝配體進行分析
無需對模型做任何簡化處理,也無需人為劃分網(wǎng)格(自動劃分的網(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)方程計算得到。
最后得到的應(yīng)力云圖,如圖5所示。
圖5 驅(qū)動橋殼與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,可以對驅(qū)動橋殼和A形架的裝配體在其他典型受力工況下(例如最大牽引力、最大測向力等)的應(yīng)力狀態(tài)進行分析,從而找到危險點,對結(jié)構(gòu)進行改進設(shè)計。
3.比較結(jié)果
可見對于復(fù)雜裝配體,若利用ANSYS軟件,需要進行大量的簡化工作,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,則無需對模型進行簡化,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)入后要對裝配體進行布爾運算,否則ANSYS將認為零件是未經(jīng)裝配的。
2.對形狀簡單的裝配體進行結(jié)構(gòu)分析,ANSYS與Pro/MECHANICA都能得到較理想的結(jié)果。
3.對形狀復(fù)雜的裝配體進行結(jié)構(gòu)分析,必須對模型進行大量的簡化和修補工作,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的無縫連接使其對復(fù)雜裝配體的分析比利用ANSYS更加簡便快捷。
4.ANSYS在結(jié)構(gòu)非線性分析等方面具有明顯優(yōu)勢,故在實際應(yīng)用中可以將Pro/MECHANICA與ANSYS結(jié)合起來,使兩者各自的優(yōu)勢得以充分發(fā)揮,從而得到更加理想的分析結(jié)果。
相關(guān)標簽搜索：Pro/MECHANICA與ANSYS在裝配體結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用比較 Fluent、CFX流體分析 HFSS電磁分析 Ansys培訓(xùn) Abaqus培訓(xùn) Autoform培訓(xùn) 有限元培訓(xùn) Solidworks培訓(xùn) UG模具培訓(xùn) PROE培訓(xùn) 運動仿真
