Pro/MECHANICA與ANSYS在裝配體結構分析中的比較

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

關鍵字:ANSYS proeNGINEER 結構分析

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在裝配體結構分析中比ANSYS更簡便高效。

ANSYS是融結構、熱、流體、電磁及聲學于一體的大型CAE通用有限元分析軟件,該軟件是當前結構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,它可以實現和proeNGINEER的無縫集成,即完全實現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(結構分析)、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 模塊對它們進行結構分析,并對分析結果進行比較。

一、簡單裝配體的結構分析

簡單裝配體是指組成裝配體的零件形狀比較簡單,且零件個數較少。

以常見的軸、鍵、轉輪的裝配體為例。轉輪與鍵是過盈配合裝配。在軸上施加約束,并在轉輪上施加載荷,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入。若利用proeNGINEER建模,可以有兩種方法導入: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”將數據文件導入。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系,形成組件。

(2)單擊proeNGINEER界面的“ANSYS 8.0”→“ANSYS Geom”。在窗口下方出現提示“Begin transfer of proe geometry to ANSYS”,并顯示轉換進程。轉換結束后,進入ANSYS界面。

(3)定義單元類型、實常數、材料屬性、網格尺寸,劃分網格。

(4)添加DOF約束、設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,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 形式顯示等效應力值,如圖2所示。

圖2 ANSYS得到的等效應力云圖

利用ANSYS的縮放工具將應力云圖放大,發現在零件的裝配接觸面應力云圖斷裂,且零件分開。實際上,它們已經裝配為一體,裝配接觸面應力應是連續的。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力云圖。

圖3 布爾運算后ANSYS得到的等效應力云圖

由圖可知,最大應力值為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環境界面下工作,可以直接利用proeNGINEER模型進行網格劃分工作。后者在Pro/MECHANICA界面下工作,有限元模型可以由Pro/MECHANICA直接創建,也可以從其他CAD系統中輸入幾何模型數據。

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系,形成組件。

(3)在proeNGINEER主菜單上選擇“Applications”→“Mechanica”,單擊“Continue”,使系統進入“Pro/MECHANICA”環境,然后在MECHANICA菜單管理器中選擇“Structure”,系統進入結構分析主界面。

(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。為避免應力集中,外載荷和約束不要加在單點上,應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,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,可以發現有這樣一段話:

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

這表示,雖然網格沒有被顯示,但Pro/MECHANICA軟件內部已經自動劃分了網格。除了自動劃分網格外,也可以對網格進行人為控制,不過一般情況下自動劃分的網格精度已經能很好地滿足要求。

(6)點擊“Analys”→“Results…”顯示計算結果,仍然選取“Stress”→“von Mises”,得到等效應力云圖,如圖4所示。

圖4 Pro/MECHANICA得到的等效應力云圖

最大值是1.113E+6,與圖3的結果1.02E+6很接近,相差8.356%。

3.比較結果

通過上面的比較,我們可以發現在進行簡單裝配體機構分析時,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 ,因此在輸入數據時要特別小心,一定要采用封閉的整套單位,否則會帶來結果錯誤;(2)載荷更改不方便;(3)重力加載與習慣方向不同;(4)若要得到較好結果,需對網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、復雜裝配體的結構分析

復雜裝配體指裝配體的零件形狀復雜或零件個數較多。

下面以SGA3550礦用汽車整車滿載靜止于水平路面時,驅動橋橋殼和A形架的裝配體應力分析為例,比較ANSYS和Pro/MECHANICA在分析復雜裝配體結構時的不同。

1.利用ANSYS軟件對復雜裝配體進行分析

用proeNGINEER建好模型后,如果不做任何簡化,向ANSYS導入時,系統會提示模型有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,模型又過于復雜致使導入失敗。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。在模型導入成功后,也會出現因ANSYS無法對模型的一些特征進行網格劃分,網格劃分失敗的現象,使后續工作無法進行下去,因此,只能對模型再次簡化(在多數情況下,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,計算結果精度不是很理想。

2.利用Pro/MECHANICA模塊對復雜裝配體進行分析

無需對模型做任何簡化處理,也無需人為劃分網格(自動劃分的網格精度較高),只需要按照2.2的分析步驟,設置約束和載荷即可,載荷的大小可以由力學方程計算得到。

最后得到的應力云圖,如圖5所示。

圖5 驅動橋殼與A形架裝配體等效應力云圖

如圖5所示,最大應力值為6.672E+7Pa。

用同樣的步驟,可以對驅動橋殼和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)的應力狀態進行分析,從而找到危險點,對結構進行改進設計。

3.比較結果

可見對于復雜裝配體,若利用ANSYS軟件,需要進行大量的簡化工作,且要得到理想的結果還需要人為控制網格劃分。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果。

三、結論

通過上面的應用比較,我們可以發現:

1.ANSYS無法直接建立裝配體模型,需由其他造型軟件導入,導入后要對裝配體進行布爾運算,否則ANSYS將認為零件是未經裝配的。

2.對形狀簡單的裝配體進行結構分析,ANSYS與Pro/MECHANICA都能得到較理想的結果。