Pro/MECHANICA与ANSYS在装配体结构分析中的比较

2013-06-22 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线

关键字:ANSYS proeNGINEER 结构分析

首先以一个形状简单且受简单约束和外力的装配体为例,分别利用ANSYS和Pro/MECHANICA进行分析,从而说明Pro/MECHANICA在装配体结构分析中比ANSYS更简便高效。

ANSYS是融结构、热、流体、电磁及声学于一体的大型CAE通用有限元分析软件,该软件是当前结构分析中使用最为频繁的软件。

proeNGINEER Wildfire是美国PTC公司推出的一整套CAD/CAM/CAE集成解决方案,它主要包括proeNGINEER和Pro/MECHANICA。proeNGINEER是当今世界上拥有用户最多的三维CAD软件,而Pro/MECHANICA是强大的有限元软件,它可以实现和proeNGINEER的无缝集成,即完全实现几何建模和有限元分析的集成。其主要模块可以分为Pro/MECHANICA STRUCTURE(结构分析)、Pro/MECHANICA THERNAL(温度分析)和Pro/MECHANICA MOTION(运动分析)。

本文以两个装配体为例,分别使用ANSYS和proeNGINEER的Pro/MECHANICA 模块对它们进行结构分析,并对分析结果进行比较。

一、简单装配体的结构分析

简单装配体是指组成装配体的零件形状比较简单,且零件个数较少。

以常见的轴、键、转轮的装配体为例。转轮与键是过盈配合装配。在轴上施加约束,并在转轮上施加载荷,如图1所示。

图1 简单装配体及其约束和受力

1.利用ANSYS软件进行分析

对单一零件,可以利用ANSYS自身的建模工具,建立实体模型或有限元模型,但ANSYS不能直接建立装配体模型,只能在其他三维造型软件中建好后导入。若利用proeNGINEER建模,可以有两种方法导入:第一种是将装配体另存为后缀为IGES的文件,打开ANSYS,点击“File”→“Import”→“IGES”将数据文件导入。第二种是利用proeNGINEER与ANSYS 的接口,由proeNGINEER直接进入ANSYS界面。

本文是将proeNGINEER Wildfire 2.0与ANSYS 8.0连接,将装配体导入ANSYS进行分析。具体步骤如下。

(1)在proeNGINEER建立三个零件的零件图,并利用Mate(匹配)。Align(对齐)等指定零件间的装配关系,形成组件。

(2)单击proeNGINEER界面的“ANSYS 8.0”→“ANSYS Geom”。在窗口下方出现提示“Begin transfer of proe geometry to ANSYS”,并显示转换进程。转换结束后,进入ANSYS界面。

(3)定义单元类型、实常数、材料属性、网格尺寸,划分网格。

(4)添加DOF约束、设置集中载荷和重力载荷。这里值得注意的是:ANSYS的重力载荷依靠ACEL命令来实现,该命令会对物体施加一加速度场(非重力场),因此若要施加负y方向的重力,应指定一个正y方向的加速度;ANSYS只显示施加的约束和外载荷,不显示重力。

(5)单击“Solution”→“Solve”→“Current LS”进行求解。

(6)显示结果,可以依次单击“General Postproc”→“Plot Results”→“Contour Plot”→“Nodal Solu”来进行。然后选择“Stress”和“Von Mises SEQV”,以Def + undeformed 形式显示等效应力值,如图2所示。

图2 ANSYS得到的等效应力云图

利用ANSYS的缩放工具将应力云图放大,发现在零件的装配接触面应力云图断裂,且零件分开。实际上,它们已经装配为一体,装配接触面应力应是连续的。这说明ANSYS对装配体不能识别,认为装配后的零件是互不影响,互相独立的。

(7)解决办法:在上面的步骤2完成后,首先用布尔运算的VADD命令将三个体加到一起,成为一个体,然后可以用NUMCMP命令压缩实体编号,再进行后面的操作。图3所示是布尔运算后的装配体等效应力云图。

图3 布尔运算后ANSYS得到的等效应力云图

由图可知,最大应力值为1.02E+6。

2.利用Pro/MECHANICA模块进行分析

Pro/MECHANICA有两种工作模式:集成模式和独立模式。前者在proeNGINEER环境界面下工作,可以直接利用proeNGINEER模型进行网格划分工作。后者在Pro/MECHANICA界面下工作,有限元模型可以由Pro/MECHANICA直接创建,也可以从其他CAD系统中输入几何模型数据。

本文采取集成模式。具体分析步骤如下。

(1)安装好proeNGINEER与Pro/MECHANICA后,进行一定的连接操作,完成两者的匹配,使Pro/MECHANICA以集成模式工作。

(2)在proeNGINEER下建立三个零件的零件图,指定零件间的装配关系,形成组件。

(3)在proeNGINEER主菜单上选择“Applications”→“Mechanica”,单击“Continue”,使系统进入“Pro/MECHANICA”环境,然后在MECHANICA菜单管理器中选择“Structure”,系统进入结构分析主界面。

(4)定义材料属性(可以在材料库中直接选择“STEEL”)、约束和载荷。其中重力载荷就是习惯的方向,即若施加负y方向的重力,即指定负y方向的加速度。为避免应力集中,外载荷和约束不要加在单点上,应将它平均分配到整条边或整个面上。

(5)单击“Analyses”→“Mechanic Analyses/Studies…”弹出“Analyses and Design Studies”对话框,建立新的分析任务,进行有限元计算。

值得注意的是,我们并没有人为地进行划分网格的操作,但若在“Analyses and Design Studies”对话框点击“Info”→“Status”进行查看,可以发现有这样一段话:

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

这表示,虽然网格没有被显示,但Pro/MECHANICA软件内部已经自动划分了网格。除了自动划分网格外,也可以对网格进行人为控制,不过一般情况下自动划分的网格精度已经能很好地满足要求。

(6)点击“Analys”→“Results…”显示计算结果,仍然选取“Stress”→“von Mises”,得到等效应力云图,如图4所示。

图4 Pro/MECHANICA得到的等效应力云图

最大值是1.113E+6,与图3的结果1.02E+6很接近,相差8.356%。

3.比较结果

通过上面的比较,我们可以发现在进行简单装配体机构分析时,ANSYS有以下不足:(1)没有单位提示,即若输入长度100它不识别是100 还是100 ,因此在输入数据时要特别小心,一定要采用封闭的整套单位,否则会带来结果错误;(2)载荷更改不方便;(3)重力加载与习惯方向不同;(4)若要得到较好结果,需对网格尺寸进行人为控制;(5)装配体不识别,必须用布尔运算对装配体操作后,才可以计算。

与此相比,Pro/MECHANIC有单位提示,并且在在窗口直接显示约束和载荷名称,更改时只需选中名称,选择相应的Edit definition或其他操作即可,而且可以不用人为控制,就能得到较好的网格划分,另外在零件装配后,无需任何操作即可直接分析。

二、复杂装配体的结构分析

复杂装配体指装配体的零件形状复杂或零件个数较多。

下面以SGA3550矿用汽车整车满载静止于水平路面时,驱动桥桥壳和A形架的装配体应力分析为例,比较ANSYS和Pro/MECHANICA在分析复杂装配体结构时的不同。

1.利用ANSYS软件对复杂装配体进行分析

用proeNGINEER建好模型后,如果不做任何简化,向ANSYS导入时,系统会提示模型有1000多个面,这是因为ANSYS软件对造型软件的一些处理方法无法识别,模型又过于复杂致使导入失败。因此必须对模型进行简化,例如删除倒角及非承载部分等,这一过程需要大量反复的修改尝试,同时也是目前对桥壳分析时常采用的方法。在模型导入成功后,也会出现因ANSYS无法对模型的一些特征进行网格划分,网格划分失败的现象,使后续工作无法进行下去,因此,只能对模型再次简化(在多数情况下,模型的简化工作将占总工作量的50%以上)。显然,这种反复修改工作量大,效率低。而且最后简化的模型与原模型相差比较大,计算结果精度不是很理想。

2.利用Pro/MECHANICA模块对复杂装配体进行分析

无需对模型做任何简化处理,也无需人为划分网格(自动划分的网格精度较高),只需要按照2.2的分析步骤,设置约束和载荷即可,载荷的大小可以由力学方程计算得到。

最后得到的应力云图,如图5所示。

图5 驱动桥壳与A形架装配体等效应力云图

如图5所示,最大应力值为6.672E+7Pa。

用同样的步骤,可以对驱动桥壳和A形架的装配体在其他典型受力工况下(例如最大牵引力、最大测向力等)的应力状态进行分析,从而找到危险点,对结构进行改进设计。

3.比较结果

可见对于复杂装配体,若利用ANSYS软件,需要进行大量的简化工作,且要得到理想的结果还需要人为控制网格划分。而利用proeNGINEER软件的Pro/MECHANICA模块,则无需对模型进行简化,而且能很方便地得到较好的结果。

三、结论

通过上面的应用比较,我们可以发现:

1.ANSYS无法直接建立装配体模型,需由其他造型软件导入,导入后要对装配体进行布尔运算,否则ANSYS将认为零件是未经装配的。

2.对形状简单的装配体进行结构分析,ANSYS与Pro/MECHANICA都能得到较理想的结果。