Pro/Mechanica机构力学分析

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

本文简述了使用CAE软件Pro/M对产品的关键零件进行静力学分析,并在分析的基础上进行优化设计。
武启秀刘兴升武墨林来源:e-works
关键字:CAE Pro/Mechanica 有限元分析

1 前言
Pro/Mechanica是模拟模型的物理特性并据此改进你所设计产品的机械性能的CAE(Computer Aided Engineering)软件之一。Pro/M用户可以在proengineer集成模式下直接使用proe模型。可以用Pro/M直接计算出零件的应力、应变、零件固有频率、热传导路径等,Pro/M可以象在真实的试验室里模拟机构的物理性能。Pro/M具有广阔的分析范围、极好的建模能力、和一定的灵活性并且与proe完全集成,是proe用户进行有限元分析和优化设计的首选CAE软件。使用Pro/M要求用户有相当的材料力学知识和专业英语阅读能力。由于我公司近年使用PTC公司的三维造型软件proengineer(proe)和PDM(产品数据管理)软件Winchill都取得了很大的成功,所以Pro/M是我公司进行机构、零件有限元分析及优化设计的首选CAE软件。
2 Pro/M概述
Pro/M有两种基本工作模式:集成模式和独立模式。在集成模式下,你在proe下完成所有Pro/M的功能,包括零件建模、定义约束条件、敏感度分析、优化设计等;独立模式在一个独立的界面下工作,从导入的几何模型(包括proe的part模型及其它CAD软件生成的模型)或用Pro/M生成的几何模型来进行各种分析。
Pro/M产品由三个模块组成,结构、热、和运动。结构是一个广义的概念,包括土木工程,汽车结构、船舶结构、机械零部件等。Pro/M 结构模块功能:1. 静力分析,用于求解静力载荷作用下机构的位移和应力,包括线性和非线性。非线性包括塑性、大变形、大应变、超弹性、蠕变等;2. 模态分析,用于计算结构的固有频率及模态;3. 屈曲分析,用于计算屈曲载荷和屈曲模态。
2.1 Pro/M与有限元
有限元法是借助计算机解算场问题的近似计算方法。它利用离散的数学概念,把整个求解域离散成有限个单元(子域),利用单元的特性,经过数学规划后得到一个表征整个求解域问题的线性方程组,近而得到数值解答。
有限元法的解题步骤:1. 求解域的离散化:即网格划分,把求解域离散成许多小的单元,单元与单元之间用节点连接。Pro/M可以自动划分网格,也可以手动划分网格。网格越密,计算精度越高,但对计算机性能要求高并且所花费的时间长。2. 选择插值函数。3. 构建单元线性方程组。4. 形成整体系统方程组并求解。
2.2 有限元模型和一般处理步骤
这里所指的模型是一个广义的概念,我们必须对有限元模型有清晰的认识。
    对有限元模型的处理步骤:
2.2.1 实际零件转化为简单物理模型
零件简单化包括对零件材料的物理机械性能作一些假设,我们通常假设材料是连续的、均匀的和各向同性的。一些对分析结果影响不大的因素将被忽略,如倒角、倒圆角、甚至一些安装孔也可能被简化以缩短分析时间。在不影响分析精度的条件下,应尽可能对模型进行简化。
2.2.2 简单物理模型转化为数学模型
为了用数学公式表述复杂物理模型,我们假设材料特性为线性并理想化载荷及约束条件。我们通常假设载荷是稳定的,不是随机变化的、约束条件(如焊接、紧固)是牢靠的、梁是细长的等等。
2.2.3 数学模型转化为有限元模型
    包括网格的划分和构建单元线性方程组。
    上述三个步骤有时候被组合在一起。在Pro/M中已经自动对材料进行均匀性、连续性、线性假设。
2.3 Pro/M力学分析步骤
2.3.1 几何模型的创建
集成模式下创建几何模型使用proe,也可以在独立模式下创建几何模型或从其它软件创建的模型导入到Pro/M中。
2.3.2 模型类型
集成模式下,缺省的模型类型为三维实体。
2.3.3 定义零件的工作环境
2.3.3.1 为模型指定材料:
在组件中可以为每一零件指定不同的材料。应力分析时需定义材料的杨氏模量和泊松比。许多FEA软件都有自己的材料库,用户可根据自己的需要选择材料。
2.3.3.2 定义约束:
约束方式有:点、曲线、面、周期性对称四种方式。每一种方式有完全约束、完全不约束、在特定方向约束三种方法。
2.3.3.3 定义加载模型上的载荷:
载荷类型有:点载荷、均匀边载荷、曲面上的压力、重力、轴承承载等。
2.3.3.4 定义运行分析:
如果你对你的模型满意而决定不再修改模型,就可以定义分析,包括分析时所用的约束、载荷、分析的精度等。运行分析时,可以定义分析所使用的内存大小、分析结果存放的位置等。在使用Pro/M进行力学分析时,Pro/M调用AutoGEM子程序完成网格的自动划分,
2.3.3.5 输出分析结果:
Pro/M提供了直观、有效的图形工具来表示分析的结果。包括应力分布、点位移量、变形能等。
2.3.3.6 较核输出结果:
2.4 Pro/M的收敛性
FEA软件一般有两种收敛方式:P方法、H方法。H方法是其它FEA软件常用的方法,它通过不断地细化网格来提高分析精度。Pro/M采用P方法,在不改变网格划分的情况下靠提高插值多项式的阶数来达到设定的精度。多项式的最高阶数为9,如果9阶多项式仍达不到设定的精度,再细化网格,但这种情况很少出现。只有收敛性得到保证,分析结果才被认为可靠。
Pro/M检验收敛性的方式有三种:Quick Check、Single-Pass Adaptive、Multi-Pass Adaptive。Quick Check只适用于粗略计算,不能作为最终的计算结果。
2.5 Pro/M的敏感度分析
敏感度分析可以计算零件的某一尺寸对分析目标的影响程度。从而得知那一尺寸对零件的分析目标影响最大。在进行敏感度分析前,你需要指定设计变量的变化范围,系统自动改变变量的值,重新再生模型并进行分析研究。可以通过输出窗口来显示变量与分析目标之间的变化关系。
2.6 Pro/M的优化设计
Pro/M的优化设计是指给定一些约束条件(某一点的最大位移量等),在设计变量允许的范围内,寻求使设计目标变量最佳(如总质量最小、体积最小、成本最低)的方法。最优方案是最有效率的方案。使用Pro/M节省了设计人员的重复劳动。优化过程可以通过图形来表示。
3 Pro/M应用实例
为了使Pro/M的分析结果与理论计算结果进行对比,我选择大学《材料力学》中的习题作为Pro/M的实例。
3.1 题目:
一悬臂梁、截面为矩形,截面高度为80mm,宽40mm。悬臂梁长2000mm,在1000mm处受向下力,大小2500N,在头端受向上力,大小5000N。求梁内的最大弯曲正应力。理论计算答案:176MPa。

Pro/Mechanica机构力学分析+学习资料图片1
3.2 Pro/M解决方法:
题目分析:这是一典型的悬臂梁的题目,可以用Pro/M的理想化模型的梁单元来分析以提高运行效率和精度。测试环境为使用集成模式下的Pro/M。
解题步骤:
3.2.1 建立Pro/M模型,由于已经把模型理想化为梁,所以在proe中只需输入三个基准点。启动proe,输入文件名:liang,插入三个基准点,输入坐标分别为PNT0(0,0,0)、PNT1(1000,0,0)、PNT2(2000,0,0)。
3.2.2 点击应用程序→Pro/Mechanica,进入Pro/M工作状态。出现单位提示窗口。如果力的单位为N、长度单位为mm、时间单位为s,说明你的单位为国际标准单位,否则应返回proe中重新设定单位。
3.2.3 选择菜单structure(结构)→idealizations(理想化)→beams(梁)→new(新建)
出现梁属性定义对话框(如图2所示)。输入梁的名称或使用缺省。参考选Point-Point,定义点,选择PNT0和PNT1,材料选择STEEL(钢),类型为beam(梁)。然后定义截面形状。Pro/M中已经内置了许多常用的截面,如矩形、中空矩形、工字梁等。点击section(截面)旁边的More按钮→Edit(编辑),出现图3所示的对话框。输入截面的高度80和宽度40。

Pro/Mechanica机构力学分析+学习资料图片2

图2

Pro/Mechanica机构力学分析+学习资料图片3
图3

3.2.4 同样的方法定义PNT1和PNT2之间的梁单元。
3.2.5 定义约束:选择菜单structure(结构)→Model(模型)→Constraints(约束)→new,定义点约束,完全约束点PNT0(即约束PNT0的六个自由度)。
3.2.6 定义载荷:选择菜单structure(结构)→Model(模型)→Loads(载荷)→new,定义点载荷,选择PNT1,Y方向输入-2500N,再新建点载荷,选择PNT2 ,Y方向大小5000N。
3.2.7 定义分析:选择菜单structure(结构)→Analyses(分析)→new。弹出对话框,可以看到在分析定义中已经包括了前面定义的约束和载荷,收敛方式选择Multi-Pass Adaptive,最大阶数为6,收敛度为10%。
3.2.8 运行分析:选择菜单structure(结构)→run,在运行分析时,可以定义分析结果文件输出位置、运行分析所使用机器的内存大小。
3.2.9 分析结果:下面为结果文件anaylasis1.rpt(由于篇幅,删除无关内容)。
    Total Mass of Model: 5.009331e-02   //模型质量
    Constraint Set: ConstraintSet1          //约束条件
    Load Set: LoadSet1                      //载荷
        Measures:
            Name              Value      Convergence
       --------------     ------------- -----------
       max_beam_bending:   1.757813e+02      0.0%
       max_beam_tensile:   0.000000e+00      0.0%
       max_beam_torsion:   0.000000e+00      0.0%
       max_beam_total:     1.757813e+02      0.0%
       max_disp_mag:       3.300328e+01      0.0%
       ......
       max_stress_vm:      1.757813e+02      0.0%
       ......
       strain_energy:      7.028312e+04      0.0%
    也可以用图形直观表示:

Pro/Mechanica机构力学分析+学习资料图片4

结果表明:Pro/M的计算结果为175.8MPa,与理论计算结果完全一致。
4 结论
Pro/M的功能非常强大,由于时间、精力有限,敏感度分析、优化设计及零件的模态分析不在本文探讨。Pro/M具有诸多优点,被广泛应用在机械设计、仿真设计、机械加工设计、模具设计等领域。是机械工程师进行结构设计、有限元、优化设计分析的强有力CAE工具。能很大程度提高设计水平、减少投入成本、缩短产品开发周期。

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