proe在结构分析中的运用

2013-06-12 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线

proe能实现几何建模和结构分析的无缝集成,提高了新产品开发的效率和可靠性。文章简述了proe在结构设计中的一般流程,以平面四杆机构为例,说明proe在结构分析中的运用。利用proe建立四杆机构的实体模型,然后进行了机构动力学仿真分析,并验证了仿真结果的正确性。在此基础上,采用负荷转移到结构的方式来定义载荷,对中间连杆进行了结构强度分析,结果表明,这样更加有效快捷。

0 引言

随着计算机技术的发展,计算机辅助设计越来越广泛地应用于产品设计,这种辅助设计即包括传统的二维设计的数字化,还包括零部件的可装配性、运动学分析及用有限元技术分析零部件的结构强度、刚度和模态等。

美国PTC公司推出的proeNGINEER (proe)可以完全实现几何建模和结构分析的无缝集成。用户在proe环境下完成零件的几何建模后,无需退出设计环境就能进行结构分析,这是目前绝大多数软件所不能做到的。在此之前,机械设计工程师进行分析时,首先需要使用几何建模功能强的软件进行建模,然后利用IGES或者STEP格式将数据导入其它分析软件进行分析。在这种情况下,最大弊端是数据的丢失,分析人员常常需要花费大量的时间和精力进行几何模型的修复。因此,Pro/MECHANICA可以让结构工程师将精力集中在设计工作上,在设计初期就能因为结合了分析,从而缩短了整个设计周期并降低开发费用。

1 proe结构设计的一般流程

传统机械产品设计过程是先制定设计方案,通过理论分析,计算其运动学或者动力学特性,然后再进行优化、强度分析及结构设计等。这个过程单就运动学或者动力学特性分析而言,要经过大量的图解计算或分析计算,繁琐而复杂。运用proe进行仿真分析,能大大缩短设计周期,其工作流程如图1所示。

proe在结构分析中的运用proe技术图片1

1.1 参数化建模

参数化建模是一种使用重要几何参数快速构造和修改几何模型的造型方法,采用参数化模型,通过调整参数来修改和控制几何形状,为零件乃至整个产品的自动化驱动更新提供了基础。

1.2 机构装配

装配过程就是确定装配体中各组成零件如何连接的过程,零件之间的连接关系即为装配关系。进行零件装配时最重要的步骤就是对零部件进行适当的约束,proe在装配中提供了多种连接约束,有销钉、平面、球、轴承等。

1.3 机构分析

机构分析模块是proe的一个仿真模块,在机构分析中通过伺服电机驱动机构运动,还可以添加运动副、阻尼等来模拟现实中的外部环境,进而分析机构的运动特点。通过仿真分析能够得到机构元件的位置、速度及关键部件的受力情况,从而检查机构的运动能否达到设计要求,并为后面的结构分析提供负荷输出。

1.4 结构强度分析

当机构分析获得系统静态和动态载荷后,就可以确定其典型工况下的受力情况并进行结构的强度分析。这里主要是应用Pro/MECHANICA STRUCTURE结构分析软件包对其进行结构分析和优化分析,由于理论已经软件化,即使非专业分析工程师也能进行复杂模型的结构分析,大大提高了设计效率,增加产品的安全性。

2 proe结构分析实例

2.1 模型的建立

(1)运用proe软件建立四杆机构各部分的实体模型,曲柄尺寸(mm)为90×10×10,连杆尺寸为260×10×10,摇杆尺寸为150×10×10,机架尺寸为210×10×10。

(2)曲柄、连杆、摇杆、机架被添加为steel材料。

(3)把建好的四杆机构模型进行装配,建立相应的运动连接。机架被定义为地,各杆件连接均定义为销钉连接,装配好的四杆机构如图2所示。

proe在结构分析中的运用proe技术图片2

2.2 动力学仿真结果及分析

(1)设置运行环境。模型装配好后进入机构模块,定义伺服电机设定曲柄的驱动速度为600 r/min,在摇杆上施加3000 N·mm的阻力矩,设置曲柄连接轴的初始角速度为600 r/min。新建一个分析,分析类型为“动态”分析,忽略重力的影响,模型运动时间设为0·1S,曲柄刚好运行一圈,帧频设为3600。

(2)分析、获取结果。运行分析,点击进入生成分析的测量结果对话框,创建新测量,分别定义连杆两端的连接反作用力,显示结果如图3a所示。

proe在结构分析中的运用proe技术图片3
(3)将载荷转移到结构中。点击“机构”———“在结构中使用”弹出“负荷输出”对话框,“主体”和“分量”都选择连杆,在“估算”下拉列表中选择“时间”,具体时间可由图3a中读出,如图4所示,此时的载荷输出为连杆两端的作用力及惯性载荷。

proe在结构分析中的运用proe技术图片4

(4)分析结果的验证四杆机构的数学模型如图5所示,各杆长度为li,转动惯量为Ji,角速度为ωi,角加速度为αi,质心加速度为ai,铰链在X、Y方向的力分别为Rix、Riy;外部阻力矩和为M。

proe在结构分析中的运用proe技术图片5

以连杆为例,不难求出质心加速度a2x、a2y和角加速度α2,从而算得惯性力和惯性力矩,由平衡条件可以列出下列方程组:

proe在结构分析中的运用proe技术图片6

同理,可以建立曲柄和摇杆的二组方程,一共得到三组共九个方程,从中可以解得铰链处作用力的八个分力和电机驱动力矩。代入初始条件,得到连杆两端作用力如图3b。

从图3中可以看出仿真结果和传统计算曲线在数值大小和变化趋势上吻合的很好,峰值误差在0·1%以内,说明proe的仿真结果是可信的。

2.3 Mechanica结构强度分析
(1)打开连杆零件,进入Pro/Mechanica,指定分析类型为基本模式;

(2)定义零件材料。在材质库中选择Steel并分配给连杆;

(3)设置负载。单击“插入”———“机构负荷”,将动力学分析得到的连杆两端载荷转移到结构中分析中,并将载荷作用在销钉孔,同时施加惯性载荷;将连杆一端进行固定约束;

(4)运行分析。新建分析任务,并运行分析;

(5)查看分析结果。从应力云图中可以看出销钉孔处应力较大,可根据实际情况进行校核。

proe在结构分析中的运用proe模型图图片7

3 结束语

利用proe可以有效地对运动机构进行分析,proe软件系统各功能模块的综合应用减少了不同功能软件系统在数据交换中的错误, proe还是建立在统一的基础数据库上,这为设计人员提供了协同工作环境,极大地改进了产品的设计过程,并且保证产品数据的一致性。在本例的结构分析中,中间连杆所受的载荷由机构分析中的载荷输出得到,这样可节省大量人工计算的时间,减少人为计算误差,为后续分析提供一系列可靠的数据。

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