ANSYS參數(shù)化編程語言的二次開發(fā)及應用

2013-08-13 by:廣州有限元培訓實踐中心來源:仿真在線

ANSYS是一種集結構、熱、流體、電磁和聲學于一體的大型通用有限元分析軟件,在工程設計和科學研究中應用廣泛,尤其是結構分析模塊特別是結構靜力分析模塊在機械工程中應用最廣。ANSYS還提供了參數(shù)化編程語言APDL (ANSYS Parameter Design Language)用于二次開發(fā),可以自動完成某些功能或建模,大大擴展了軟件的功能。本文針對結構分析的某些場合,需多次計算變形和應力,采用APDL語言進行二次開發(fā),可以自動進行多次分析求解和處理計算結果,大大減輕了人工數(shù)據(jù)處理計算工作量。一個典型問題是柔度矩陣的計算,以此為前提的變形矩陣法是解決計入軸瓦表面彈性變形的滑動軸承潤滑分析的常用方法。但采用常規(guī)的人工方法建立柔度矩陣需反復多次進行有限元分析建模、求解和計算結果數(shù)據(jù)的處理,過程煩瑣復雜,工作量浩大且易出現(xiàn)人為錯誤。另一個典型問題是曲軸軸頸表面動應力計算,情況也類似。由于曲軸結構復雜,有限元網(wǎng)格較多,瞬態(tài)動力分析計算量浩大,個人微機難以完成計算工作,本文提出的結構靜力計算法是一個有效方法?，F(xiàn)就上述兩個問題的APDL參數(shù)化編程求解展開討論。

1 變形矩陣的計算

    1.1變形矩陣法

    變形矩陣法是一種求解計入軸瓦變形時滑動軸承潤滑分析的有效方法,計算軸承孔表面變形的基本公式為:

ANSYS參數(shù)化編程語言的二次開發(fā)及應用ansys培訓的效果圖片1

式中δrs為實際油膜壓力作用下軸承孔表面上各節(jié)點的徑向變形量(r=1,2,…,m;s=1,2,…,n);Cy為作用在節(jié)點ij處的單位油膜壓力使節(jié)點rs產(chǎn)生的徑向變形量:Pij為作用在節(jié)點ij處的實際節(jié)點油膜壓力。

2.2變形矩陣的求取

    軸瓦表面變形矩陣的求取,采用ANSYS中的參數(shù)化編程語言APDL編寫專門的程序實現(xiàn)。其求解步驟如下:

    1)在ANSYS環(huán)境下建立主軸承座的有限元計算模型,實際的主軸承由軸瓦、主軸承蓋和屬于機體一部分的主軸承座上半部分組成。為便于分析計算,利用其對稱性,軸承座部分只截取一個空心圓柱體(如圖1所示)。選擇solid45單元,在軸承內(nèi)表面軸承襯部分(厚度0.5 mm)劃分為均勻六面體單元網(wǎng)格,與有限差分法進行潤滑分析的網(wǎng)格(17 x 36 )一致。其余部分則自由劃分單元網(wǎng)格,共得到8227個單元、827節(jié)點。

    2)記數(shù)器置1并確定計算點數(shù)。根據(jù)對稱性和圓周方向的重復性,可取計算點數(shù)為num = 17,即軸瓦內(nèi)表面的軸向節(jié)點數(shù)。

    3)動態(tài)施加邊界條件。根據(jù)主軸承結構特點,位移邊界條件為約束軸承座圓柱表面的全部自由度;載荷邊界條件即為施加在對應節(jié)點上的單位徑向壓力。

    4)有限元分析求解并記錄軸瓦內(nèi)表面所有節(jié)點的徑向位移;記數(shù)器n=n+1。
    5)若記數(shù)器n>num,輸出計算結果;否則,選擇下一個節(jié)點,轉步驟3),計算流程如圖2所示。

采用本文提出的方法可一次直接計算出柔度矩陣,實現(xiàn)了計算結果和后續(xù)數(shù)據(jù)的自動記錄和處理,大大簡化了求解過程。圖3就是軸瓦表面某節(jié)點的柔度矩陣。

2 曲軸動應力的計算

    2.1 結構靜力分析法

    內(nèi)燃機曲軸結構復雜,在額定工況下工作,曲軸承受周期性變載荷作用。有關曲軸動應力的計算,采用較多的方法是計算內(nèi)燃機工作時活塞膨脹做功行程最大壓力和最小壓力2個工況下的應力,該法只能近似計算出曲軸最大應力和最小應力。對于曲軸頸上油膜壓力的處理,大多采用周向分布在中心角120°范圍內(nèi)按照余弦函數(shù)分布,軸向分布按拋物線分布的假設計算。這種計算方案的合理性值得商榷。實際上,曲軸動應力主要取決于作用于軸頸上油膜壓力,而油膜壓力是動態(tài)變化的,沿曲軸頸分布和隨時間的變化與曲軸一軸承系統(tǒng)動力學和摩擦學行為密切相關。而按照作用在曲軸頸表面動態(tài)油膜壓力進行瞬態(tài)動力分析,則由于曲軸結構復雜,有限元分析的單元劃分較多,計算規(guī)模過于浩大,計算耗時過長,導致個人微機難以完成計算任務。本文提出的結構靜力計算法,其基本思路是將動態(tài)油膜壓力動態(tài)施加曲軸頸載荷邊界條件,進行多次結構靜力計算并自動記錄計算結果。這一計算過程就可以很方便地采用APDL語言開發(fā)專門的計算程序來實現(xiàn)。

2.2計算模型及步驟

    曲軸頸表面動應力計算與柔度矩陣的計算十分相似,主要計算步驟如下:

    1)在ANSYS環(huán)境下建立曲軸的幾何模型并劃分有限元計算網(wǎng)格,如圖4所示,由39950個單元、72462個節(jié)點組成。由于需要研究動態(tài)油膜壓力對曲軸頸表面動應力分布的影響,根據(jù)軸的幾何特點,選擇solid45單元,曲軸頸表面的網(wǎng)格劃分進行人為控制,使之與有限差分法進行軸承潤滑分析時的網(wǎng)格劃分一致,而其它部分則自由劃分網(wǎng)格單元。

    2)確定動應力的計算點數(shù)num。(如num=72),令記數(shù)器n=1。

    3)動態(tài)施加邊界條件。

    位移邊界條件取在各主軸頸中央截面軸心節(jié)點處約束垂直和水平方向自由度,約束曲軸左端面(帶輪端)的軸向自由度,并約束該端面繞z軸旋轉自由度。在曲軸頸表面動態(tài)施加力邊界條件,即動態(tài)施加曲軸頸表面的節(jié)點力。節(jié)點力來源于由存人動態(tài)節(jié)點力的數(shù)據(jù)文件。它是通過曲軸軸承系統(tǒng)動力學和摩擦學禍合分析后得到軸頸中心運動參數(shù),再潤滑分析得到動態(tài)油膜壓力,然后轉換成節(jié)點力。節(jié)點力按下式計算:

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4)在ANSYS環(huán)境下進行有限元計算,記錄指定節(jié)點的應力。

5)若計數(shù)器n≥num,輸出計算結果,計算結束;否則,轉到步驟3。

    2.3計算結果

    在內(nèi)燃機的一個工作循環(huán)內(nèi)取72個計算點,即曲軸每轉動CA=10°選取一個應力計算采樣點。每計算一個采樣點的應力都從保存動態(tài)節(jié)點載荷的數(shù)據(jù)文件里讀取與之對應的數(shù)據(jù)并施加到曲軸軸頸表面,然后求解并記錄指定節(jié)點的應力值。整個計算過程采用(如圖5所示)參數(shù)化編程語言APDL編寫專用的計算程序實現(xiàn)。在奔騰IV2.8 GHz內(nèi)存512 MB的PC機上,一個計算點耗時約16 min,一個工作循環(huán)的應力計算歷時約19 h。

采用本文提出的方法,可以計算出曲軸表面任意節(jié)點上的應力在內(nèi)燃機一個工作循環(huán)內(nèi)的變化。通過曲軸頸左中右截面以及上下表面直線上節(jié)點的應力分析比較,可知,危險截面位于第2曲柄銷的左截面上。圖6是第2曲柄銷左中右截面上等效動應力σe的周向分布及隨時間的變化,這里的等效應力是按照第3強度理論得到的相當應力。圖7是第2曲柄銷在上下表面直線上等效動應力σe軸向分布及隨時間的變化。它們形象地反映了曲軸頸表面動應力的時空分布特征。圖8是危險點動應力變化曲線,它是曲軸強度計算的重要依據(jù)。

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