利用Pro/MECHANICA提高ANSYS有限元分析能力

2013-06-19 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來(lái)源:仿真在線

針對(duì)將復(fù)雜零件模型從proe直接導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行有限元分析計(jì)算時(shí)所出現(xiàn)的問(wèn)題,提出用proe中的有限元模塊MECHANICA進(jìn)行有限元前處理,把生成的批處理作業(yè)命令文件導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行計(jì)算分析的方法.這種方法克服了復(fù)雜零件模型以IGFS格式導(dǎo)入ANSYS時(shí)造成的諸如零件信息丟失、進(jìn)行模型修補(bǔ)會(huì)降低分析精度的缺點(diǎn)。同時(shí),以具體工程實(shí)例進(jìn)行分析計(jì)算,計(jì)算結(jié)果表明應(yīng)力應(yīng)變值更接近于實(shí)際情況,說(shuō)明本方法切實(shí)可行,從而為解決復(fù)雜零件的結(jié)構(gòu)分析提供了新的途徑.

閻樹(shù)田駱敬輝姜志科來(lái)源:萬(wàn)方數(shù)據(jù)
關(guān)鍵字:Pro/MECHANICA ANSYS 有限元前處理

有限元是一種以變分原理為基礎(chǔ)的重要的數(shù)值分析方法,它將研究對(duì)象離散成有限多個(gè)單元體,通過(guò)分析得到一組代數(shù)求解方法,進(jìn)而求得近似解。有限元分析過(guò)程總體上可以分為三個(gè)部分:前處理模塊、分析計(jì)算模塊和后處理模塊。前處理模塊主要是生成有限元模型,對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,得到有限元模型的有關(guān)數(shù)據(jù),有限元模型的質(zhì)量直接影響著分析精度和分析效率;分析計(jì)算模塊是有限元分析的核心,它包括結(jié)構(gòu)分析、流體動(dòng)力學(xué)分析和多物理場(chǎng)的禍合分析,是根據(jù)有限元模型的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行有限元分析;后處理模塊是有限元分析計(jì)算后輸出結(jié)果的加工階段,其主要內(nèi)容包括數(shù)據(jù)輸出和圖形顯示,使用戶能夠?qū)τ?jì)算結(jié)果進(jìn)行分析,從而對(duì)模型做出合理的判斷。

花鍵聯(lián)接是機(jī)械傳動(dòng)中常見(jiàn)的聯(lián)接形式,是由軸和輪毅孔周向均布多個(gè)凸齒和凹槽所構(gòu)成的.由于是多齒傳遞載荷,因此承載能力高,對(duì)軸的削弱程度小,具有定心精度高和導(dǎo)向性能好等優(yōu)點(diǎn)?；ㄦI聯(lián)接按齒形可分為矩形花鍵聯(lián)接和漸開(kāi)線花鍵聯(lián)接。鍵齒兩側(cè)是工作面,花鍵靠工作面受到的擠壓來(lái)傳遞轉(zhuǎn)矩?；ㄦI常見(jiàn)的失效形式是齒面壓潰、個(gè)別齒根剪斷或彎曲折斷,所以在設(shè)計(jì)花鍵齒時(shí)需要進(jìn)行強(qiáng)度校核。

本文以矩形花鍵為例,運(yùn)用proe的有限元模塊Pro/MECHANICA,對(duì)矩形花鍵的傳統(tǒng)有限元分析方法ANSYS進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)充與改進(jìn),提高了ANSYS的分析精度和效率。同時(shí),可以將此方法引申到其他機(jī)械零件的有限元分析工作中去,如齒輪等復(fù)雜型面零件。

1 花鍵齒傳統(tǒng)有限元分析方法的不足與改進(jìn)

    1.1 ANSYS的特點(diǎn)及不足

ANSYS軟件是當(dāng)今廣泛使用的有限元分析工具,ANSYS能與多數(shù)CAD軟件結(jié)合使用,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換,是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級(jí)CAD工具之一。ANSYS擁有相對(duì)獨(dú)立的前、后處理模塊,因此能夠完成多領(lǐng)域的分析任務(wù)。

ANSYS的不足之處是: ANSYS的前處理能力的不足,即圖形驅(qū)動(dòng)技術(shù)支持界面的可管理性和操作性較差,無(wú)法完成復(fù)雜零件的建模,導(dǎo)致對(duì)模型結(jié)構(gòu)分析的可信度大大降低,影響了工作效率。

當(dāng)前的一些大型三維CAD造型設(shè)計(jì)軟件如proe,UG等具有建模的優(yōu)勢(shì),解決ANSYS這一不足之處的方法是利用格式轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享,即先利用這些造型軟件進(jìn)行精確的三維造型,然后通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口,將模型以STEP或IGES格式讀入有限元分析軟件ANSYS中,在ANSYS中繼續(xù)完成模型的屬性定義、約束定義、載荷定義和劃分網(wǎng)格等工作,最后進(jìn)行有限元的分析計(jì)算,并將分析結(jié)果以圖片動(dòng)畫(huà)方式顯示,并保存至文件,

在將proe圖形文件(特別是復(fù)雜實(shí)體模型文件)轉(zhuǎn)換成ANSYS可識(shí)別文件的實(shí)際過(guò)程中有時(shí)會(huì)發(fā)生一些問(wèn)題,其主要問(wèn)題是:

1)proe造型過(guò)程的某些特殊的處理方法不能為ANSYS分析工具所識(shí)別,如面與面的重疊部分;

2) ANSYS不能對(duì)proe造型中的一些局部特征進(jìn)行網(wǎng)格劃分,如細(xì)長(zhǎng)曲面;

3) proe造型軟件定義圖元的方式與ANSYS不完全一致,從而產(chǎn)生一些特殊的圖形格式,并在ANSYS有限元分析中產(chǎn)生異議,因此在分析計(jì)算前往往需要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力進(jìn)行幾何模型的修補(bǔ)工作,這勢(shì)必會(huì)造成模型的不一致和分析精度的降低.

1.2有限元分析方法的改進(jìn)

本文基于proe中的有限元分析模塊MECHANICA,直接調(diào)用proe生成的模型數(shù)據(jù)(包括點(diǎn)、線、面和體),完成有限元分析的建模工作,劃分網(wǎng)格,生成批處理作業(yè)命令文件(*.ans格式)。此文件可直接或稍加修改后即可用于ANSYS有限元分析工具。其優(yōu)點(diǎn)是:由于proe特征的相關(guān)聯(lián)性,因此更改模型方便;處理過(guò)程中模型的一致性好,數(shù)據(jù)完整,可以克服ANSYS分析工具的前處理能力的不足,大大提高了整個(gè)有限元分析工作的效率,在這種情況下,有限元模型的建模質(zhì)量好壞將直接關(guān)系到分析精度和效率,所以建立精確的三維模型是以上分析的前提。

2 基于Pro/MECHANICA的花鍵軸有限元分析前處理

在proe中,花鍵有限元建模的主要工作包括實(shí)體建模、單位、材料、載荷、約束的定義、網(wǎng)格劃分、有限元分析定義和文件輸出.花鍵軸屬于回轉(zhuǎn)體的復(fù)雜模型,因此通過(guò)合理的假設(shè),將花鍵軸簡(jiǎn)化為對(duì)應(yīng)的物理模型且只受純轉(zhuǎn)矩載荷,在簡(jiǎn)化的過(guò)程中,假定模型是各向同性的且沒(méi)有內(nèi)部缺陷.

    2.1模型的建立及屬性的設(shè)定

由于矩形花鍵的失效形式主要是齒面壓潰、個(gè)別齒根的剪斷或彎曲折斷,因此為了提高分析效率,對(duì)花鍵進(jìn)行受力分析時(shí),可以只研究花鍵軸上的一個(gè)齒型。

實(shí)體建模用加材料、拉伸建立整體模型,再利用剪切材料、拉伸對(duì)其進(jìn)行修改,形成花鍵軸模型。根據(jù)花鍵軸材料的力學(xué)性能(主要是彈性模量E,剪切模量G和泊松比,)設(shè)定材料屬性。有限元分析需要?jiǎng)澐謫卧w網(wǎng)格,而設(shè)定單元體屬性是網(wǎng)格劃分的前提,其目的是控制節(jié)點(diǎn)、單元體和載荷的顯示特性。

啟動(dòng)有限元分析模塊:在主菜單上單擊“應(yīng)用程序”選項(xiàng),選擇MECHANICA,進(jìn)入有限元分析環(huán)境,創(chuàng)建當(dāng)前有限元分析坐標(biāo)系:在“strc model"菜單中依次單擊“current csys"/"create",在彈出的“坐標(biāo)系”對(duì)話框中依次選取三個(gè)基準(zhǔn)平面,利用這三個(gè)基準(zhǔn)平面創(chuàng)建一個(gè)笛卡兒坐標(biāo)系。

添加約束與載荷。分析花鍵軸上鍵齒的約束與受力,約束包括花鍵齒底面、兩側(cè)壁及一個(gè)端面,鍵齒的底面受到x,y,z三個(gè)方向平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的完全約束,選擇鍵齒底面,單擊“OK”則在花鍵齒底面上以小三角形顯示添加的約束,以同樣的方法給花鍵齒側(cè)壁和端面添加同樣的約束.在純轉(zhuǎn)矩的作用下,鍵齒的單側(cè)受到擠壓力的作用,選擇受力側(cè)面并在其上添加載荷,三個(gè)面的約束和壓力載荷添加后的花鍵模型如圖1所示。

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2.2有限元分析的定義及網(wǎng)格的劃分

設(shè)置和劃分網(wǎng)格.選擇將要?jiǎng)澐肿畲缶W(wǎng)格的面組(maximum element size),設(shè)置最大網(wǎng)格數(shù)為1,選擇將要?jiǎng)澐肿钚【W(wǎng)格的面組〔minimum element size),設(shè)置最小網(wǎng)格數(shù)為0.1,完成網(wǎng)格定義。運(yùn)行分析定義和模型結(jié)果輸出:進(jìn)人運(yùn)行有限元分析對(duì)話框,選擇ANSYS求解器,設(shè)置分析類(lèi)型為結(jié)構(gòu)和元素形狀為線性(linear),然后選擇要運(yùn)行的分析模型,指定文件輸出存放路徑‘運(yùn)行網(wǎng)格劃分,在輸出模型網(wǎng)格劃分圖的同時(shí),Pro/MECHANICA分析工具就可以在指定的路徑下寫(xiě)入“*.ans"格式類(lèi)型的數(shù)據(jù)文件,文件中包括了有限元分析的材料、載荷、約束、節(jié)點(diǎn)等各種信息,網(wǎng)格劃分的結(jié)果見(jiàn)圖2。

從圖2可以看出,齒兩側(cè)邊緣線上網(wǎng)格劃分比較密集,這是因?yàn)榈箞A角的半徑相對(duì)其他平面(或曲面)非常小,屬于局部小平面。正是由于這類(lèi)特征造成了如果將模型直接從proe導(dǎo)入ANSYS會(huì)發(fā)生網(wǎng)格劃分不完整的現(xiàn)象,而Pro/Mechanica是在proe的集成模式下運(yùn)行的,所以不會(huì)發(fā)生這種問(wèn)題。

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通過(guò)實(shí)際操作可知,proe克服了ANSYS圖形驅(qū)動(dòng)技術(shù)支持界面的可管理性和可操作性較差及無(wú)法完成復(fù)雜零件建模的不足,Pro/MECHANICA高效地完成了鍵齒模型的有限元分析的定義及網(wǎng)格的劃分工作,并且輸出了格式為*.ans的AN-SYS可識(shí)別文件。

打開(kāi)此文件可以看出:在前處理部分設(shè)置了節(jié)點(diǎn)的全局直角坐標(biāo),并按順序列出了模型節(jié)點(diǎn)的所有編號(hào)和節(jié)點(diǎn)坐標(biāo),接著聲明了單元體類(lèi)型、幾何參數(shù)屬性和材料等,并列出了單元的編號(hào)和構(gòu)成單元的節(jié)點(diǎn)編號(hào)(本文模型共有4605個(gè)節(jié)點(diǎn)和18943個(gè)單元體),然后設(shè)置了邊界條件及載荷。

由于此文件完全遵循ANSYS文件格式,因此能靈活地被ANSYS軟件所識(shí)別和使用,避免了在ANSYS軟件中對(duì)模型的修補(bǔ)工作,在提高分析精確度的同時(shí)提高了工作效率,進(jìn)而為后續(xù)的在ANSYS環(huán)境中進(jìn)行分析計(jì)算和后處理做好了準(zhǔn)備.

3 ANSYS有限元的求解和分析輸出

啟動(dòng)ANSYS分析軟件,讀入Pro/ MECHANICA軟件生成的鍵齒模型有限元分析文件,ANSYS將自動(dòng)生成如圖3所示的模型網(wǎng)格圖,然后依次選擇“solution"/" solve"/" current LS"進(jìn)行該模型的運(yùn)算求解。在該階段完成了有限元分析的計(jì)算過(guò)程并生成了結(jié)果文件,分別輸出了鍵齒應(yīng)力云圖(見(jiàn)圖4)與受力變形圖(見(jiàn)圖5)。

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從花鍵齒的應(yīng)力應(yīng)變圖可以看出,鍵齒的受力變形沿軸方向增加,并在鍵齒的自由端面?zhèn)冗_(dá)到最大。在鍵齒的應(yīng)力圖上,應(yīng)力最大值出現(xiàn)在MX處,當(dāng)載荷增加時(shí),鍵齒的齒面壓潰失效由此處的撕裂開(kāi)始,齒根處由于存在小尺寸的退刀槽而出現(xiàn)了一定程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象,周期反復(fù)的應(yīng)力作用容易造成鍵齒的剪斷或彎曲折斷,應(yīng)力應(yīng)變最大數(shù)值如圖4和圖5所示。

利用Pro/MECHANICA提高ANSYS有限元分析能力+項(xiàng)目圖片圖片4

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4 與傳統(tǒng)分析方法的比較

為了進(jìn)一步論證本文方法分析計(jì)算的準(zhǔn)確性,現(xiàn)將同一模型直接導(dǎo)人ANSYS進(jìn)行有限元分析,由于鍵齒存在小尺寸的倒角特征,經(jīng)過(guò)對(duì)幾何模型的修補(bǔ),將倒角特征忽略,而以直角代替,再進(jìn)行必要的定義和網(wǎng)格劃分,經(jīng)過(guò)運(yùn)算得到如圖6所示的模型應(yīng)力云圖。

在實(shí)際加工花鍵齒時(shí),為了減少齒根處的應(yīng)力集中現(xiàn)象要專(zhuān)門(mén)加工出圓滑的退刀槽。由于直接導(dǎo)入ANSYS,忽略了小尺寸,使齒根變成了直角,造成了圖6齒根處應(yīng)力過(guò)度集中且數(shù)值偏大,這與實(shí)際情況不吻合。

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比較圖4與圖6可以看出,兩圖應(yīng)力集中區(qū)域不完全相同。在圖4中,自由端面?zhèn)三X根處有應(yīng)力集中現(xiàn)象,相對(duì)于整條齒根線這是一個(gè)特殊的位置,此端面變形值最大,必然使對(duì)應(yīng)齒根處出現(xiàn)最大應(yīng)力集中現(xiàn)象,而圖6的對(duì)應(yīng)處則不明顯。從失效的花鍵軸可以看出,有相當(dāng)數(shù)量的失效形式是從此處的撕裂開(kāi)始的,所以用本文的方法計(jì)算分析得到的應(yīng)力圖更接近實(shí)際情況.相同載荷下的最大應(yīng)力值增加了20%,鍵齒變形增加了約14%。按照《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》對(duì)此模型進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算,所計(jì)算出的結(jié)果與圖4的計(jì)算值更接近,這表明按照本文方法所得到的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值更接近于實(shí)際工作狀況,即計(jì)算結(jié)果比傳統(tǒng)計(jì)算方法更科學(xué),對(duì)花鍵軸的設(shè)計(jì)更具有指導(dǎo)性。

造成這些結(jié)果數(shù)據(jù)差異的原因:一是倒角(退刀槽)特征的忽略造成擠壓面面積增大,使鍵齒的整體承載能力增強(qiáng),在同樣的載荷下應(yīng)力值下降,造成鍵齒的最大應(yīng)力減小;二是網(wǎng)格劃分方式的不同;三是進(jìn)行模型修補(bǔ)方面的原因,造成修補(bǔ)前后模型的不一致性,進(jìn)而計(jì)算得到了不同的數(shù)據(jù),影響了計(jì)算的準(zhǔn)確度。

本文計(jì)算分析所選用的花鍵軸屬于含有少量小平面特征的模型,另外鍵齒模型的尺寸與所受載荷(500 N)均較小,具有典型性,如果將此方法用于重要設(shè)備的關(guān)鍵零件的應(yīng)力應(yīng)變分析,得到的結(jié)果對(duì)于計(jì)算零件的疲勞壽命起到重要的作用。

5 結(jié)論

1)對(duì)于含有小尺寸曲面特征的機(jī)械零件,用本文方法進(jìn)行有限元分析時(shí)模型特征信息完整,計(jì)算出的數(shù)值更接近實(shí)際狀況,保證了計(jì)算的準(zhǔn)確性,提高了計(jì)算效率。

2)本文將Pro/MECHANICA與ANSYS相結(jié)合,既克服了復(fù)雜模型在ANSYS中難以建立的缺點(diǎn),又避免了將proe文件直接導(dǎo)入ANSYS造成圖形錯(cuò)誤的情況,切實(shí)提高了ANSYS對(duì)復(fù)雜型面零件的有限元分析能力。

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