proe在結(jié)構(gòu)分析中的運(yùn)用

2013-06-12 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來(lái)源:仿真在線

proe能實(shí)現(xiàn)幾何建模和結(jié)構(gòu)分析的無(wú)縫集成,提高了新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的效率和可靠性。文章簡(jiǎn)述了proe在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一般流程,以平面四桿機(jī)構(gòu)為例,說(shuō)明proe在結(jié)構(gòu)分析中的運(yùn)用。利用proe建立四桿機(jī)構(gòu)的實(shí)體模型,然后進(jìn)行了機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真分析,并驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性。在此基礎(chǔ)上,采用負(fù)荷轉(zhuǎn)移到結(jié)構(gòu)的方式來(lái)定義載荷,對(duì)中間連桿進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析,結(jié)果表明,這樣更加有效快捷。

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì),這種輔助設(shè)計(jì)即包括傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)的數(shù)字化,還包括零部件的可裝配性、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及用有限元技術(shù)分析零部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和模態(tài)等。

美國(guó)PTC公司推出的proeNGINEER (proe)可以完全實(shí)現(xiàn)幾何建模和結(jié)構(gòu)分析的無(wú)縫集成。用戶在proe環(huán)境下完成零件的幾何建模后,無(wú)需退出設(shè)計(jì)環(huán)境就能進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,這是目前絕大多數(shù)軟件所不能做到的。在此之前,機(jī)械設(shè)計(jì)工程師進(jìn)行分析時(shí),首先需要使用幾何建模功能強(qiáng)的軟件進(jìn)行建模,然后利用IGES或者STEP格式將數(shù)據(jù)導(dǎo)入其它分析軟件進(jìn)行分析。在這種情況下,最大弊端是數(shù)據(jù)的丟失,分析人員常常需要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力進(jìn)行幾何模型的修復(fù)。因此,Pro/MECHANICA可以讓結(jié)構(gòu)工程師將精力集中在設(shè)計(jì)工作上,在設(shè)計(jì)初期就能因?yàn)榻Y(jié)合了分析,從而縮短了整個(gè)設(shè)計(jì)周期并降低開(kāi)發(fā)費(fèi)用。

1 proe結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般流程

傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程是先制定設(shè)計(jì)方案,通過(guò)理論分析,計(jì)算其運(yùn)動(dòng)學(xué)或者動(dòng)力學(xué)特性,然后再進(jìn)行優(yōu)化、強(qiáng)度分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。這個(gè)過(guò)程單就運(yùn)動(dòng)學(xué)或者動(dòng)力學(xué)特性分析而言,要經(jīng)過(guò)大量的圖解計(jì)算或分析計(jì)算,繁瑣而復(fù)雜。運(yùn)用proe進(jìn)行仿真分析,能大大縮短設(shè)計(jì)周期,其工作流程如圖1所示。

proe在結(jié)構(gòu)分析中的運(yùn)用proe技術(shù)圖片1

1.1 參數(shù)化建模

參數(shù)化建模是一種使用重要幾何參數(shù)快速構(gòu)造和修改幾何模型的造型方法,采用參數(shù)化模型,通過(guò)調(diào)整參數(shù)來(lái)修改和控制幾何形狀,為零件乃至整個(gè)產(chǎn)品的自動(dòng)化驅(qū)動(dòng)更新提供了基礎(chǔ)。

1.2 機(jī)構(gòu)裝配

裝配過(guò)程就是確定裝配體中各組成零件如何連接的過(guò)程,零件之間的連接關(guān)系即為裝配關(guān)系。進(jìn)行零件裝配時(shí)最重要的步驟就是對(duì)零部件進(jìn)行適當(dāng)?shù)募s束,proe在裝配中提供了多種連接約束,有銷釘、平面、球、軸承等。

1.3 機(jī)構(gòu)分析

機(jī)構(gòu)分析模塊是proe的一個(gè)仿真模塊,在機(jī)構(gòu)分析中通過(guò)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng),還可以添加運(yùn)動(dòng)副、阻尼等來(lái)模擬現(xiàn)實(shí)中的外部環(huán)境,進(jìn)而分析機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。通過(guò)仿真分析能夠得到機(jī)構(gòu)元件的位置、速度及關(guān)鍵部件的受力情況,從而檢查機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求,并為后面的結(jié)構(gòu)分析提供負(fù)荷輸出。

1.4 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

當(dāng)機(jī)構(gòu)分析獲得系統(tǒng)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)載荷后,就可以確定其典型工況下的受力情況并進(jìn)行結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析。這里主要是應(yīng)用Pro/MECHANICA STRUCTURE結(jié)構(gòu)分析軟件包對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化分析,由于理論已經(jīng)軟件化,即使非專業(yè)分析工程師也能進(jìn)行復(fù)雜模型的結(jié)構(gòu)分析,大大提高了設(shè)計(jì)效率,增加產(chǎn)品的安全性。

2 proe結(jié)構(gòu)分析實(shí)例

2.1 模型的建立

(1)運(yùn)用proe軟件建立四桿機(jī)構(gòu)各部分的實(shí)體模型,曲柄尺寸(mm)為90×10×10,連桿尺寸為260×10×10,搖桿尺寸為150×10×10,機(jī)架尺寸為210×10×10。

(2)曲柄、連桿、搖桿、機(jī)架被添加為steel材料。

(3)把建好的四桿機(jī)構(gòu)模型進(jìn)行裝配,建立相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)連接。機(jī)架被定義為地,各桿件連接均定義為銷釘連接,裝配好的四桿機(jī)構(gòu)如圖2所示。

proe在結(jié)構(gòu)分析中的運(yùn)用proe技術(shù)圖片2

2.2 動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果及分析

(1)設(shè)置運(yùn)行環(huán)境。模型裝配好后進(jìn)入機(jī)構(gòu)模塊,定義伺服電機(jī)設(shè)定曲柄的驅(qū)動(dòng)速度為600 r/min,在搖桿上施加3000 N·mm的阻力矩,設(shè)置曲柄連接軸的初始角速度為600 r/min。新建一個(gè)分析,分析類型為“動(dòng)態(tài)”分析,忽略重力的影響,模型運(yùn)動(dòng)時(shí)間設(shè)為0·1S,曲柄剛好運(yùn)行一圈,幀頻設(shè)為3600。

(2)分析、獲取結(jié)果。運(yùn)行分析,點(diǎn)擊進(jìn)入生成分析的測(cè)量結(jié)果對(duì)話框,創(chuàng)建新測(cè)量,分別定義連桿兩端的連接反作用力,顯示結(jié)果如圖3a所示。

proe在結(jié)構(gòu)分析中的運(yùn)用proe技術(shù)圖片3
(3)將載荷轉(zhuǎn)移到結(jié)構(gòu)中。點(diǎn)擊“機(jī)構(gòu)”———“在結(jié)構(gòu)中使用”彈出“負(fù)荷輸出”對(duì)話框,“主體”和“分量”都選擇連桿,在“估算”下拉列表中選擇“時(shí)間”,具體時(shí)間可由圖3a中讀出,如圖4所示,此時(shí)的載荷輸出為連桿兩端的作用力及慣性載荷。

proe在結(jié)構(gòu)分析中的運(yùn)用proe技術(shù)圖片4

(4)分析結(jié)果的驗(yàn)證四桿機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型如圖5所示,各桿長(zhǎng)度為li,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為Ji,角速度為ωi,角加速度為αi,質(zhì)心加速度為ai,鉸鏈在X、Y方向的力分別為Rix、Riy;外部阻力矩和為M。

proe在結(jié)構(gòu)分析中的運(yùn)用proe技術(shù)圖片5

以連桿為例,不難求出質(zhì)心加速度a2x、a2y和角加速度α2,從而算得慣性力和慣性力矩,由平衡條件可以列出下列方程組:

proe在結(jié)構(gòu)分析中的運(yùn)用proe技術(shù)圖片6

同理,可以建立曲柄和搖桿的二組方程,一共得到三組共九個(gè)方程,從中可以解得鉸鏈處作用力的八個(gè)分力和電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩。代入初始條件,得到連桿兩端作用力如圖3b。

從圖3中可以看出仿真結(jié)果和傳統(tǒng)計(jì)算曲線在數(shù)值大小和變化趨勢(shì)上吻合的很好,峰值誤差在0·1%以內(nèi),說(shuō)明proe的仿真結(jié)果是可信的。

2.3 Mechanica結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析
(1)打開(kāi)連桿零件,進(jìn)入Pro/Mechanica,指定分析類型為基本模式;

(2)定義零件材料。在材質(zhì)庫(kù)中選擇Steel并分配給連桿;

(3)設(shè)置負(fù)載。單擊“插入”———“機(jī)構(gòu)負(fù)荷”,將動(dòng)力學(xué)分析得到的連桿兩端載荷轉(zhuǎn)移到結(jié)構(gòu)中分析中,并將載荷作用在銷釘孔,同時(shí)施加慣性載荷;將連桿一端進(jìn)行固定約束;

(4)運(yùn)行分析。新建分析任務(wù),并運(yùn)行分析;

(5)查看分析結(jié)果。從應(yīng)力云圖中可以看出銷釘孔處應(yīng)力較大,可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行校核。

proe在結(jié)構(gòu)分析中的運(yùn)用proe模型圖圖片7

3 結(jié)束語(yǔ)

利用proe可以有效地對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析,proe軟件系統(tǒng)各功能模塊的綜合應(yīng)用減少了不同功能軟件系統(tǒng)在數(shù)據(jù)交換中的錯(cuò)誤, proe還是建立在統(tǒng)一的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)上,這為設(shè)計(jì)人員提供了協(xié)同工作環(huán)境,極大地改進(jìn)了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程,并且保證產(chǎn)品數(shù)據(jù)的一致性。在本例的結(jié)構(gòu)分析中,中間連桿所受的載荷由機(jī)構(gòu)分析中的載荷輸出得到,這樣可節(jié)省大量人工計(jì)算的時(shí)間,減少人為計(jì)算誤差,為后續(xù)分析提供一系列可靠的數(shù)據(jù)。

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