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 來源:仿真在線

針對將復(fù)雜零件模型從proe直接導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行有限元分析計算時所出現(xiàn)的問題,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時造成的諸如零件信息丟失、進(jìn)行模型修補(bǔ)會降低分析精度的缺點。同時,以具體工程實例進(jìn)行分析計算,計算結(jié)果表明應(yīng)力應(yīng)變值更接近于實際情況,說明本方法切實可行,從而為解決復(fù)雜零件的結(jié)構(gòu)分析提供了新的途徑.

閻樹田駱敬輝姜志科來源:萬方數(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,它將研究對象離散成有限多個單元體,通過分析得到一組代數(shù)求解方法,進(jìn)而求得近似解。有限元分析過程總體上可以分為三個部分:前處理模塊、分析計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;分析計算模塊是有限元分析的核心,它包括結(jié)構(gòu)分析、流體動力學(xué)分析和多物理場的禍合分析,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嬎憬Y(jié)果進(jìn)行分析,從而對模型做出合理的判斷。

花鍵聯(lián)接是機(jī)械傳動中常見的聯(lián)接形式,是由軸和輪毅孔周向均布多個凸齒和凹槽所構(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?；ㄦI聯(lián)接按齒形可分為矩形花鍵聯(lián)接和漸開線花鍵聯(lián)接。鍵齒兩側(cè)是工作面,花鍵靠工作面受到的擠壓來傳遞轉(zhuǎn)矩。花鍵常見的失效形式是齒面壓潰、個別齒根剪斷或彎曲折斷,所以在設(shè)計花鍵齒時需要進(jìn)行強(qiáng)度校核。

本文以矩形花鍵為例,運用proe的有限元模塊Pro/MECHANICA,對矩形花鍵的傳統(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,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,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換,是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計中的高級CAD工具之一。ANSYS擁有相對獨立的前、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)動技術(shù)支持界面的可管理性和操作性較差,無法完成復(fù)雜零件的建模,導(dǎo)致對模型結(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)計軟件如proe,UG等具有建模的優(yōu)勢,解決ANSYS這一不足之處的方法是利用格式轉(zhuǎn)換實現(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)行有限元的分析計算,并將分析結(jié)果以圖片動畫方式顯示,并保存至文件,

在將proe圖形文件(特別是復(fù)雜實體模型文件)轉(zhuǎn)換成ANSYS可識別文件的實際過程中有時會發(fā)生一些問題,其主要問題是:

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

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

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,因此在分析計算前往往需要花費大量的時間和精力進(jìn)行幾何模型的修補(bǔ)工作,這勢必會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、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)點是:由于proe特征的相關(guān)聯(lián)性,因此更改模型方便;處理過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,因此通過合理的假設(shè),將花鍵軸簡化為對應(yīng)的物理模型且只受純轉(zhuǎn)矩載荷,在簡化的過程中,假定模型是各向同性的且沒有內(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、個別齒根的剪斷或彎曲折斷,因此為了提高分析效率,對花鍵進(jìn)行受力分析時,可以只研究花鍵軸上的一個齒型。

實體建模用加材料、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。有限元分析需要劃分單元體網(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、單元體和載荷的顯示特性。

啟動有限元分析模塊:在主菜單上單擊“應(yīng)用程序”選項,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”對話框中依次選取三個基準(zhǔn)平面,利用這三個基準(zhǔn)平面創(chuàng)建一個笛卡兒坐標(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)壁及一個端面,鍵齒的底面受到x,y,z三個方向平動和轉(zhuǎn)動的完全約束,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,三個面的約束和壓力載荷添加后的花鍵模型如圖1所示。

利用Pro/MECHANICA提高ANSYS有限元分析能力+應(yīng)用技術(shù)圖片圖片1

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.選擇將要劃分最大網(wǎng)格的面組(maximum element size),設(shè)置最大網(wǎng)格數(shù)為1,選擇將要劃分最小網(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。運行分析定義和模型結(jié)果輸出:進(jìn)人運行有限元分析對話框,選擇ANSYS求解器,設(shè)置分析類型為結(jié)構(gòu)和元素形狀為線性(linear),然后選擇要運行的分析模型,指定文件輸出存放路徑‘運行網(wǎng)格劃分,在輸出模型網(wǎng)格劃分圖的同時,Pro/MECHANICA分析工具就可以在指定的路徑下寫入“*.ans"格式類型的數(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)點等各種信息,網(wǎng)格劃分的結(jié)果見圖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,這是因為倒圓角的半徑相對其他平面(或曲面)非常小,屬于局部小平面。正是由于這類特征造成了如果將模型直接從proe導(dǎo)入ANSYS會發(fā)生網(wǎng)格劃分不完整的現(xiàn)象,而Pro/Mechanica是在proe的集成模式下運行的,所以不會發(fā)生這種問題。

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通過實際操作可知,proe克服了ANSYS圖形驅(qū)動技術(shù)支持界面的可管理性和可操作性較差及無法完成復(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可識別文件。

打開此文件可以看出:在前處理部分設(shè)置了節(jié)點的全局直角坐標(biāo),并按順序列出了模型節(jié)點的所有編號和節(jié)點坐標(biāo),接著聲明了單元體類型、幾何參數(shù)屬性和材料等,并列出了單元的編號和構(gòu)成單元的節(jié)點編號(本文模型共有4605個節(jié)點和18943個單元體),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軟件所識別和使用,避免了在ANSYS軟件中對模型的修補(bǔ)工作,在提高分析精確度的同時提高了工作效率,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)行該模型的運算求解。在該階段完成了有限元分析的計算過程并生成了結(jié)果文件,分別輸出了鍵齒應(yīng)力云圖(見圖4)與受力變形圖(見圖5)。

利用Pro/MECHANICA提高ANSYS有限元分析能力+應(yīng)用技術(shù)圖片圖片3

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,鍵齒的齒面壓潰失效由此處的撕裂開始,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。

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利用Pro/MECHANICA提高ANSYS有限元分析能力+項目圖片圖片5

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)過對幾何模型的修補(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)過運算得到如圖6所示的模型應(yīng)力云圖。

在實際加工花鍵齒時,為了減少齒根處的應(yīng)力集中現(xiàn)象要專門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)力過度集中且數(shù)值偏大,這與實際情況不吻合。

利用Pro/MECHANICA提高ANSYS有限元分析能力+項目圖片圖片6

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,相對于整條齒根線這是一個特殊的位置,此端面變形值最大,必然使對應(yīng)齒根處出現(xiàn)最大應(yīng)力集中現(xiàn)象,而圖6的對應(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始的,所以用本文的方法計算分析得到的應(yīng)力圖更接近實際情況.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)計手冊》對此模型進(jìn)行強(qiáng)度計算,所計算出的結(jié)果與圖4的計算值更接近,這表明按照本文方法所得到的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值更接近于實際工作狀況,即計算結(jié)果比傳統(tǒng)計算方法更科學(xué),對花鍵軸的設(shè)計更具有指導(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)而計算得到了不同的數(shù)據(jù),影響了計算的準(zhǔn)確度。

本文計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)果對于計算零件的疲勞壽命起到重要的作用。

5 結(jié)論

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

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,又避免了將proe文件直接導(dǎo)入ANSYS造成圖形錯誤的情況,切實提高了ANSYS對復(fù)雜型面零件的有限元分析能力。

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