Pro/MECHANICA與ANSYS在裝配體結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用比較

    Pro/ENGINEER Wildfire是美國PTC公司推出的一整套CAD/CAM/CAE集成解決方案，它主要包括Pro/ENGINEER和Pro/MECHANICA。Pro/ENGINEER是當(dāng)今世界上擁有用戶最多的三維CAD軟件，而Pro/MECHANICA是強大的有限元軟件，它可以實現(xiàn)和Pro/ENGINEER的無縫集成，即完全實現(xiàn)幾何建模和有限元分析的集成。其主要模塊可以分為Pro/MECHANICA STRUCTURE(結(jié)構(gòu)分析)、Pro/MECHANICA THERNAL(溫度分析)和Pro/MECHANICA MOTION（運動分析）。

    本文以兩個裝配體為例，分別使用ANSYS和Pro/ENGINEER的Pro/MECHANICA 模塊對它們進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，并對分析結(jié)果進(jìn)行比較。

一、簡單裝配體的結(jié)構(gòu)分析

    簡單裝配體是指組成裝配體的零件形狀比較簡單，且零件個數(shù)較少。

    以常見的軸、鍵、轉(zhuǎn)輪的裝配體為例。轉(zhuǎn)輪與鍵是過盈配合裝配。在軸上施加約束，并在轉(zhuǎn)輪上施加載荷，如圖1所示。

圖1 簡單裝配體及其約束和受力

    1.利用ANSYS軟件進(jìn)行分析

    對單一零件，可以利用ANSYS自身的建模工具，建立實體模型或有限元模型，但ANSYS不能直接建立裝配體模型，只能在其他三維造型軟件中建好后導(dǎo)入。若利用Pro/ENGINEER建模，可以有兩種方法導(dǎo)入：第一種是將裝配體另存為后綴為IGES的文件，打開ANSYS，點擊“File”→“Import”→“IGES”將數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入。第二種是利用Pro/ENGINEER與ANSYS 的接口，由Pro/ENGINEER直接進(jìn)入ANSYS界面。

    本文是將Pro/ENGINEER Wildfire 2.0與ANSYS 8.0連接，將裝配體導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行分析。具體步驟如下。

    (1)在Pro/ENGINEER建立三個零件的零件圖，并利用Mate（匹配）。Align（對齊）等指定零件間的裝配關(guān)系，形成組件。

    (2)單擊Pro/ENGINEER界面的“ANSYS 8.0”→“ANSYS Geom”。在窗口下方出現(xiàn)提示“Begin transfer of Pro/E geometry to ANSYS”，并顯示轉(zhuǎn)換進(jìn)程。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，進(jìn)入ANSYS界面。

    (3)定義單元類型、實常數(shù)、材料屬性、網(wǎng)格尺寸，劃分網(wǎng)格。

    (4)添加DOF約束、設(shè)置集中載荷和重力載荷。這里值得注意的是：ANSYS的重力載荷依靠ACEL命令來實現(xiàn)，該命令會對物體施加一加速度場（非重力場），因此若要施加負(fù)y方向的重力，應(yīng)指定一個正y方向的加速度；ANSYS只顯示施加的約束和外載荷，不顯示重力。

    (5)單擊“Solution”→“Solve”→“Current LS”進(jìn)行求解。

    (6)顯示結(jié)果，可以依次單擊“General Postproc”→“Plot Results”→“Contour Plot”→“Nodal Solu”來進(jìn)行。然后選擇“Stress”和“Von Mises SEQV”，以Def + undeformed 形式顯示等效應(yīng)力值，如圖2所示。

圖2 ANSYS得到的等效應(yīng)力云圖

    利用ANSYS的縮放工具將應(yīng)力云圖放大，發(fā)現(xiàn)在零件的裝配接觸面應(yīng)力云圖斷裂，且零件分開。實際上，它們已經(jīng)裝配為一體，裝配接觸面應(yīng)力應(yīng)是連續(xù)的。這說明ANSYS對裝配體不能識別，認(rèn)為裝配后的零件是互不影響，互相獨立的。

    (7)解決辦法：在上面的步驟2完成后，首先用布爾運算的VADD命令將三個體加到一起，成為一個體，然后可以用NUMCMP命令壓縮實體編號，再進(jìn)行后面的操作。圖3所示是布爾運算后的裝配體等效應(yīng)力云圖。

圖3 布爾運算后ANSYS得到的等效應(yīng)力云圖

    由圖可知，最大應(yīng)力值為1.02E+6。

    2.利用Pro/MECHANICA模塊進(jìn)行分析

    Pro/MECHANICA有兩種工作模式：集成模式和獨立模式。前者在Pro/ENGINEER環(huán)境界面下工作，可以直接利用Pro/ENGINEER模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分工作。后者在Pro/MECHANICA界面下工作，有限元模型可以由Pro/MECHANICA直接創(chuàng)建，也可以從其他CAD系統(tǒng)中輸入幾何模型數(shù)據(jù)。

本文采取集成模式。具體分析步驟如下。

    (1)安裝好Pro/ENGINEER與Pro/MECHANICA后，進(jìn)行一定的連接操作，完成兩者的匹配，使Pro/MECHANICA以集成模式工作。

    (2)在Pro/ENGINEER下建立三個零件的零件圖，指定零件間的裝配關(guān)系，形成組件。

    (3)在Pro/ENGINEER主菜單上選擇“Applications”→“Mechanica”，單擊“Continue”，使系統(tǒng)進(jìn)入“Pro/MECHANICA”環(huán)境，然后在MECHANICA菜單管理器中選擇“Structure”，系統(tǒng)進(jìn)入結(jié)構(gòu)分析主界面。

    (4)定義材料屬性(可以在材料庫中直接選擇“STEEL”)、約束和載荷。其中重力載荷就是習(xí)慣的方向，即若施加負(fù)y方向的重力，即指定負(fù)y方向的加速度。為避免應(yīng)力集中，外載荷和約束不要加在單點上，應(yīng)將它平均分配到整條邊或整個面上。

    (5)單擊“Analyses”→“Mechanic Analyses/Studies…”彈出“Analyses and Design Studies”對話框，建立新的分析任務(wù)，進(jìn)行有限元計算。

    值得注意的是，我們并沒有人為地進(jìn)行劃分網(wǎng)格的操作，但若在“Analyses and Design Studies”對話框點擊“Info”→“Status”進(jìn)行查看，可以發(fā)現(xiàn)有這樣一段話:

    ...Checking the model before creating elements...These checks take into account the fact that AutoGEM will automatically create elements…

    這表示，雖然網(wǎng)格沒有被顯示，但Pro/MECHANICA軟件內(nèi)部已經(jīng)自動劃分了網(wǎng)格。除了自動劃分網(wǎng)格外，也可以對網(wǎng)格進(jìn)行人為控制，不過一般情況下自動劃分的網(wǎng)格精度已經(jīng)能很好地滿足要求。

    (6)點擊“Analys”→“Results…”顯示計算結(jié)果，仍然選取“Stress”→“von Mises”，得到等效應(yīng)力云圖，如圖4所示。

圖4 Pro/MECHANICA得到的等效應(yīng)力云圖

    最大值是1.113E+6，與圖3的結(jié)果1.02E+6很接近，相差8.356%。

    3.比較結(jié)果

    通過上面的比較，我們可以發(fā)現(xiàn)在進(jìn)行簡單裝配體機構(gòu)分析時，ANSYS有以下不足：(1)沒有單位提示，即若輸入長度100它不識別是100 還是100 ，因此在輸入數(shù)據(jù)時要特別小心，一定要采用封閉的整套單位，否則會帶來結(jié)果錯誤；(2)載荷更改不方便；(3)重力加載與習(xí)慣方向不同；(4)若要得到較好結(jié)果，需對網(wǎng)格尺寸進(jìn)行人為控制；(5)裝配體不識別，必須用布爾運算對裝配體操作后，才可以計算。

    與此相比，Pro/MECHANIC有單位提示，并且在在窗口直接顯示約束和載荷名稱，更改時只需選中名稱，選擇相應(yīng)的Edit definition或其他操作即可，而且可以不用人為控制，就能得到較好的網(wǎng)格劃分，另外在零件裝配后，無需任何操作即可直接分析。

    二、復(fù)雜裝配體的結(jié)構(gòu)分析

    復(fù)雜裝配體指裝配體的零件形狀復(fù)雜或零件個數(shù)較多。

    下面以SGA3550礦用汽車整車滿載靜止于水平路面時，驅(qū)動橋橋殼和A形架的裝配體應(yīng)力分析為例，比較ANSYS和Pro/MECHANICA在分析復(fù)雜裝配體結(jié)構(gòu)時的不同。

    1.利用ANSYS軟件對復(fù)雜裝配體進(jìn)行分析

    用Pro/ENGINEER建好模型后，如果不做任何簡化，向ANSYS導(dǎo)入時，系統(tǒng)會提示模型有1000多個面，這是因為ANSYS軟件對造型軟件的一些處理方法無法識別，模型又過于復(fù)雜致使導(dǎo)入失敗。因此必須對模型進(jìn)行簡化，例如刪除倒角及非承載部分等，這一過程需要大量反復(fù)的修改嘗試，同時也是目前對橋殼分析時常采用的方法。在模型導(dǎo)入成功后，也會出現(xiàn)因ANSYS無法對模型的一些特征進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分失敗的現(xiàn)象，使后續(xù)工作無法進(jìn)行下去，因此，只能對模型再次簡化（在多數(shù)情況下，模型的簡化工作將占總工作量的50％以上）。顯然，這種反復(fù)修改工作量大，效率低。而且最后簡化的模型與原模型相差比較大，計算結(jié)果精度不是很理想。

    2.利用Pro/MECHANICA模塊對復(fù)雜裝配體進(jìn)行分析

    無需對模型做任何簡化處理，也無需人為劃分網(wǎng)格（自動劃分的網(wǎng)格精度較高），只需要按照2.2的分析步驟，設(shè)置約束和載荷即可，載荷的大小可以由力學(xué)方程計算得到。

    最后得到的應(yīng)力云圖，如圖5所示。

圖5 驅(qū)動橋殼與A形架裝配體等效應(yīng)力云圖

    如圖5所示，最大應(yīng)力值為6.672E+7Pa。

    用同樣的步驟，可以對驅(qū)動橋殼和A形架的裝配體在其他典型受力工況下（例如最大牽引力、最大測向力等）的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析，從而找到危險點，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計。

    3.比較結(jié)果

    可見對于復(fù)雜裝配體，若利用ANSYS軟件，需要進(jìn)行大量的簡化工作，且要得到理想的結(jié)果還需要人為控制網(wǎng)格劃分。而利用Pro/ENGINEER軟件的Pro/MECHANICA模塊，則無需對模型進(jìn)行簡化，而且能很方便地得到較好的結(jié)果。

    三、結(jié)論

    通過上面的應(yīng)用比較，我們可以發(fā)現(xiàn)：

    1.ANSYS無法直接建立裝配體模型，需由其他造型軟件導(dǎo)入，導(dǎo)入后要對裝配體進(jìn)行布爾運算，否則ANSYS將認(rèn)為零件是未經(jīng)裝配的。

    2.對形狀簡單的裝配體進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，ANSYS與Pro/MECHANICA都能得到較理想的結(jié)果。

    3.對形狀復(fù)雜的裝配體進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，必須對模型進(jìn)行大量的簡化和修補工作，才可以利用ANSYS作為分析工具，而Pro/MECHANICA則無需這些操作，它與Pro/ENGINEER的無縫連接使其對復(fù)雜裝配體的分析比利用ANSYS更加簡便快捷。

    4.ANSYS在結(jié)構(gòu)非線性分析等方面具有明顯優(yōu)勢，故在實際應(yīng)用中可以將Pro/MECHANICA與ANSYS結(jié)合起來，使兩者各自的優(yōu)勢得以充分發(fā)揮，從而得到更加理想的分析結(jié)果。