將運(yùn)動模擬與FEA結(jié)合使用

2013-06-09 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

今天,由于機(jī)械產(chǎn)品日漸復(fù)雜,不斷加劇的競爭加快了新設(shè)計(jì)方案投入市場的速度,工程師們越來越迫切地感到必須使模擬超出FEA的局限范圍。除了使用FEA模擬結(jié)構(gòu)性能外,工程師還需要在構(gòu)建物理原型之前確定新產(chǎn)品的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)性能。

作者: COSMOS 來源: COSMOS
關(guān)鍵字: 運(yùn)動模擬 FEA 機(jī)構(gòu)分析動力學(xué)性能

將運(yùn)動模擬與FEA結(jié)合使用

要想懂得運(yùn)動模擬和FEA在機(jī)構(gòu)模擬中如何結(jié)合使用,了解每種工具的基本假設(shè)會對您有所幫助。

FEA是一種用于結(jié)構(gòu)分析的數(shù)字技術(shù),已經(jīng)成為研究結(jié)構(gòu)的主導(dǎo)CAE方法。它可以分析任何固定支撐的彈性物體的行為,如圖13中所示的托架。此處彈性是指物體可變形。如果應(yīng)用靜態(tài)載荷,拖架會變成新的變形形狀,之后將不再變化。如果應(yīng)用動態(tài)載荷,拖架會圍繞平衡位置振動。FEA可以研究應(yīng)用靜態(tài)或動態(tài)載荷情況下拖架的位移、應(yīng)變、應(yīng)力和振動。

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圖13固定支撐的拖架只能變形,不能移動。

相反,局部支撐的物體,如拖架上鉸接的調(diào)速輪(圖14),可以旋轉(zhuǎn)而無須變形。調(diào)速輪可像剛性實(shí)體那樣移動,因而該設(shè)備屬于機(jī)構(gòu),而非結(jié)構(gòu)。我們將使用運(yùn)動模擬來研究調(diào)速輪的運(yùn)動。如果將調(diào)速輪視為剛性實(shí)體,則無法計(jì)算應(yīng)變和應(yīng)力(詳細(xì)信息請參閱附錄1)。

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圖14調(diào)速輪作為剛性實(shí)體圍繞將其連接到基體的鉸鏈旋轉(zhuǎn)(上圖)。由于存在剛性實(shí)體運(yùn)動(下圖),因此將此設(shè)備歸類為機(jī)構(gòu)。

乍一看,結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)之間的差異可能并不太明顯,如圖15所示的兩個(gè)設(shè)備。它們都有兩個(gè)通過鉸鏈連接到不可移動基體的擺動桿。右邊的設(shè)備使用彈簧將擺動桿與基體連接到了一起。沒有彈簧的設(shè)備屬于機(jī)構(gòu),因?yàn)槠鋽[動桿不能自由旋轉(zhuǎn)。不論是圍繞鉸鏈旋轉(zhuǎn)還是圍繞平衡位置來回?cái)[動,在擺動桿移動過程中,此設(shè)備的任何零件都無須變形。擺動桿顯示的是剛性實(shí)體運(yùn)動,因此將左邊的設(shè)備歸類為機(jī)構(gòu)。設(shè)計(jì)人員可以使用運(yùn)動模擬來研究其運(yùn)動。

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圖15左邊的擺動桿可進(jìn)行移動,而不會發(fā)生變形,因而屬于機(jī)構(gòu)。右邊的擺動桿在進(jìn)行任何移動時(shí)都會使彈簧變形,因而屬于結(jié)構(gòu)。

添加彈簧會更改設(shè)備的性質(zhì),這是因?yàn)樘砑訌椈珊髷[動桿就不能在彈簧不發(fā)生變形的情況下進(jìn)行移動了。擺動桿連續(xù)運(yùn)動的唯一一種可能形式是圍繞平衡位置來回?cái)[動。擺動桿運(yùn)動時(shí)會產(chǎn)生彈簧變形,因此右邊的設(shè)備應(yīng)歸類為結(jié)構(gòu)。FEA可以分析擺動桿振動,并且如有必要,還可以計(jì)算彈簧和其他視為彈性實(shí)體的零部件的應(yīng)變和應(yīng)力(請參閱附錄2以了解有關(guān)運(yùn)動模擬和FEA之間差異的更多信息)。

在完成運(yùn)動模擬研究后,如果設(shè)計(jì)工程師想對任一機(jī)構(gòu)零部件執(zhí)行變形和/或應(yīng)力分析,則需要將所選零部件提供給FEA來進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

運(yùn)動模擬結(jié)果可提供輸入數(shù)據(jù),包括作用于每個(gè)機(jī)構(gòu)連桿的接點(diǎn)反作用力和慣性力,這需要使用FEA進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。不論接下來是否使用FEA,運(yùn)動模擬肯定都會計(jì)算這些系數(shù)。按定義來說,接點(diǎn)反作用力和慣性力保持平衡;在一對平衡力作用下的機(jī)構(gòu)零部件可提交給FEA,而分析程序會將其作為結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理。

盡管工程師可以手動將數(shù)據(jù)從運(yùn)動模擬傳輸?shù)紽EA,但是如果運(yùn)動模擬軟件可以將結(jié)果自動導(dǎo)出到FEA,則可確保得到最佳結(jié)果。以此方式使用時(shí),運(yùn)動模擬和FEA可以進(jìn)行所謂的“耦合的”模擬。這樣,就可以自動定義FEA載荷,從而可以避免手動設(shè)置中常見的猜測和可能發(fā)生的錯(cuò)誤。

圖16中所示的曲柄機(jī)構(gòu)問題示例演示了耦合模擬。在該示例中,設(shè)計(jì)工程師要計(jì)算連桿中的最大應(yīng)力。

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圖16使用運(yùn)動模擬可計(jì)算連桿兩端的反作用力。也可計(jì)算作用于連桿的慣性力。

將運(yùn)動模擬與FEA結(jié)合使用的步驟為:

1.在為進(jìn)行研究而選擇的運(yùn)動范圍內(nèi),使用運(yùn)動模擬計(jì)算作用于所有零部件的位移、速度、加速度、接點(diǎn)反作用力和慣性力。在這一步中,所有機(jī)構(gòu)連接裝置都被視為剛性實(shí)體。圖16中的曲線圖顯示了曲柄完整轉(zhuǎn)動一周的過程中連桿上的接點(diǎn)反作用力。

2.找出與連桿接點(diǎn)上最高反作用力載荷相對應(yīng)的機(jī)構(gòu)位置。分析人員最常觀察的是最高反作用力,因?yàn)槭┘幼畲筝d荷的情況下進(jìn)行的分析將顯示連桿所承受的最大應(yīng)力。但是,如有必要,可以選擇任意多個(gè)位置(見圖17)進(jìn)行分析。

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