Pro/Mechanica機構(gòu)力學(xué)分析

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

本文簡述了使用CAE軟件Pro/M對產(chǎn)品的關(guān)鍵零件進行靜力學(xué)分析,并在分析的基礎(chǔ)上進行優(yōu)化設(shè)計。
武啟秀劉興升武墨林來源:e-works
關(guān)鍵字:CAE Pro/Mechanica 有限元分析

1 前言
Pro/Mechanica是模擬模型的物理特性并據(jù)此改進你所設(shè)計產(chǎn)品的機械性能的CAE(Computer Aided Engineering)軟件之一。Pro/M用戶可以在proengineer集成模式下直接使用proe模型?？梢杂肞ro/M直接計算出零件的應(yīng)力、應(yīng)變、零件固有頻率、熱傳導(dǎo)路徑等,Pro/M可以象在真實的試驗室里模擬機構(gòu)的物理性能。Pro/M具有廣闊的分析范圍、極好的建模能力、和一定的靈活性并且與proe完全集成,是proe用戶進行有限元分析和優(yōu)化設(shè)計的首選CAE軟件。使用Pro/M要求用戶有相當(dāng)?shù)牟牧狭W(xué)知識和專業(yè)英語閱讀能力。由于我公司近年使用PTC公司的三維造型軟件proengineer(proe)和PDM(產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理)軟件Winchill都取得了很大的成功,所以Pro/M是我公司進行機構(gòu)、零件有限元分析及優(yōu)化設(shè)計的首選CAE軟件。
2 Pro/M概述
Pro/M有兩種基本工作模式:集成模式和獨立模式。在集成模式下,你在proe下完成所有Pro/M的功能,包括零件建模、定義約束條件、敏感度分析、優(yōu)化設(shè)計等;獨立模式在一個獨立的界面下工作,從導(dǎo)入的幾何模型(包括proe的part模型及其它CAD軟件生成的模型)或用Pro/M生成的幾何模型來進行各種分析。
Pro/M產(chǎn)品由三個模塊組成,結(jié)構(gòu)、熱、和運動。結(jié)構(gòu)是一個廣義的概念,包括土木工程,汽車結(jié)構(gòu)、船舶結(jié)構(gòu)、機械零部件等。Pro/M 結(jié)構(gòu)模塊功能:1. 靜力分析,用于求解靜力載荷作用下機構(gòu)的位移和應(yīng)力,包括線性和非線性。非線性包括塑性、大變形、大應(yīng)變、超彈性、蠕變等;2. 模態(tài)分析,用于計算結(jié)構(gòu)的固有頻率及模態(tài);3. 屈曲分析,用于計算屈曲載荷和屈曲模態(tài)。
2.1 Pro/M與有限元
有限元法是借助計算機解算場問題的近似計算方法。它利用離散的數(shù)學(xué)概念,把整個求解域離散成有限個單元(子域),利用單元的特性,經(jīng)過數(shù)學(xué)規(guī)劃后得到一個表征整個求解域問題的線性方程組,近而得到數(shù)值解答。
有限元法的解題步驟:1. 求解域的離散化:即網(wǎng)格劃分,把求解域離散成許多小的單元,單元與單元之間用節(jié)點連接。Pro/M可以自動劃分網(wǎng)格,也可以手動劃分網(wǎng)格。網(wǎng)格越密,計算精度越高,但對計算機性能要求高并且所花費的時間長。2. 選擇插值函數(shù)。3. 構(gòu)建單元線性方程組。4. 形成整體系統(tǒng)方程組并求解。
2.2 有限元模型和一般處理步驟
這里所指的模型是一個廣義的概念,我們必須對有限元模型有清晰的認(rèn)識。
    對有限元模型的處理步驟:
2.2.1 實際零件轉(zhuǎn)化為簡單物理模型
零件簡單化包括對零件材料的物理機械性能作一些假設(shè),我們通常假設(shè)材料是連續(xù)的、均勻的和各向同性的。一些對分析結(jié)果影響不大的因素將被忽略,如倒角、倒圓角、甚至一些安裝孔也可能被簡化以縮短分析時間。在不影響分析精度的條件下,應(yīng)盡可能對模型進行簡化。
2.2.2 簡單物理模型轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型
為了用數(shù)學(xué)公式表述復(fù)雜物理模型,我們假設(shè)材料特性為線性并理想化載荷及約束條件。我們通常假設(shè)載荷是穩(wěn)定的,不是隨機變化的、約束條件(如焊接、緊固)是牢靠的、梁是細長的等等。
2.2.3 數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為有限元模型
    包括網(wǎng)格的劃分和構(gòu)建單元線性方程組。
    上述三個步驟有時候被組合在一起。在Pro/M中已經(jīng)自動對材料進行均勻性、連續(xù)性、線性假設(shè)。
2.3 Pro/M力學(xué)分析步驟
2.3.1 幾何模型的創(chuàng)建
集成模式下創(chuàng)建幾何模型使用proe,也可以在獨立模式下創(chuàng)建幾何模型或從其它軟件創(chuàng)建的模型導(dǎo)入到Pro/M中。
2.3.2 模型類型
集成模式下,缺省的模型類型為三維實體。
2.3.3 定義零件的工作環(huán)境
2.3.3.1 為模型指定材料:
在組件中可以為每一零件指定不同的材料。應(yīng)力分析時需定義材料的楊氏模量和泊松比。許多FEA軟件都有自己的材料庫,用戶可根據(jù)自己的需要選擇材料。
2.3.3.2 定義約束:
約束方式有:點、曲線、面、周期性對稱四種方式。每一種方式有完全約束、完全不約束、在特定方向約束三種方法。
2.3.3.3 定義加載模型上的載荷:
載荷類型有:點載荷、均勻邊載荷、曲面上的壓力、重力、軸承承載等。
2.3.3.4 定義運行分析:
如果你對你的模型滿意而決定不再修改模型,就可以定義分析,包括分析時所用的約束、載荷、分析的精度等。運行分析時,可以定義分析所使用的內(nèi)存大小、分析結(jié)果存放的位置等。在使用Pro/M進行力學(xué)分析時,Pro/M調(diào)用AutoGEM子程序完成網(wǎng)格的自動劃分,
2.3.3.5 輸出分析結(jié)果:
Pro/M提供了直觀、有效的圖形工具來表示分析的結(jié)果。包括應(yīng)力分布、點位移量、變形能等。
2.3.3.6 較核輸出結(jié)果:
2.4 Pro/M的收斂性
FEA軟件一般有兩種收斂方式:P方法、H方法。H方法是其它FEA軟件常用的方法,它通過不斷地細化網(wǎng)格來提高分析精度。Pro/M采用P方法,在不改變網(wǎng)格劃分的情況下靠提高插值多項式的階數(shù)來達到設(shè)定的精度。多項式的最高階數(shù)為9,如果9階多項式仍達不到設(shè)定的精度,再細化網(wǎng)格,但這種情況很少出現(xiàn)。只有收斂性得到保證,分析結(jié)果才被認(rèn)為可靠。
Pro/M檢驗收斂性的方式有三種:Quick Check、Single-Pass Adaptive、Multi-Pass Adaptive。Quick Check只適用于粗略計算,不能作為最終的計算結(jié)果。
2.5 Pro/M的敏感度分析
敏感度分析可以計算零件的某一尺寸對分析目標(biāo)的影響程度。從而得知那一尺寸對零件的分析目標(biāo)影響最大。在進行敏感度分析前,你需要指定設(shè)計變量的變化范圍,系統(tǒng)自動改變變量的值,重新再生模型并進行分析研究?？梢酝ㄟ^輸出窗口來顯示變量與分析目標(biāo)之間的變化關(guān)系。
2.6 Pro/M的優(yōu)化設(shè)計
Pro/M的優(yōu)化設(shè)計是指給定一些約束條件(某一點的最大位移量等),在設(shè)計變量允許的范圍內(nèi),尋求使設(shè)計目標(biāo)變量最佳(如總質(zhì)量最小、體積最小、成本最低)的方法。最優(yōu)方案是最有效率的方案。使用Pro/M節(jié)省了設(shè)計人員的重復(fù)勞動。優(yōu)化過程可以通過圖形來表示。
3 Pro/M應(yīng)用實例
為了使Pro/M的分析結(jié)果與理論計算結(jié)果進行對比,我選擇大學(xué)《材料力學(xué)》中的習(xí)題作為Pro/M的實例。
3.1 題目:
一懸臂梁、截面為矩形,截面高度為80mm,寬40mm。懸臂梁長2000mm,在1000mm處受向下力,大小2500N,在頭端受向上力,大小5000N。求梁內(nèi)的最大彎曲正應(yīng)力。理論計算答案:176MPa。

Pro/Mechanica機構(gòu)力學(xué)分析+學(xué)習(xí)資料圖片1
3.2 Pro/M解決方法:
題目分析:這是一典型的懸臂梁的題目,可以用Pro/M的理想化模型的梁單元來分析以提高運行效率和精度。測試環(huán)境為使用集成模式下的Pro/M。
解題步驟:
3.2.1 建立Pro/M模型,由于已經(jīng)把模型理想化為梁,所以在proe中只需輸入三個基準(zhǔn)點。啟動proe,輸入文件名:liang,插入三個基準(zhǔn)點,輸入坐標(biāo)分別為PNT0(0,0,0)、PNT1(1000,0,0)、PNT2(2000,0,0)。
3.2.2 點擊應(yīng)用程序→Pro/Mechanica,進入Pro/M工作狀態(tài)。出現(xiàn)單位提示窗口。如果力的單位為N、長度單位為mm、時間單位為s,說明你的單位為國際標(biāo)準(zhǔn)單位,否則應(yīng)返回proe中重新設(shè)定單位。
3.2.3 選擇菜單structure(結(jié)構(gòu))→idealizations(理想化)→beams(梁)→new(新建)
出現(xiàn)梁屬性定義對話框(如圖2所示)。輸入梁的名稱或使用缺省。參考選Point-Point,定義點,選擇PNT0和PNT1,材料選擇STEEL(鋼),類型為beam(梁)。然后定義截面形狀。Pro/M中已經(jīng)內(nèi)置了許多常用的截面,如矩形、中空矩形、工字梁等。點擊section(截面)旁邊的More按鈕→Edit(編輯),出現(xiàn)圖3所示的對話框。輸入截面的高度80和寬度40。

Pro/Mechanica機構(gòu)力學(xué)分析+學(xué)習(xí)資料圖片2

圖2

Pro/Mechanica機構(gòu)力學(xué)分析+學(xué)習(xí)資料圖片3
圖3

3.2.4 同樣的方法定義PNT1和PNT2之間的梁單元。
3.2.5 定義約束:選擇菜單structure(結(jié)構(gòu))→Model(模型)→Constraints(約束)→new,定義點約束,完全約束點PNT0(即約束PNT0的六個自由度)。
3.2.6 定義載荷:選擇菜單structure(結(jié)構(gòu))→Model(模型)→Loads(載荷)→new,定義點載荷,選擇PNT1,Y方向輸入-2500N,再新建點載荷,選擇PNT2 ,Y方向大小5000N。
3.2.7 定義分析:選擇菜單structure(結(jié)構(gòu))→Analyses(分析)→new。彈出對話框,可以看到在分析定義中已經(jīng)包括了前面定義的約束和載荷,收斂方式選擇Multi-Pass Adaptive,最大階數(shù)為6,收斂度為10%。
3.2.8 運行分析:選擇菜單structure(結(jié)構(gòu))→run,在運行分析時,可以定義分析結(jié)果文件輸出位置、運行分析所使用機器的內(nèi)存大小。
3.2.9 分析結(jié)果:下面為結(jié)果文件anaylasis1.rpt(由于篇幅,刪除無關(guān)內(nèi)容)。
    Total Mass of Model: 5.009331e-02   //模型質(zhì)量
    Constraint Set: ConstraintSet1          //約束條件
    Load Set: LoadSet1                      //載荷
        Measures:
            Name              Value      Convergence
       --------------     ------------- -----------
       max_beam_bending:   1.757813e+02      0.0%
       max_beam_tensile:   0.000000e+00      0.0%
       max_beam_torsion:   0.000000e+00      0.0%
       max_beam_total:     1.757813e+02      0.0%
       max_disp_mag:       3.300328e+01      0.0%
       ......
       max_stress_vm:      1.757813e+02      0.0%
       ......
       strain_energy:      7.028312e+04      0.0%
    也可以用圖形直觀表示:

Pro/Mechanica機構(gòu)力學(xué)分析+學(xué)習(xí)資料圖片4

結(jié)果表明:Pro/M的計算結(jié)果為175.8MPa,與理論計算結(jié)果完全一致。
4 結(jié)論
Pro/M的功能非常強大,由于時間、精力有限,敏感度分析、優(yōu)化設(shè)計及零件的模態(tài)分析不在本文探討。Pro/M具有諸多優(yōu)點,被廣泛應(yīng)用在機械設(shè)計、仿真設(shè)計、機械加工設(shè)計、模具設(shè)計等領(lǐng)域。是機械工程師進行結(jié)構(gòu)設(shè)計、有限元、優(yōu)化設(shè)計分析的強有力CAE工具。能很大程度提高設(shè)計水平、減少投入成本、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。

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