基于Catia 建模Workbench 仿真的水杯自由落體顯示動力學(xué)分析

鄧曉龍，馮國勝，李鵬飛

(石家莊鐵道大學(xué) 機械工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

水杯是我們?nèi)粘Ｓ脕硎⒀b液體的容器，水杯的損壞很大程度是由于跌落碰撞，導(dǎo)致金屬材料出現(xiàn)凹坑，塑料材料出現(xiàn)裂痕等等。跌落試驗分析參數(shù)可由試驗測得，但碰撞時間短，過程復(fù)雜，不易控制，不能完整的展現(xiàn)跌落碰撞全過程，因此對于跌落碰撞中受力變形很難得到全面而精確的評定。但在許多發(fā)達國家中，傳統(tǒng)的產(chǎn)品跌落沖擊試驗已經(jīng)逐漸由計算機模擬仿真來完成［1］。跌落仿真的出現(xiàn)很好的解決了這一問題。

1 軟件介紹

Catia V5 軟件是一款功能強大應(yīng)用范圍廣泛的CAD/CAE/CAM 集成化三維軟件，可以對產(chǎn)品整個開發(fā)過程的各個方面進行仿真，包括概念設(shè)計、工程分析、成品定義及產(chǎn)品制造等［2］。

Workbench 是ANSYS 公司開發(fā)的新一代協(xié)同仿真環(huán)境，與傳統(tǒng)ANSYS 相比，Workbench 有利于協(xié)同仿真、項目管理功能，可對復(fù)雜的幾何模型進行高質(zhì)量的網(wǎng)格劃分，自帶可定制的工程材料數(shù)據(jù)庫，方便操作者進行編輯、應(yīng)用，并且支持幾乎所有的有限元分析功能［3］。

本文利用Catia 建立三維模型，導(dǎo)入到ANSYS Workbench 中，對水杯的跌落試驗進行有限元仿真分析。分析水杯在自由落體碰撞的動態(tài)過程中所產(chǎn)生的應(yīng)力，為水杯的設(shè)計、幾何參數(shù)、材料厚度等提供參考。大大地縮短產(chǎn)品的研制周期，降低研發(fā)費用。

2 Catia 三維建模

水杯外壁多為金屬材料，有很好的延展性和強度，使水杯跌落時不易碎裂。內(nèi)壁多為隔熱保溫的陶瓷材料，這樣避免了金屬材料強的傳熱性，當(dāng)杯中盛裝熱水時不易燙手，且保溫時間更長。本文建立的三維模型的幾何參數(shù)如表1 所示，對水杯在距離地面1 m 的高處自由落體碰撞模擬仿真。

在Catia 機械設(shè)計—零件設(shè)計模塊中建模分析與注意事項:1)內(nèi)外壁具有不同材料，應(yīng)在不同幾何體中分別建模。2)外壁輪廓旋轉(zhuǎn)處理，內(nèi)壁旋轉(zhuǎn)后進行抽殼處理。3)復(fù)制外壁的草繪圖粘貼到內(nèi)壁的幾何體中，對草圖添加約束和修改實現(xiàn)內(nèi)壁的建模。

水杯的三維模型如圖1 所示。為了便于觀察，設(shè)置內(nèi)外壁顏色和透明度。將模型另存為.igs 格式，為導(dǎo)入Workbench 軟件做好準(zhǔn)備。

表1 水杯的幾何參數(shù)

3 顯示動力學(xué)分析模塊

Explicit Dynamics 是Workbench 的顯示動力學(xué)分析模塊，主要基于Autodn 產(chǎn)品的拉格朗日算子部分，是workbench 界面下新的顯示計算軟件，可充分利用workbench 快速高效的前處理技術(shù)，能更方便地實現(xiàn)與其他模塊數(shù)據(jù)共享，實現(xiàn)如電子產(chǎn)品跌落、高速沖擊碰撞等顯示動力學(xué)分析問題［4］。因此，我們選用Workbench 軟件工具箱中的Explicit Dynamics 模塊來進行跌落碰撞分析。

3.1 定義材料屬性

在Engineering Data 中選擇三維模型的材料，Workbench 自帶了材料庫，也可自定義材料。本文選用Workbench 自帶材料庫中的AL2O3CERA(陶瓷)材料和Aluminum Alloy(鋁合金)材料。地面的材料在Engineering Data 中自定義，地面材料屬性如表2［5］所示。

表2 地面材料屬性

3.2 導(dǎo)入模型

在Geometry 下導(dǎo)入三維模型，并進入Geometry，設(shè)計樹中顯示凍結(jié)狀態(tài)的3 個parts 3 個bodies，為實現(xiàn)動力學(xué)分析，內(nèi)外壁材料不同，在分析過程中二者具有拓撲關(guān)系，在劃分網(wǎng)格時應(yīng)有體現(xiàn)，內(nèi)外壁劃分網(wǎng)格的節(jié)點是相連接的。將內(nèi)外壁解除凍結(jié)并組成一個新的Part，則模型變成2個parts 3 個bodies，如圖2 所示。

3.3 前處理

3.3.1 賦模型材料

進入Model，忽略地面變形量，觀察水杯碰撞變形和應(yīng)力情況。給地面賦自定義dimian 材料，設(shè)置為剛性體，可減少計算機計算的時間;給水杯外壁賦Aluminum Alloy 材料;給水杯內(nèi)壁賦AL2O3CERA 材料。

3.3.2 接觸處理地面和外壁間是相切的，導(dǎo)入模型后，Workbench 默認他們之間不允許面或線間有相對滑動或分離［4］。根據(jù)水杯與地面碰撞的實際情況，定義接觸。

3.3.3 網(wǎng)格劃分

Workbench 具有強大的劃分網(wǎng)格功能，可控制網(wǎng)格的大小和形狀。網(wǎng)格劃分的越小計算的精確度越高，但會大大延長計算時間，計算時間取決于模型中最小單元的尺寸，因此要控制好單元的劃分［6］。相關(guān)度設(shè)置為0，相關(guān)中心設(shè)置為Medium，進行網(wǎng)格劃分。在水杯和地面的接觸部分，因碰撞接觸產(chǎn)生應(yīng)力，要對內(nèi)外壁進行網(wǎng)格細化，控制網(wǎng)格大小為2 mm，生成11 049 個節(jié)點，38 765 個單元。水杯網(wǎng)格剖面圖如圖3 所示。

3.4 邊界條件的約束

在碰撞中地面視為剛體，不發(fā)生位移變化，添加固定約束。

水杯初速度的設(shè)置:

1)模型建在離地面1m 的高處，初速度設(shè)為0 m/s。

2)模型與地面相切，初速度設(shè)為4.427 m/s。

鑒于Workbench Explicit Dynamics 模塊基于Autodn 產(chǎn)品的拉格朗日算子，綜合考慮計算時間，本文選用第二種方法建模設(shè)置初速度，設(shè)定分析時間為0.000 25 s。

3.5 求解

水杯碰撞前后系統(tǒng)內(nèi)外壁的應(yīng)力云圖，如圖4、圖5 所示。系統(tǒng)的最大位移云圖，如圖6 所示。

4 水杯與地面成角度碰撞分析

在現(xiàn)實生活中，水杯與地面發(fā)生碰撞多是成一定角度的。建模分析求解過程與上文類似，分析水杯與地面成60 度的傾斜角碰撞的情況。

5 結(jié)論

水杯與地面垂直碰撞、水杯與地面成60°角碰撞的參數(shù)對比，如表3 所示。

表3 碰撞完成參數(shù)對比表

水杯內(nèi)外壁陶瓷和鋁合金在垂直碰撞過程中所產(chǎn)生的應(yīng)力都在各自的許用應(yīng)力范圍之內(nèi)，水杯表面幾乎無凹坑，沒有發(fā)生破壞。但是，在與地面成一定角度時，碰撞過程中最大位移和最大應(yīng)力都大大的增加，超出許應(yīng)應(yīng)力范圍，會有凹坑出現(xiàn)，破壞嚴重。這與現(xiàn)實情況相符，垂直碰撞為面接觸，成角度碰撞則為點接觸，接觸面積減小，應(yīng)力位移就會增大。則證明本文的仿真過程是正確的。

本文為產(chǎn)品的碰撞仿真分析提供了一個思路，并且解決了不同材料間具有拓撲關(guān)系的有限元網(wǎng)格劃分。在產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計中，利用三維軟件CATIA 進行實體建模，ANSYS Workbench 模擬仿真，廠家不用再做產(chǎn)品破壞試驗，減少實驗次數(shù)，縮短產(chǎn)品研發(fā)時間，本文為廠家提供一定參考，在現(xiàn)實中具有重要意義［8］。

［1］ 韓春曉，付蕓.基于ANSYS Workbench 的鏡頭跌落仿真分析研究［J］.長春大學(xué)學(xué)報，2013，23(2):149－150.

［2］ 胡友安，梁國濤，李慧賢.基于ANSYS Workbench 的客車座椅滑軌接觸有限元分析［J］.中國工程機械學(xué)報，2013，11(5):421－422.

［3］ 呂建國，康士廷.ANSYS Workbench 14 有限元分析自學(xué)手冊［M］.北京:人民郵電出版社，2013.

［4］ 買買提明－艾尼，陳華磊.ANSYS Workbench 14.0 仿真技術(shù)與工程實踐［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2013.

［5］ 董銀飛.汽車復(fù)合材料吸能裝置設(shè)計與仿真方法研究［D］.山東:山東理工大學(xué)，2014.

［6］ 陸爽，孫明禮，丁金福，等.ANSYS Workbench 13.0 有限元分析從入門到精通［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2012.

［7］ 崔占全，孫振國.工程材料［M］.第二版.北京:機械工業(yè)出版社，2007.

［8］ 汪洪雷.多工況下汽車驅(qū)動橋橋殼靜力學(xué)有限元分析［J］.汽車實用技術(shù)，2011(9－10 期合刊):14－15.