大型復(fù)雜機(jī)構(gòu)的CAE分析方法

文/李妍姝

大型復(fù)雜機(jī)構(gòu)的CAE分析方法

文/李妍姝

本文針對(duì)大型復(fù)雜機(jī)構(gòu)的有限元分析問題，提出了通用問題的分析流程，列舉了分解功能模塊的依據(jù)及分析處理的手段，并歸納了分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)時(shí)所用到的常用單元的具體使用。該方法使用兩種有限元軟件進(jìn)行分析并對(duì)比結(jié)果，仿真機(jī)構(gòu)的固有模態(tài)，并提出通用的避免共振的改善措施。

有限元 復(fù)雜機(jī)構(gòu) MPC 超單元 模態(tài)分析

1 復(fù)雜機(jī)構(gòu)的CAE分析方法

1.1 復(fù)雜機(jī)構(gòu)CAE分析流程

復(fù)雜機(jī)構(gòu)CAE分析流程如下：

（1）確定工程問題；

（2）建立CAD模型；

（3）模塊分析并確定分析方案；

（4）建立CAE模型并確定高級(jí)分析模塊；

（5）用至少2種分析軟件得到結(jié)果；

（6）對(duì)比2組結(jié)果的正確性；

（7）提出改善措施；

（8）分析改進(jìn)后方案選取最優(yōu)方案。

1.2 復(fù)雜機(jī)構(gòu)模塊分解

1.2.1 機(jī)構(gòu)部分模塊分解

在CAE分析時(shí)，可將復(fù)雜機(jī)構(gòu)根據(jù)工作狀態(tài)分為若干模塊。可將復(fù)雜機(jī)構(gòu)分為通用部分和關(guān)鍵特殊部分。通用部分包括：箱體、機(jī)架、軸類部件、齒輪部件、凸輪部件、鏈輪部件、連桿部件以及其他附件；關(guān)鍵特殊部分則為特殊機(jī)構(gòu)的非通用零件。對(duì)于非通用零件可特殊問題特別分析，分解為合適的模塊并為其挑選合適的單元。

1.2.2 連接部分處理方式

機(jī)構(gòu)的連接方式也決定了CAE模型的處理方式。常用部件連接方式及處理方法如表1所示。

1.3 常用單元介紹

表1：部件連接方式及處理方法

1.3.1 殼單元

殼單元是用有限元法對(duì)薄板件進(jìn)行分析時(shí)常采用的單元，在有限元分析中，長(zhǎng)寬尺寸遠(yuǎn)大于厚度尺寸的薄板件適用于殼單元。通過模擬計(jì)算可知，對(duì)于薄板件，當(dāng)滿足厚度：長(zhǎng)度：寬度小于1：10：10時(shí)，使用殼單元進(jìn)行簡(jiǎn)化分析是合理的。

1.3.2 梁?jiǎn)卧?/h4>

梁?jiǎn)卧怯糜邢拊▽?duì)細(xì)長(zhǎng)件進(jìn)行分析時(shí)最常采用的單元，梁?jiǎn)卧梢阅M界面尺寸遠(yuǎn)小于長(zhǎng)度尺寸的構(gòu)件。一般當(dāng)桿件兩制成的間距大于橫截面尺寸的3%-5%時(shí)，可采用梁?jiǎn)卧M。

1.3.3 MPC

MPC也稱為多點(diǎn)約束方程，常用來連接不連續(xù)、自由度不協(xié)調(diào)的單元，在連接邊界上的節(jié)點(diǎn)不必完全對(duì)應(yīng)。MPC多點(diǎn)約束可用于以下幾個(gè)方面：a、描述非常剛硬的結(jié)構(gòu)單元；b、在不同類型的單元間傳遞載荷；c、任意方向的約束；d、剛性連桿。

1.3.4 超單元

超單元也稱為子結(jié)構(gòu)，適用于求解大型問題，超單元分析主要是通過把整體結(jié)構(gòu)分化成很多小的子部件來進(jìn)行分析，即將結(jié)構(gòu)的特征矩陣(剛度、傳導(dǎo)率、質(zhì)量、比熱、阻尼等)壓縮成一組主自由度。使用超單元可以明顯節(jié)省機(jī)時(shí)，對(duì)于復(fù)雜機(jī)構(gòu)，還可以建立多級(jí)超單元，即在生成超單元時(shí)，生成部分的其中一個(gè)單元可以是以前生成的超單元。

2 復(fù)雜機(jī)構(gòu)的模態(tài)計(jì)算

常用CAE分析軟件的結(jié)果都包括如下功能演示：固有頻率、已擴(kuò)展的振型和相應(yīng)的應(yīng)力分布，均可用彩色云圖、矢量圖和列表來顯示。由于復(fù)雜機(jī)構(gòu)不可能應(yīng)用簡(jiǎn)單的力學(xué)公式直接計(jì)算，如果將其簡(jiǎn)化為通常的板殼結(jié)構(gòu)，則其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的作用將被忽略，難以真實(shí)地再現(xiàn)系統(tǒng)的全貌，因此可以將其結(jié)構(gòu)離散化，繼而進(jìn)行全面系統(tǒng)的分析。由于限元分析軟件多為黑箱操作。在完成建立模型、設(shè)定載荷、定義邊界條件后，由軟件完成計(jì)算，給出計(jì)算結(jié)果。操作者難以單純通過一種軟件證明結(jié)果的正確性。因此，在CAE分析過程中，為驗(yàn)證結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要使用多個(gè)軟件對(duì)結(jié)果進(jìn)行比較，判斷仿真精度。

3 通用改善措施

通過上述仿真結(jié)果，CAE分析平臺(tái)可對(duì)比外界激勵(lì)頻率判定是否會(huì)發(fā)生共振。通用的避免共振的改善措施有：

（1）保持原結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上加厚箱體或機(jī)架提高總質(zhì)量；

（2）添加加強(qiáng)筋以增加系統(tǒng)剛度；

（3）增加連接條以加強(qiáng)振動(dòng)變形顯著位置的剛性。

之后再對(duì)改進(jìn)后的機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真模擬，對(duì)比不同改進(jìn)方案的振型、頻率變化情況，驗(yàn)證方案是否可行。最終以經(jīng)濟(jì)性為標(biāo)準(zhǔn)，衡量各種方案的優(yōu)劣。

4 小結(jié)

本文概述了大型復(fù)雜機(jī)構(gòu)的CAE分析流程、分析方法，為日后大型復(fù)雜設(shè)備的CAE分析平臺(tái)做好了準(zhǔn)備工作。

[1]韓克平,李平.基于ANSYS環(huán)境下結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2002(09)：19-24.

[2]程凱.復(fù)雜機(jī)構(gòu)的CAE分析方法研究[D].天津：天津大學(xué),2007：18-24.

[3]黃華.精梳機(jī)支承結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)性能分析[D].上海：東華大學(xué),2011：46-58.

作者單位 山西大同大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 山西省大同市037000

李妍姝（1987-），女，山西省人。畢業(yè)于東華大學(xué)，工學(xué)碩士研究生。現(xiàn)任山西大同大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院助教。研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及理論。

●基金：“大同市平臺(tái)基地項(xiàng)目”（項(xiàng)目編號(hào)：2017159；項(xiàng)目名稱：大型機(jī)電裝備CAE仿真分析平臺(tái)）。