ANSYS參數(shù)化編程語(yǔ)言的二次開(kāi)發(fā)及應(yīng)用

2013-08-13 by:廣州有限元培訓(xùn)實(shí)踐中心來(lái)源:仿真在線

ANSYS是一種集結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁和聲學(xué)于一體的大型通用有限元分析軟件,在工程設(shè)計(jì)和科學(xué)研究中應(yīng)用廣泛,尤其是結(jié)構(gòu)分析模塊特別是結(jié)構(gòu)靜力分析模塊在機(jī)械工程中應(yīng)用最廣。ANSYS還提供了參數(shù)化編程語(yǔ)言APDL (ANSYS Parameter Design Language)用于二次開(kāi)發(fā),可以自動(dòng)完成某些功能或建模,大大擴(kuò)展了軟件的功能。本文針對(duì)結(jié)構(gòu)分析的某些場(chǎng)合,需多次計(jì)算變形和應(yīng)力,采用APDL語(yǔ)言進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),可以自動(dòng)進(jìn)行多次分析求解和處理計(jì)算結(jié)果,大大減輕了人工數(shù)據(jù)處理計(jì)算工作量。一個(gè)典型問(wèn)題是柔度矩陣的計(jì)算,以此為前提的變形矩陣法是解決計(jì)入軸瓦表面彈性變形的滑動(dòng)軸承潤(rùn)滑分析的常用方法。但采用常規(guī)的人工方法建立柔度矩陣需反復(fù)多次進(jìn)行有限元分析建模、求解和計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)的處理,過(guò)程煩瑣復(fù)雜,工作量浩大且易出現(xiàn)人為錯(cuò)誤。另一個(gè)典型問(wèn)題是曲軸軸頸表面動(dòng)應(yīng)力計(jì)算,情況也類似。由于曲軸結(jié)構(gòu)復(fù)雜,有限元網(wǎng)格較多,瞬態(tài)動(dòng)力分析計(jì)算量浩大,個(gè)人微機(jī)難以完成計(jì)算工作,本文提出的結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算法是一個(gè)有效方法?，F(xiàn)就上述兩個(gè)問(wèn)題的APDL參數(shù)化編程求解展開(kāi)討論。

1 變形矩陣的計(jì)算

    1.1變形矩陣法

    變形矩陣法是一種求解計(jì)入軸瓦變形時(shí)滑動(dòng)軸承潤(rùn)滑分析的有效方法,計(jì)算軸承孔表面變形的基本公式為:

ANSYS參數(shù)化編程語(yǔ)言的二次開(kāi)發(fā)及應(yīng)用ansys培訓(xùn)的效果圖片1

式中δrs為實(shí)際油膜壓力作用下軸承孔表面上各節(jié)點(diǎn)的徑向變形量(r=1,2,…,m;s=1,2,…,n);Cy為作用在節(jié)點(diǎn)ij處的單位油膜壓力使節(jié)點(diǎn)rs產(chǎn)生的徑向變形量:Pij為作用在節(jié)點(diǎn)ij處的實(shí)際節(jié)點(diǎn)油膜壓力。

2.2變形矩陣的求取

    軸瓦表面變形矩陣的求取,采用ANSYS中的參數(shù)化編程語(yǔ)言APDL編寫(xiě)專門(mén)的程序?qū)崿F(xiàn)。其求解步驟如下:

    1)在ANSYS環(huán)境下建立主軸承座的有限元計(jì)算模型,實(shí)際的主軸承由軸瓦、主軸承蓋和屬于機(jī)體一部分的主軸承座上半部分組成。為便于分析計(jì)算,利用其對(duì)稱性,軸承座部分只截取一個(gè)空心圓柱體(如圖1所示)。選擇solid45單元,在軸承內(nèi)表面軸承襯部分(厚度0.5 mm)劃分為均勻六面體單元網(wǎng)格,與有限差分法進(jìn)行潤(rùn)滑分析的網(wǎng)格(17 x 36 )一致。其余部分則自由劃分單元網(wǎng)格,共得到8227個(gè)單元、827節(jié)點(diǎn)。

    2)記數(shù)器置1并確定計(jì)算點(diǎn)數(shù)。根據(jù)對(duì)稱性和圓周方向的重復(fù)性,可取計(jì)算點(diǎn)數(shù)為num = 17,即軸瓦內(nèi)表面的軸向節(jié)點(diǎn)數(shù)。

    3)動(dòng)態(tài)施加邊界條件。根據(jù)主軸承結(jié)構(gòu)特點(diǎn),位移邊界條件為約束軸承座圓柱表面的全部自由度;載荷邊界條件即為施加在對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)上的單位徑向壓力。

    4)有限元分析求解并記錄軸瓦內(nèi)表面所有節(jié)點(diǎn)的徑向位移;記數(shù)器n=n+1。
    5)若記數(shù)器n>num,輸出計(jì)算結(jié)果;否則,選擇下一個(gè)節(jié)點(diǎn),轉(zhuǎn)步驟3),計(jì)算流程如圖2所示。

采用本文提出的方法可一次直接計(jì)算出柔度矩陣,實(shí)現(xiàn)了計(jì)算結(jié)果和后續(xù)數(shù)據(jù)的自動(dòng)記錄和處理,大大簡(jiǎn)化了求解過(guò)程。圖3就是軸瓦表面某節(jié)點(diǎn)的柔度矩陣。

2 曲軸動(dòng)應(yīng)力的計(jì)算

    2.1 結(jié)構(gòu)靜力分析法

    內(nèi)燃機(jī)曲軸結(jié)構(gòu)復(fù)雜,在額定工況下工作,曲軸承受周期性變載荷作用。有關(guān)曲軸動(dòng)應(yīng)力的計(jì)算,采用較多的方法是計(jì)算內(nèi)燃機(jī)工作時(shí)活塞膨脹做功行程最大壓力和最小壓力2個(gè)工況下的應(yīng)力,該法只能近似計(jì)算出曲軸最大應(yīng)力和最小應(yīng)力。對(duì)于曲軸頸上油膜壓力的處理,大多采用周向分布在中心角120°范圍內(nèi)按照余弦函數(shù)分布,軸向分布按拋物線分布的假設(shè)計(jì)算。這種計(jì)算方案的合理性值得商榷。實(shí)際上,曲軸動(dòng)應(yīng)力主要取決于作用于軸頸上油膜壓力,而油膜壓力是動(dòng)態(tài)變化的,沿曲軸頸分布和隨時(shí)間的變化與曲軸一軸承系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和摩擦學(xué)行為密切相關(guān)。而按照作用在曲軸頸表面動(dòng)態(tài)油膜壓力進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力分析,則由于曲軸結(jié)構(gòu)復(fù)雜,有限元分析的單元?jiǎng)澐州^多,計(jì)算規(guī)模過(guò)于浩大,計(jì)算耗時(shí)過(guò)長(zhǎng),導(dǎo)致個(gè)人微機(jī)難以完成計(jì)算任務(wù)。本文提出的結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算法,其基本思路是將動(dòng)態(tài)油膜壓力動(dòng)態(tài)施加曲軸頸載荷邊界條件,進(jìn)行多次結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算并自動(dòng)記錄計(jì)算結(jié)果。這一計(jì)算過(guò)程就可以很方便地采用APDL語(yǔ)言開(kāi)發(fā)專門(mén)的計(jì)算程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.2計(jì)算模型及步驟

    曲軸頸表面動(dòng)應(yīng)力計(jì)算與柔度矩陣的計(jì)算十分相似,主要計(jì)算步驟如下:

    1)在ANSYS環(huán)境下建立曲軸的幾何模型并劃分有限元計(jì)算網(wǎng)格,如圖4所示,由39950個(gè)單元、72462個(gè)節(jié)點(diǎn)組成。由于需要研究動(dòng)態(tài)油膜壓力對(duì)曲軸頸表面動(dòng)應(yīng)力分布的影響,根據(jù)軸的幾何特點(diǎn),選擇solid45單元,曲軸頸表面的網(wǎng)格劃分進(jìn)行人為控制,使之與有限差分法進(jìn)行軸承潤(rùn)滑分析時(shí)的網(wǎng)格劃分一致,而其它部分則自由劃分網(wǎng)格單元。

    2)確定動(dòng)應(yīng)力的計(jì)算點(diǎn)數(shù)num。(如num=72),令記數(shù)器n=1。

    3)動(dòng)態(tài)施加邊界條件。

    位移邊界條件取在各主軸頸中央截面軸心節(jié)點(diǎn)處約束垂直和水平方向自由度,約束曲軸左端面(帶輪端)的軸向自由度,并約束該端面繞z軸旋轉(zhuǎn)自由度。在曲軸頸表面動(dòng)態(tài)施加力邊界條件,即動(dòng)態(tài)施加曲軸頸表面的節(jié)點(diǎn)力。節(jié)點(diǎn)力來(lái)源于由存人動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)力的數(shù)據(jù)文件。它是通過(guò)曲軸軸承系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和摩擦學(xué)禍合分析后得到軸頸中心運(yùn)動(dòng)參數(shù),再潤(rùn)滑分析得到動(dòng)態(tài)油膜壓力,然后轉(zhuǎn)換成節(jié)點(diǎn)力。節(jié)點(diǎn)力按下式計(jì)算:

ANSYS參數(shù)化編程語(yǔ)言的二次開(kāi)發(fā)及應(yīng)用ansys仿真分析圖片2

4)在ANSYS環(huán)境下進(jìn)行有限元計(jì)算,記錄指定節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力。

5)若計(jì)數(shù)器n≥num,輸出計(jì)算結(jié)果,計(jì)算結(jié)束;否則,轉(zhuǎn)到步驟3。

    2.3計(jì)算結(jié)果

    在內(nèi)燃機(jī)的一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)取72個(gè)計(jì)算點(diǎn),即曲軸每轉(zhuǎn)動(dòng)CA=10°選取一個(gè)應(yīng)力計(jì)算采樣點(diǎn)。每計(jì)算一個(gè)采樣點(diǎn)的應(yīng)力都從保存動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)載荷的數(shù)據(jù)文件里讀取與之對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)并施加到曲軸軸頸表面,然后求解并記錄指定節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力值。整個(gè)計(jì)算過(guò)程采用(如圖5所示)參數(shù)化編程語(yǔ)言APDL編寫(xiě)專用的計(jì)算程序?qū)崿F(xiàn)。在奔騰IV2.8 GHz內(nèi)存512 MB的PC機(jī)上,一個(gè)計(jì)算點(diǎn)耗時(shí)約16 min,一個(gè)工作循環(huán)的應(yīng)力計(jì)算歷時(shí)約19 h。

采用本文提出的方法,可以計(jì)算出曲軸表面任意節(jié)點(diǎn)上的應(yīng)力在內(nèi)燃機(jī)一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)的變化。通過(guò)曲軸頸左中右截面以及上下表面直線上節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分析比較,可知,危險(xiǎn)截面位于第2曲柄銷的左截面上。圖6是第2曲柄銷左中右截面上等效動(dòng)應(yīng)力σe的周向分布及隨時(shí)間的變化,這里的等效應(yīng)力是按照第3強(qiáng)度理論得到的相當(dāng)應(yīng)力。圖7是第2曲柄銷在上下表面直線上等效動(dòng)應(yīng)力σe軸向分布及隨時(shí)間的變化。它們形象地反映了曲軸頸表面動(dòng)應(yīng)力的時(shí)空分布特征。圖8是危險(xiǎn)點(diǎn)動(dòng)應(yīng)力變化曲線,它是曲軸強(qiáng)度計(jì)算的重要依據(jù)。

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