proe在結構分析中的運用

2013-06-12 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

proe能實現(xiàn)幾何建模和結構分析的無縫集成,提高了新產(chǎn)品開發(fā)的效率和可靠性。文章簡述了proe在結構設計中的一般流程,以平面四桿機構為例,說明proe在結構分析中的運用。利用proe建立四桿機構的實體模型,然后進行了機構動力學仿真分析,并驗證了仿真結果的正確性。在此基礎上,采用負荷轉移到結構的方式來定義載荷,對中間連桿進行了結構強度分析,結果表明,這樣更加有效快捷。

0 引言

隨著計算機技術的發(fā)展,計算機輔助設計越來越廣泛地應用于產(chǎn)品設計,這種輔助設計即包括傳統(tǒng)的二維設計的數(shù)字化,還包括零部件的可裝配性、運動學分析及用有限元技術分析零部件的結構強度、剛度和模態(tài)等。

美國PTC公司推出的proeNGINEER (proe)可以完全實現(xiàn)幾何建模和結構分析的無縫集成。用戶在proe環(huán)境下完成零件的幾何建模后,無需退出設計環(huán)境就能進行結構分析,這是目前絕大多數(shù)軟件所不能做到的。在此之前,機械設計工程師進行分析時,首先需要使用幾何建模功能強的軟件進行建模,然后利用IGES或者STEP格式將數(shù)據(jù)導入其它分析軟件進行分析。在這種情況下,最大弊端是數(shù)據(jù)的丟失,分析人員常常需要花費大量的時間和精力進行幾何模型的修復。因此,Pro/MECHANICA可以讓結構工程師將精力集中在設計工作上,在設計初期就能因為結合了分析,從而縮短了整個設計周期并降低開發(fā)費用。

1 proe結構設計的一般流程

傳統(tǒng)機械產(chǎn)品設計過程是先制定設計方案,通過理論分析,計算其運動學或者動力學特性,然后再進行優(yōu)化、強度分析及結構設計等。這個過程單就運動學或者動力學特性分析而言,要經(jīng)過大量的圖解計算或分析計算,繁瑣而復雜。運用proe進行仿真分析,能大大縮短設計周期,其工作流程如圖1所示。

proe在結構分析中的運用proe技術圖片1

1.1 參數(shù)化建模

參數(shù)化建模是一種使用重要幾何參數(shù)快速構造和修改幾何模型的造型方法,采用參數(shù)化模型,通過調(diào)整參數(shù)來修改和控制幾何形狀,為零件乃至整個產(chǎn)品的自動化驅(qū)動更新提供了基礎。

1.2 機構裝配

裝配過程就是確定裝配體中各組成零件如何連接的過程,零件之間的連接關系即為裝配關系。進行零件裝配時最重要的步驟就是對零部件進行適當?shù)募s束,proe在裝配中提供了多種連接約束,有銷釘、平面、球、軸承等。

1.3 機構分析

機構分析模塊是proe的一個仿真模塊,在機構分析中通過伺服電機驅(qū)動機構運動,還可以添加運動副、阻尼等來模擬現(xiàn)實中的外部環(huán)境,進而分析機構的運動特點。通過仿真分析能夠得到機構元件的位置、速度及關鍵部件的受力情況,從而檢查機構的運動能否達到設計要求,并為后面的結構分析提供負荷輸出。

1.4 結構強度分析

當機構分析獲得系統(tǒng)靜態(tài)和動態(tài)載荷后,就可以確定其典型工況下的受力情況并進行結構的強度分析。這里主要是應用Pro/MECHANICA STRUCTURE結構分析軟件包對其進行結構分析和優(yōu)化分析,由于理論已經(jīng)軟件化,即使非專業(yè)分析工程師也能進行復雜模型的結構分析,大大提高了設計效率,增加產(chǎn)品的安全性。

2 proe結構分析實例

2.1 模型的建立

(1)運用proe軟件建立四桿機構各部分的實體模型,曲柄尺寸(mm)為90×10×10,連桿尺寸為260×10×10,搖桿尺寸為150×10×10,機架尺寸為210×10×10。

(2)曲柄、連桿、搖桿、機架被添加為steel材料。

(3)把建好的四桿機構模型進行裝配,建立相應的運動連接。機架被定義為地,各桿件連接均定義為銷釘連接,裝配好的四桿機構如圖2所示。

proe在結構分析中的運用proe技術圖片2

2.2 動力學仿真結果及分析

(1)設置運行環(huán)境。模型裝配好后進入機構模塊,定義伺服電機設定曲柄的驅(qū)動速度為600 r/min,在搖桿上施加3000 N·mm的阻力矩,設置曲柄連接軸的初始角速度為600 r/min。新建一個分析,分析類型為“動態(tài)”分析,忽略重力的影響,模型運動時間設為0·1S,曲柄剛好運行一圈,幀頻設為3600。

(2)分析、獲取結果。運行分析,點擊進入生成分析的測量結果對話框,創(chuàng)建新測量,分別定義連桿兩端的連接反作用力,顯示結果如圖3a所示。

proe在結構分析中的運用proe技術圖片3
(3)將載荷轉移到結構中。點擊“機構”———“在結構中使用”彈出“負荷輸出”對話框,“主體”和“分量”都選擇連桿,在“估算”下拉列表中選擇“時間”,具體時間可由圖3a中讀出,如圖4所示,此時的載荷輸出為連桿兩端的作用力及慣性載荷。

proe在結構分析中的運用proe技術圖片4

(4)分析結果的驗證四桿機構的數(shù)學模型如圖5所示,各桿長度為li,轉動慣量為Ji,角速度為ωi,角加速度為αi,質(zhì)心加速度為ai,鉸鏈在X、Y方向的力分別為Rix、Riy;外部阻力矩和為M。

proe在結構分析中的運用proe技術圖片5

以連桿為例,不難求出質(zhì)心加速度a2x、a2y和角加速度α2,從而算得慣性力和慣性力矩,由平衡條件可以列出下列方程組:

proe在結構分析中的運用proe技術圖片6

同理,可以建立曲柄和搖桿的二組方程,一共得到三組共九個方程,從中可以解得鉸鏈處作用力的八個分力和電機驅(qū)動力矩。代入初始條件,得到連桿兩端作用力如圖3b。

從圖3中可以看出仿真結果和傳統(tǒng)計算曲線在數(shù)值大小和變化趨勢上吻合的很好,峰值誤差在0·1%以內(nèi),說明proe的仿真結果是可信的。

2.3 Mechanica結構強度分析
(1)打開連桿零件,進入Pro/Mechanica,指定分析類型為基本模式;

(2)定義零件材料。在材質(zhì)庫中選擇Steel并分配給連桿;

(3)設置負載。單擊“插入”———“機構負荷”,將動力學分析得到的連桿兩端載荷轉移到結構中分析中,并將載荷作用在銷釘孔,同時施加慣性載荷;將連桿一端進行固定約束;

(4)運行分析。新建分析任務,并運行分析;

(5)查看分析結果。從應力云圖中可以看出銷釘孔處應力較大,可根據(jù)實際情況進行校核。

proe在結構分析中的運用proe模型圖圖片7

3 結束語

利用proe可以有效地對運動機構進行分析,proe軟件系統(tǒng)各功能模塊的綜合應用減少了不同功能軟件系統(tǒng)在數(shù)據(jù)交換中的錯誤, proe還是建立在統(tǒng)一的基礎數(shù)據(jù)庫上,這為設計人員提供了協(xié)同工作環(huán)境,極大地改進了產(chǎn)品的設計過程,并且保證產(chǎn)品數(shù)據(jù)的一致性。在本例的結構分析中,中間連桿所受的載荷由機構分析中的載荷輸出得到,這樣可節(jié)省大量人工計算的時間,減少人為計算誤差,為后續(xù)分析提供一系列可靠的數(shù)據(jù)。

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