將運(yùn)動(dòng)模擬與FEA結(jié)合使用

2013-07-26 by:廣州solidworks培訓(xùn)中心來(lái)源:仿真在線

將運(yùn)動(dòng)模擬與FEA結(jié)合使用

要想懂得運(yùn)動(dòng)模擬和FEA在機(jī)構(gòu)模擬中如何結(jié)合使用,了解每種工具的基本假設(shè)會(huì)對(duì)您有所幫助。

FEA是一種用于結(jié)構(gòu)分析的數(shù)字技術(shù),已經(jīng)成為研究結(jié)構(gòu)的主導(dǎo)CAE方法。它可以分析任何固定支撐的彈性物體的行為,所示的托架。此處彈性是指物體可變形。如果應(yīng)用靜態(tài)載荷,拖架會(huì)變成新的變形形狀,之后將不再變化。如果應(yīng)用動(dòng)態(tài)載荷,拖架會(huì)圍繞平衡位置振動(dòng)。FEA可以研究應(yīng)用靜態(tài)或動(dòng)態(tài)載荷情況下拖架的位移、應(yīng)變、應(yīng)力和振動(dòng)。

相反,局部支撐的物體,如拖架上鉸接的調(diào)速輪,可以旋轉(zhuǎn)而無(wú)須變形。調(diào)速輪可像剛性實(shí)體那樣移動(dòng),因而該設(shè)備屬于機(jī)構(gòu),而非結(jié)構(gòu)。我們將使用運(yùn)動(dòng)模擬來(lái)研究調(diào)速輪的運(yùn)動(dòng)。如果將調(diào)速輪視為剛性實(shí)體,則無(wú)法計(jì)算應(yīng)變和應(yīng)力。

調(diào)速輪作為剛性實(shí)體圍繞將其連接到基體的鉸鏈旋轉(zhuǎn)。由于存在剛性實(shí)體運(yùn)動(dòng),因此將此設(shè)備歸類(lèi)為機(jī)構(gòu)。

乍一看,結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)之間的差異可能并不太明顯。它們都有兩個(gè)通過(guò)鉸鏈連接到不可移動(dòng)基體的擺動(dòng)桿。右邊的設(shè)備使用彈簧將擺動(dòng)桿與基體連接到了一起。沒(méi)有彈簧的設(shè)備屬于機(jī)構(gòu),因?yàn)槠鋽[動(dòng)桿不能自由旋轉(zhuǎn)。不論是圍繞鉸鏈旋轉(zhuǎn)還是圍繞平衡位置來(lái)回?cái)[動(dòng),在擺動(dòng)桿移動(dòng)過(guò)程中,此設(shè)備的任何零件都無(wú)須變形。擺動(dòng)桿顯示的是剛性實(shí)體運(yùn)動(dòng),因此將左邊的設(shè)備歸類(lèi)為機(jī)構(gòu)。設(shè)計(jì)人員可以使用運(yùn)動(dòng)模擬來(lái)研究其運(yùn)動(dòng)。

左邊的擺動(dòng)桿可進(jìn)行移動(dòng),而不會(huì)發(fā)生變形,因而屬于機(jī)構(gòu)。右邊的擺動(dòng)桿在進(jìn)行任何移動(dòng)時(shí)都會(huì)使彈簧變形,因而屬于結(jié)構(gòu)。

添加彈簧會(huì)更改設(shè)備的性質(zhì),這是因?yàn)樘砑訌椈珊髷[動(dòng)桿就不能在彈簧不發(fā)生變形的情況下進(jìn)行移動(dòng)了。擺動(dòng)桿連續(xù)運(yùn)動(dòng)的唯一一種可能形式是圍繞平衡位置來(lái)回?cái)[動(dòng)。擺動(dòng)桿運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生彈簧變形,因此右邊的設(shè)備應(yīng)歸類(lèi)為結(jié)構(gòu)。FEA可以分析擺動(dòng)桿振動(dòng),并且如有必要,還可以計(jì)算彈簧和其他視為彈性實(shí)體的零部件的應(yīng)變和應(yīng)力。

在完成運(yùn)動(dòng)模擬研究后,如果設(shè)計(jì)工程師想對(duì)任一機(jī)構(gòu)零部件執(zhí)行變形和/或應(yīng)力分析,則需要將所選零部件提供給FEA來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

運(yùn)動(dòng)模擬結(jié)果可提供輸入數(shù)據(jù),包括作用于每個(gè)機(jī)構(gòu)連桿的接點(diǎn)反作用力和慣性力,這需要使用FEA進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。不論接下來(lái)是否使用FEA,運(yùn)動(dòng)模擬肯定都會(huì)計(jì)算這些系數(shù)。按定義來(lái)說(shuō),接點(diǎn)反作用力和慣性力保持平衡;在一對(duì)平衡力作用下的機(jī)構(gòu)零部件可提交給FEA,而分析程序會(huì)將其作為結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理。

盡管工程師可以手動(dòng)將數(shù)據(jù)從運(yùn)動(dòng)模擬傳輸?shù)紽EA,但是如果運(yùn)動(dòng)模擬軟件可以將結(jié)果自動(dòng)導(dǎo)出到FEA,則可確保得到最佳結(jié)果。以此方式使用時(shí),運(yùn)動(dòng)模擬和FEA可以進(jìn)行所謂的“耦合的”模擬。這樣,就可以自動(dòng)定義FEA載荷,從而可以避免手動(dòng)設(shè)置中常見(jiàn)的猜測(cè)和可能發(fā)生的錯(cuò)誤。

所示的曲柄機(jī)構(gòu)問(wèn)題示例演示了耦合模擬。在該示例中,設(shè)計(jì)工程師要計(jì)算連桿中的最大應(yīng)力。

使用運(yùn)動(dòng)模擬可計(jì)算連桿兩端的反作用力。也可計(jì)算作用于連桿的慣性力。

將運(yùn)動(dòng)模擬與FEA結(jié)合使用的步驟為:

1.在為進(jìn)行研究而選擇的運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi),使用運(yùn)動(dòng)模擬計(jì)算作用于所有零部件的位移、速度、加速度、接點(diǎn)反作用力和慣性力。在這一步中,所有機(jī)構(gòu)連接裝置都被視為剛性實(shí)體。圖16中的曲線圖顯示了曲柄完整轉(zhuǎn)動(dòng)一周的過(guò)程中連桿上的接點(diǎn)反作用力。

2.找出與連桿接點(diǎn)上最高反作用力載荷相對(duì)應(yīng)的機(jī)構(gòu)位置。分析人員最常觀察的是最高反作用力,因?yàn)槭┘幼畲筝d荷的情況下進(jìn)行的分析將顯示連桿所承受的最大應(yīng)力。但是,如有必要,可以選擇任意多個(gè)位置進(jìn)行分析。

圖17可以根據(jù)任意多個(gè)曲柄軸機(jī)構(gòu)位置來(lái)確定作用于連桿的力(兩端的反作用力和慣性力)。

3.將這些反作用力載荷以及慣性載荷從CAD裝配體傳輸?shù)竭B桿CAD零件模型。

4.作用于從裝配體分離開(kāi)來(lái)的連桿上的載荷包括接點(diǎn)反作用力和慣性力,如圖18所示。根據(jù)d"Alambert原理,這些載荷是相互平衡的,這樣就可以將連桿視為處于靜態(tài)載荷下的結(jié)構(gòu)。

5.受到平衡靜態(tài)載荷的連桿會(huì)被指派彈性材料屬性并提交到FEA以進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析。FEA將執(zhí)行結(jié)構(gòu)分析以計(jì)算變形、應(yīng)變和應(yīng)力。

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