基于PROE的ANSYS的結(jié)構(gòu)分析

1、通過變流器結(jié)構(gòu)分析的計算實例，介紹了簡化有限元模型以及建立焊縫和螺檢連接結(jié)構(gòu)的方法。建模過程中實現(xiàn)了ProE和ANSYS的仿真環(huán)境相互集成，利用軟件的各自優(yōu)勢完成了模型簡化和求解分析。分析結(jié)果表明，該變流器體的強度和剛度達到了設(shè)計要求，該方法可為產(chǎn)品設(shè)計提供指導(dǎo)。 0 引言    高速、重載是鐵路現(xiàn)代化的重要標志之一。列車速度的提高、軸重的增加，以及惡劣的運行工況對機車車輛各主要承載部件(輪對、構(gòu)架、車體等)和安裝設(shè)備(變流器、電氣屏柜等)的安全性、可靠性提出了更高的要求。    然而在進行變流器柜體結(jié)構(gòu)設(shè)計時，常常要求結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量

2、輕，結(jié)構(gòu)強度與壽命的評估就變得愈來愈復(fù)雜，愈來愈重要。要進行結(jié)構(gòu)強度與壽命評估，經(jīng)常需要參照有關(guān)的理論、方法、行業(yè)上的規(guī)范及材料的數(shù)據(jù)，而這些理論、方法、資料大多是經(jīng)過大量實驗、工程實務(wù)歸納出來的。隨著現(xiàn)代計算機技術(shù)和有限元技術(shù)的發(fā)展，有限元技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，并與計算機輔助設(shè)計(CAD)和計算機輔助制造(CAM)密切結(jié)合，形成了現(xiàn)在計算機輔助工程(CAE)技術(shù)的整體構(gòu)架。    當(dāng)前CAD/CAE軟件開發(fā)的趨勢是專業(yè)化分工程度越來越高。ProE和ANSYS分別作為CAD和CAE領(lǐng)域的典型代表。ProE的機械設(shè)計模塊是一個高效的三維機械設(shè)計工具。ANSYS具有強

3、大的網(wǎng)格劃分、加載求解和后處理功能以及良好的開放性。ANSYS的幾何建模功能相對較弱，如果利用ANSYS提供的建模方法建立變流器柜體的裝配模型，將是一個極其煩瑣的過程，常常占據(jù)整個分析過程的70%以上，這使得分析人員不能夠把主要精力放在產(chǎn)品的分析和優(yōu)化上，大大浪費了分析人員的時間，也不能很好地利用設(shè)計人員已有的模型。雖然ProE與ANSYS分別都有相應(yīng)模塊向?qū)Ψ筋I(lǐng)域滲透，允許用戶在購買足夠模塊的基礎(chǔ)上實現(xiàn)相應(yīng)操作，但是對于需要使用CAD/CAE集成系統(tǒng)的工程人員來說，單一的ProE或者ANSYS很難迅速優(yōu)質(zhì)地完成任務(wù)，較好的解決方案是充分利用ProE的三維建模功能，將模型數(shù)據(jù)導(dǎo)人ANSYS進行

4、分析計算。本文將結(jié)合某變流器的靜強度計算分析和模態(tài)分析，對處理復(fù)雜模型的有限元分析進行闡述。模塊，添加完載荷和約束，選擇ANSYS求解器，運行網(wǎng)格劃分，即可輸出.ans文件，讀人ANSYS后可得到包含了單元、節(jié)點、材料、載荷、約束等信息的有限元模型。1 ProE模型導(dǎo)入ANSYS的方法1.1 利用IGES中間標準格式轉(zhuǎn)換    IGES(Initial Graphics Exchange Specification，初始化圖形交換規(guī)范)格式文件由一系列產(chǎn)品的幾何、繪圖、結(jié)構(gòu)和其他信息組成，可以處理CAD/CAM系統(tǒng)中的大部分信息，亦受到絕大多數(shù)CAD/CAM系統(tǒng)的

5、支持。這種格式文件的優(yōu)點是操作簡單，而且通用性比較強，可以和大多數(shù)CAD和CAE軟件兼容。但由于ANSYS內(nèi)置的轉(zhuǎn)換過濾程序允許輸人部分模型參數(shù)，ANSYS有時把不能識別的特征省略掉，當(dāng)ProE中建立的模型特征過多或結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜時，使用IGES文件格式輸人到ANSYS后很可能產(chǎn)生模型斷裂、丟失實體等情況，會直接影響模型后續(xù)分析的準確性。在模型導(dǎo)入成功后，也會出現(xiàn)因ANSYS無法對模型的一些特征進行網(wǎng)格劃分的現(xiàn)象，使后續(xù)工作難以進行下去。1.2 使用ANSYS-ProE接口轉(zhuǎn)換    ANSYS在默認的狀態(tài)下是不能直接對ProE中的.prt(或，asm)文件進行直接

6、轉(zhuǎn)換的。但是ANSYS軟件安裝選項中包含與ProE軟件的接口模塊“Connection for Pro/Engineer"。此模塊不僅能將ProE模型數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換給ANSYS，同時也提供了以執(zhí)行部件為基礎(chǔ)的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計功能。該功能允許從建立以部件為基礎(chǔ)的參數(shù)化ProE模型開始，用ANSYS程序?qū)ζ溥M行優(yōu)化，并以一個優(yōu)化的模型結(jié)束，而且仍是以部件為基礎(chǔ)的參數(shù)化模型。轉(zhuǎn)換成功后，在ANSYS中對實體模型劃分網(wǎng)格、施加載荷與邊界條件，然后求解計算。1.3 使用ANSYS Workbench Environment    ANSYS Workbench Envi

7、ronment(AWE)是ANSYS公司新近開發(fā)的新一代前后處理環(huán)境。幾乎所有的CAD軟件都可以應(yīng)用AWE，從而直接將模型轉(zhuǎn)化為ANSYS模型。AWE與多種CAD軟件具有雙向相關(guān)性，還提供了方便靈活的實體建模方法，協(xié)助用戶進行幾何模型的建立。目前主要用于實體模型的分析，不能對單元進行控制和操作，所以不能建立桿單元、彈簧單元或質(zhì)點單元等。AWE仍在進一步發(fā)展和完善中。1.4 ProE選擇ANSYS作求解器輸出轉(zhuǎn)換文件    ProE軟件包中包含了可用于有限元分析的Pro/MECHANICA模塊(以下簡寫為Prom)，啟動有限元分析2 有限元模型2.1 簡化模型

8、60;   變流器柜體多由鈑金件、方鋼組焊而成，變流器模塊、控制箱、電力電容器、電抗器等由螺栓連接在柜體的安裝板上。圖1是某變流器結(jié)構(gòu)示意圖，裝有兩個重130kg的變流器模塊、一個重20kg的控制箱和一個重20kg的電力電容器。                        圖1 變流器結(jié)構(gòu)示意圖     &

9、#160;        Fig.1 Schematic of converter    柜體有限元模型建立的好壞是直接關(guān)系到計算結(jié)果是否合理和正確的重要問題。根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點及受力狀態(tài)，應(yīng)按空間問題解決。變流器柜體的設(shè)備布置大多呈非對稱性，分析時應(yīng)取整個柜體為研究對象，這樣才能較好地反映柜體受力的實際情況。任何構(gòu)件或零部件都是三維的，但是當(dāng)某一個方向或某兩個方向的尺寸小于其他方向的尺寸時，就可以簡化為板殼或桿，這種簡化稱為降維。變流器柜體結(jié)構(gòu)較大，如果分析其應(yīng)力狀態(tài)，必須同時考慮到不同坐標軸上的

10、三維空間應(yīng)力、應(yīng)變分量和位移分量。這樣分析和計算的工作量巨大，在現(xiàn)有的計算機條件下(高性能計算中心、工作站除外)，往往很難計算出結(jié)果。對于復(fù)雜的柜體而言，采用板梁結(jié)合的力學(xué)模型較采用實體模型計算結(jié)果分析更為理想和簡單。但必須注意：降維的前提是計算后的結(jié)果必須滿足工程要求。雖然ProE構(gòu)建的是實體模型，可以在Prom中運行“中間曲面”(Mid-PlaneSurface)功能，但這一步驟不在組件文件里，而是在各零件文件中。對于圓角曲度、凸緣等特定類型的特征，將無法創(chuàng)建中間曲面，此時需要刪除那些部位或?qū)υ摬糠值奶卣髯鬟m當(dāng)?shù)男拚＠肁NSYS自底向上建立殼單元模型常常需要數(shù)天時間，而利用Prom抽取

11、“中間曲面”的方法只需數(shù)10 min，大大提高了效率。    抽取中間曲面后，有必要了解薄殼和厚殼單元選擇的一般規(guī)律：(1)薄殼（例如ANSYS中的SHELL63單元)不包括剪切變形，需要考慮剪切變形時應(yīng)使用厚殼單元(例如SHELL43單元)，Prom的有限元模型導(dǎo)人ANSYS后，即自動選取了該單元。(2)厚殼的另一個特征是應(yīng)力沿厚度不是線性變化的。    零件中的倒角、小孔等特征和組件中的某些不影響柜體結(jié)構(gòu)強度的零件(如扎線桿、安裝支座等)可以刪除，進一步簡化模型。2.2 焊縫和螺栓連接的處理    盡

12、管焊接、鉚接和螺栓連接等方式在實際應(yīng)用中非常廣泛，看起來結(jié)構(gòu)簡單，然而要想利用有限元法對其進行分析，仍然需要做大量的簡化假設(shè)。下面簡要介紹處理焊接和螺栓連接的常用方法。    (1)耦合和約束方程是有限元中建立節(jié)點自由度之間特殊關(guān)系的技術(shù)。利用這些技術(shù)能進行單元做不到的自由度聯(lián)接。藕合技術(shù)迫使兩個或多個自由度取得相同但未知的值，藕合自由度集包含一個主自由度和一個或多個其他自由度。約束方程迫使兩個或多個自由度之間取得線性的關(guān)系。對焊接處進行藕合約束處理，建立起不同自由度間的特殊聯(lián)系，即在鋼板焊接重復(fù)節(jié)點處形成共同約束，迫使多個自由度取得相同值，將這些自由度藕合在一起

13、來模擬焊接情況。在ANSYS中運用該方法可以得到較好的計算結(jié)果。    (2)考慮到手工電弧焊的特點：可以獲得緊固、致密的焊縫，焊接接頭在大多數(shù)情況下可以實現(xiàn)與母材等強度。因此簡化模型為整體式，也就是采用統(tǒng)一的單元屬性。這樣處理會人為提高連接剛度，對整體應(yīng)力的分析有一定影響。    (3)在各種機械結(jié)構(gòu)中，螺栓連接是一種簡單而普遍的連接形式。研究螺栓連接的歷史悠久，一個世紀以來，各科研機構(gòu)均對其進行過深人細致的研究，多采用兩種常用的方法：理論解析法和有限元法。由于理論解析法要對結(jié)構(gòu)進行簡化，忽略了結(jié)構(gòu)中許多非線性因素影響，如螺栓連接結(jié)

14、構(gòu)的螺栓預(yù)緊作用和被連接法蘭面之間的接觸等非線性行為均不能模擬，分析的結(jié)果誤差大。ANSYS具有非線性接觸行為模擬能力，軸、螺栓、螺母均采用實體單元，并利用Pretention 179單元模擬螺栓的預(yù)緊作用。    (4)軸、螺栓采用梁或桿單元。梁單元具有拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)和彎曲能力，每個節(jié)點有6個自由度。桿單元為單向拉壓單元，每個節(jié)點有3個位移自由度。 (5)ProM利用了Charles Mischke的研究結(jié)果，假設(shè)螺栓作用時的影響為一錐形區(qū)域(圖2)，可根據(jù)計算。該方法只能在基本模式中使用。     

15、 圖2 螺栓作用時的錐形影響區(qū)域      Fig.2 Conical section of joint under pressure2.3 p方法與H方法    有限元法作為一種求解偏微分方程非常有效的數(shù)值近似計算方法，與其他任何近似數(shù)值方法一樣都存在算法可靠性和有效性問題。有限元分析結(jié)果的誤差可能來自分析過程的各個環(huán)節(jié)，其中一個主要的誤差來源是模型的離散化，有限元網(wǎng)格劃分的質(zhì)量對分析結(jié)果的精度有著重大影響。在進行有限元分析時，通常根據(jù)經(jīng)驗、對所研究問題的理解、甚至是直覺進行網(wǎng)格劃分，然后憑直觀簡單地判斷近似結(jié)果

16、是否合理。如果不合理，則需對應(yīng)力梯度變化大的區(qū)域重新進行網(wǎng)格設(shè)計，或者是在不知道誤差分布的情況下盲目細化網(wǎng)格，結(jié)果往往事倍功半，大大增加了計算的工作量，計算效率和可靠性都較低?？紤]到經(jīng)典的H方法(每個單元使用低階次的插值多項式，不改變各單元形函數(shù)的階次，通過逐步加密有限元網(wǎng)格剖分來使結(jié)果向正確解逼近)存在的網(wǎng)格質(zhì)量問題，P方法(保持有限元的網(wǎng)格剖分固定不變，通過逐步增加各單元形函數(shù)的階次來改善結(jié)果精度)應(yīng)運而生，最初該方法只是作為一種純理論的方法提出，并沒有得到多大的重視，但隨著人們對該方法的逐步認識，P方法也得到了一些發(fā)展和完善。Prom有兩種模式：基本模式(Native Mode)和有限元

17、模式(FEM Mode)，基本模式即采用了P方法進行求解，有限元模式則只能為ANSYS和MSC.NASTRAN分別輸出采用H方法的有限元模型.ans文件和.nas文件。    P方法一般都采用升階譜單元，在一定的網(wǎng)格密度下，按照給定的P-水平求解，然后逐步增大P-水平，對該網(wǎng)格再次求解。每次進行這種迭代后，把其結(jié)果與一組收斂準則進行比較。分析的收斂判據(jù)中包括模型某一點或某些點的位移、轉(zhuǎn)角、應(yīng)力、應(yīng)變以及總體應(yīng)變能。p-水平越高，則有限元解越接近真實解。與H方法相比，P方法劃分的網(wǎng)格數(shù)目要明顯少很多，這正是P方法的優(yōu)點，但隨著P-水平的提高，單元形函數(shù)階次的升高，求

18、解過程將需要使用更多的計算機存儲空間。在Prom的基本模式下，軟件常常出現(xiàn)異常；無法對變流器柜體這樣較大的計算模型劃分網(wǎng)格，這是P方法的內(nèi)在不足引起的。改為ProM的有限元模式劃分H方法的網(wǎng)格時，能順利地完成網(wǎng)格的參數(shù)控制、劃分和質(zhì)量檢查。這也體現(xiàn)了ProM的求解能力弱于ANSYS，而建模功能強于ANSYS。2.4 載荷和約束的處理    變流器柜體所承受的載荷包括自重、集中載荷、均布載荷。柜體的自重計算是通過定義模型的材料密度和重力加速度實現(xiàn)的。在處理安裝部件(如變流器模塊、電力電子電容器、控制箱、傳感器等)所表現(xiàn)出來的載荷形式時，常常遇到很大的困難，這是因為這

19、些部件一方面通過螺栓連接在安裝板上，另一方面這些部件擱置在支撐的橫梁上，屬于復(fù)雜的接觸分析問題。工程上常常采用將安裝部件以質(zhì)量單元的形式布置在對應(yīng)的重心位置，通過一定的彈簧單元連接至安裝位置。這種方法人為造成了局部的應(yīng)力集中，對于幾公斤的傳感器和20kg的電力電子電容器而言，問題不大，但對于130kg的變流器模塊或更大質(zhì)量的組合單元，局部最大應(yīng)力值會超出材料許用應(yīng)力的數(shù)倍，會得出錯誤的分析結(jié)論。在分析時簡化為同等質(zhì)量和重心位置相同的實體模型，其計算結(jié)果更為合理。    變流器柜體常常吊裝于車體底部或安裝于車體內(nèi)部，與轉(zhuǎn)向架和車體的受力情況不同，TB/T1335-1

20、996鐵道車輛強度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范、TB/T2541一1995內(nèi)燃、電力機車車體靜強度試驗方法給出了垂直靜載、垂直動載、啟動牽引、運行牽引、縱向壓縮、縱向拉伸、整車起吊、組合沖擊等工況。TB/T3058-2002鐵路應(yīng)用機車車輛設(shè)備沖擊和振動試驗采用近代的隨機振動試驗代替?zhèn)鹘y(tǒng)的正弦振動試驗，更準確地模擬機車車輛設(shè)備振動的環(huán)境條件，從而使試驗結(jié)果更真實地反映機車車輛設(shè)備的實際運行情況。綜合考慮了這些標準，在強度分析時認為變流器除考慮自身質(zhì)量(即垂直載荷1g，1g=9.81 m/s2外，改變縱向載荷(5g和-5g，負號表示與正方向相反)、橫向載荷(3g和-3g)和垂向載荷(3g和-3g )，用于

21、考慮啟動牽引、緊急制動、縱向沖擊、橫向沖擊和垂向沖擊的極限工況。    模態(tài)分析用于確定設(shè)計結(jié)構(gòu)或機器部件的振動特性，即結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，它們是承受動態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要參數(shù)，也是其他動力學(xué)分析問題的起點，例如瞬態(tài)動力學(xué)分析、諧響應(yīng)分析等。ANSYS提供了7種模態(tài)提取方法，它們分別是子空間法、分塊Lanczos法、Power Dynamics法、縮減法、非對稱法、阻尼法和QR阻尼法，后兩種方法允許在結(jié)構(gòu)中存在阻尼。分塊Lanczos法特征值求解器是默認求解器，和子空間法一樣精確，速度更快，但要求比子空間法內(nèi)存多50%。在進行變流器柜體模態(tài)分析時，時常出現(xiàn)模型

22、規(guī)模太大，需改變模態(tài)提取方法的情況。3 變流器柜體強度和剛度的評定    圖1示出的變流器柜體材質(zhì)采用不銹鋼1Cr18Ni9Ti，其屈服強度和強度極限分別為    變流器采用吊裝車底的安裝方式，吊耳與車體通過螺栓進行固定。表1給出了不同載荷情況的計算結(jié)果。           由圖3(a)和圖4(a)可看出，最大應(yīng)力出現(xiàn)在吊耳處，這是因為載荷集中體現(xiàn)在吊耳上。圖3(b)和圖4(b)是位移變形情況，最大位移出現(xiàn)在隔板和上下底板。最大應(yīng)力小于材料的屈服強度，最大位移量在允許范圍內(nèi)，說明該變流器柜休的靜強度滿足要求。圖3 縱向5g、垂向1g的計算載荷Fig.3 Longitudinal load：5g；vertical load： 1g圖4 橫向3g、垂向1g的計算載荷Fig.4 Lateral load： 3g； vertical load： 1g圖5一圖8分別是第1階至第4階振動頻率對應(yīng)的振型，第1階振動頻率時電容器箱體蓋板的變形最大，第2-4階振動頻率時頂板的變形