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2013-06-09 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
今天,由于機械產品日漸復雜,不斷加劇的競爭加快了新設計方案投入市場的速度,工程師們越來越迫切地感到必須使模擬超出FEA的局限范圍。除了使用FEA模擬結構性能外,工程師還需要在構建物理原型之前確定新產品的運動學和動力學性能。
作者: COSMOS 來源: COSMOS
關鍵字: 運動模擬 FEA 機構分析 動力學性能
將運動模擬與FEA結合使用
要想懂得運動模擬和FEA在機構模擬中如何結合使用,了解每種工具的基本假設會對您有所幫助。
FEA是一種用于結構分析的數字技術,已經成為研究結構的主導CAE方法。它可以分析任何固定支撐的彈性物體的行為,如圖13中所示的托架。此處彈性是指物體可變形。如果應用靜態載荷,拖架會變成新的變形形狀,之后將不再變化。如果應用動態載荷,拖架會圍繞平衡位置振動。FEA可以研究應用靜態或動態載荷情況下拖架的位移、應變、應力和振動。
圖13固定支撐的拖架只能變形,不能移動。
相反,局部支撐的物體,如拖架上鉸接的調速輪(圖14),可以旋轉而無須變形。調速輪可像剛性實體那樣移動,因而該設備屬于機構,而非結構。我們將使用運動模擬來研究調速輪的運動。如果將調速輪視為剛性實體,則無法計算應變和應力(詳細信息請參閱附錄1)。
圖14調速輪作為剛性實體圍繞將其連接到基體的鉸鏈旋轉(上圖)。由于存在剛性實體運動(下圖),因此將此設備歸類為機構。
乍一看,結構與機構之間的差異可能并不太明顯,如圖15所示的兩個設備。它們都有兩個通過鉸鏈連接到不可移動基體的擺動桿。右邊的設備使用彈簧將擺動桿與基體連接到了一起。沒有彈簧的設備屬于機構,因為其擺動桿不能自由旋轉。不論是圍繞鉸鏈旋轉還是圍繞平衡位置來回擺動,在擺動桿移動過程中,此設備的任何零件都無須變形。擺動桿顯示的是剛性實體運動,因此將左邊的設備歸類為機構。設計人員可以使用運動模擬來研究其運動。
圖15左邊的擺動桿可進行移動,而不會發生變形,因而屬于機構。右邊的擺動桿在進行任何移動時都會使彈簧變形,因而屬于結構。
添加彈簧會更改設備的性質,這是因為添加彈簧后擺動桿就不能在彈簧不發生變形的情況下進行移動了。擺動桿連續運動的唯一一種可能形式是圍繞平衡位置來回擺動。擺動桿運動時會產生彈簧變形,因此右邊的設備應歸類為結構。FEA可以分析擺動桿振動,并且如有必要,還可以計算彈簧和其他視為彈性實體的零部件的應變和應力(請參閱附錄2以了解有關運動模擬和FEA之間差異的更多信息)。
在完成運動模擬研究后,如果設計工程師想對任一機構零部件執行變形和/或應力分析,則需要將所選零部件提供給FEA來進行結構分析。
運動模擬結果可提供輸入數據,包括作用于每個機構連桿的接點反作用力和慣性力,這需要使用FEA進行結構分析。不論接下來是否使用FEA,運動模擬肯定都會計算這些系數。按定義來說,接點反作用力和慣性力保持平衡;在一對平衡力作用下的機構零部件可提交給FEA,而分析程序會將其作為結構進行處理。
盡管工程師可以手動將數據從運動模擬傳輸到FEA,但是如果運動模擬軟件可以將結果自動導出到FEA,則可確保得到最佳結果。以此方式使用時,運動模擬和FEA可以進行所謂的“耦合的”模擬。這樣,就可以自動定義FEA載荷,從而可以避免手動設置中常見的猜測和可能發生的錯誤。
圖16中所示的曲柄機構問題示例演示了耦合模擬。在該示例中,設計工程師要計算連桿中的最大應力。
圖16使用運動模擬可計算連桿兩端的反作用力。也可計算作用于連桿的慣性力。
將運動模擬與FEA結合使用的步驟為:
1.在為進行研究而選擇的運動范圍內,使用運動模擬計算作用于所有零部件的位移、速度、加速度、接點反作用力和慣性力。在這一步中,所有機構連接裝置都被視為剛性實體。圖16中的曲線圖顯示了曲柄完整轉動一周的過程中連桿上的接點反作用力。
2.找出與連桿接點上最高反作用力載荷相對應的機構位置。分析人員最常觀察的是最高反作用力,因為施加最大載荷的情況下進行的分析將顯示連桿所承受的最大應力。但是,如有必要,可以選擇任意多個位置(見圖17)進行分析。
圖17可以根據任意多個曲柄軸機構位置來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裝配體傳輸到連桿CAD零件模型。
4.作用于從裝配體分離開來的連桿上的載荷包括接點反作用力和慣性力,如圖18所示。根據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載荷下的結構。
圖18根據d"Alambert原理,接點反作用力和慣性力是相互平衡的。
5.受到平衡靜態載荷的連桿會被指派彈性材料屬性并提交到FEA以進行結構靜態分析。FEA將執行結構分析以計算變形、應變和應力(圖19)。
圖19連桿被作為結構提交給FEA,以計算應力。
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