Pro/MECHANICA与ANSYS在装配体结构分析中的应用比较

    Pro/ENGINEER Wildfire是美国PTC公司推出的一整套CAD/CAM/CAE集成解决方案，它主要包括Pro/ENGINEER和Pro/MECHANICA。Pro/ENGINEER是当今世界上拥有用户最多的三维CAD软件，而Pro/MECHANICA是强大的有限元软件，它可以实现和Pro/ENGINEER的无缝集成，即完全实现几何建模和有限元分析的集成。其主要模块可以分为Pro/MECHANICA STRUCTURE(结构分析)、Pro/MECHANICA THERNAL(温度分析)和Pro/MECHANICA MOTION（运动分析）。

    本文以两个装配体为例，分别使用ANSYS和Pro/ENGINEER的Pro/MECHANICA 模块对它们进行结构分析，并对分析结果进行比较。

一、简单装配体的结构分析

    简单装配体是指组成装配体的零件形状比较简单，且零件个数较少。

    以常见的轴、键、转轮的装配体为例。转轮与键是过盈配合装配。在轴上施加约束，并在转轮上施加载荷，如图1所示。

图1 简单装配体及其约束和受力

    1.利用ANSYS软件进行分析

    对单一零件，可以利用ANSYS自身的建模工具，建立实体模型或有限元模型，但ANSYS不能直接建立装配体模型，只能在其他三维造型软件中建好后导入。若利用Pro/ENGINEER建模，可以有两种方法导入：第一种是将装配体另存为后缀为IGES的文件，打开ANSYS，点击“File”→“Import”→“IGES”将数据文件导入。第二种是利用Pro/ENGINEER与ANSYS 的接口，由Pro/ENGINEER直接进入ANSYS界面。

    本文是将Pro/ENGINEER Wildfire 2.0与ANSYS 8.0连接，将装配体导入ANSYS进行分析。具体步骤如下。

    (1)在Pro/ENGINEER建立三个零件的零件图，并利用Mate（匹配）。Align（对齐）等指定零件间的装配关系，形成组件。

    (2)单击Pro/ENGINEER界面的“ANSYS 8.0”→“ANSYS Geom”。在窗口下方出现提示“Begin transfer of Pro/E geometry to ANSYS”，并显示转换进程。转换结束后，进入ANSYS界面。

    (3)定义单元类型、实常数、材料属性、网格尺寸，划分网格。

    (4)添加DOF约束、设置集中载荷和重力载荷。这里值得注意的是：ANSYS的重力载荷依靠ACEL命令来实现，该命令会对物体施加一加速度场（非重力场），因此若要施加负y方向的重力，应指定一个正y方向的加速度；ANSYS只显示施加的约束和外载荷，不显示重力。

    (5)单击“Solution”→“Solve”→“Current LS”进行求解。

    (6)显示结果，可以依次单击“General Postproc”→“Plot Results”→“Contour Plot”→“Nodal Solu”来进行。然后选择“Stress”和“Von Mises SEQV”，以Def + undeformed 形式显示等效应力值，如图2所示。

图2 ANSYS得到的等效应力云图

    利用ANSYS的缩放工具将应力云图放大，发现在零件的装配接触面应力云图断裂，且零件分开。实际上，它们已经装配为一体，装配接触面应力应是连续的。这说明ANSYS对装配体不能识别，认为装配后的零件是互不影响，互相独立的。

    (7)解决办法：在上面的步骤2完成后，首先用布尔运算的VADD命令将三个体加到一起，成为一个体，然后可以用NUMCMP命令压缩实体编号，再进行后面的操作。图3所示是布尔运算后的装配体等效应力云图。

图3 布尔运算后ANSYS得到的等效应力云图

    由图可知，最大应力值为1.02E+6。

    2.利用Pro/MECHANICA模块进行分析

    Pro/MECHANICA有两种工作模式：集成模式和独立模式。前者在Pro/ENGINEER环境界面下工作，可以直接利用Pro/ENGINEER模型进行网格划分工作。后者在Pro/MECHANICA界面下工作，有限元模型可以由Pro/MECHANICA直接创建，也可以从其他CAD系统中输入几何模型数据。

本文采取集成模式。具体分析步骤如下。

    (1)安装好Pro/ENGINEER与Pro/MECHANICA后，进行一定的连接操作，完成两者的匹配，使Pro/MECHANICA以集成模式工作。

    (2)在Pro/ENGINEER下建立三个零件的零件图，指定零件间的装配关系，形成组件。

    (3)在Pro/ENGINEER主菜单上选择“Applications”→“Mechanica”，单击“Continue”，使系统进入“Pro/MECHANICA”环境，然后在MECHANICA菜单管理器中选择“Structure”，系统进入结构分析主界面。

    (4)定义材料属性(可以在材料库中直接选择“STEEL”)、约束和载荷。其中重力载荷就是习惯的方向，即若施加负y方向的重力，即指定负y方向的加速度。为避免应力集中，外载荷和约束不要加在单点上，应将它平均分配到整条边或整个面上。

    (5)单击“Analyses”→“Mechanic Analyses/Studies…”弹出“Analyses and Design Studies”对话框，建立新的分析任务，进行有限元计算。

    值得注意的是，我们并没有人为地进行划分网格的操作，但若在“Analyses and Design Studies”对话框点击“Info”→“Status”进行查看，可以发现有这样一段话:

    ...Checking the model before creating elements...These checks take into account the fact that AutoGEM will automatically create elements…

    这表示，虽然网格没有被显示，但Pro/MECHANICA软件内部已经自动划分了网格。除了自动划分网格外，也可以对网格进行人为控制，不过一般情况下自动划分的网格精度已经能很好地满足要求。

    (6)点击“Analys”→“Results…”显示计算结果，仍然选取“Stress”→“von Mises”，得到等效应力云图，如图4所示。

图4 Pro/MECHANICA得到的等效应力云图

    最大值是1.113E+6，与图3的结果1.02E+6很接近，相差8.356%。

    3.比较结果

    通过上面的比较，我们可以发现在进行简单装配体机构分析时，ANSYS有以下不足：(1)没有单位提示，即若输入长度100它不识别是100 还是100 ，因此在输入数据时要特别小心，一定要采用封闭的整套单位，否则会带来结果错误；(2)载荷更改不方便；(3)重力加载与习惯方向不同；(4)若要得到较好结果，需对网格尺寸进行人为控制；(5)装配体不识别，必须用布尔运算对装配体操作后，才可以计算。

    与此相比，Pro/MECHANIC有单位提示，并且在在窗口直接显示约束和载荷名称，更改时只需选中名称，选择相应的Edit definition或其他操作即可，而且可以不用人为控制，就能得到较好的网格划分，另外在零件装配后，无需任何操作即可直接分析。

    二、复杂装配体的结构分析

    复杂装配体指装配体的零件形状复杂或零件个数较多。

    下面以SGA3550矿用汽车整车满载静止于水平路面时，驱动桥桥壳和A形架的装配体应力分析为例，比较ANSYS和Pro/MECHANICA在分析复杂装配体结构时的不同。

    1.利用ANSYS软件对复杂装配体进行分析

    用Pro/ENGINEER建好模型后，如果不做任何简化，向ANSYS导入时，系统会提示模型有1000多个面，这是因为ANSYS软件对造型软件的一些处理方法无法识别，模型又过于复杂致使导入失败。因此必须对模型进行简化，例如删除倒角及非承载部分等，这一过程需要大量反复的修改尝试，同时也是目前对桥壳分析时常采用的方法。在模型导入成功后，也会出现因ANSYS无法对模型的一些特征进行网格划分，网格划分失败的现象，使后续工作无法进行下去，因此，只能对模型再次简化（在多数情况下，模型的简化工作将占总工作量的50％以上）。显然，这种反复修改工作量大，效率低。而且最后简化的模型与原模型相差比较大，计算结果精度不是很理想。

    2.利用Pro/MECHANICA模块对复杂装配体进行分析

    无需对模型做任何简化处理，也无需人为划分网格（自动划分的网格精度较高），只需要按照2.2的分析步骤，设置约束和载荷即可，载荷的大小可以由力学方程计算得到。

    最后得到的应力云图，如图5所示。

图5 驱动桥壳与A形架装配体等效应力云图

    如图5所示，最大应力值为6.672E+7Pa。

    用同样的步骤，可以对驱动桥壳和A形架的装配体在其他典型受力工况下（例如最大牵引力、最大测向力等）的应力状态进行分析，从而找到危险点，对结构进行改进设计。

    3.比较结果

    可见对于复杂装配体，若利用ANSYS软件，需要进行大量的简化工作，且要得到理想的结果还需要人为控制网格划分。而利用Pro/ENGINEER软件的Pro/MECHANICA模块，则无需对模型进行简化，而且能很方便地得到较好的结果。

    三、结论

    通过上面的应用比较，我们可以发现：

    1.ANSYS无法直接建立装配体模型，需由其他造型软件导入，导入后要对装配体进行布尔运算，否则ANSYS将认为零件是未经装配的。

    2.对形状简单的装配体进行结构分析，ANSYS与Pro/MECHANICA都能得到较理想的结果。

    3.对形状复杂的装配体进行结构分析，必须对模型进行大量的简化和修补工作，才可以利用ANSYS作为分析工具，而Pro/MECHANICA则无需这些操作，它与Pro/ENGINEER的无缝连接使其对复杂装配体的分析比利用ANSYS更加简便快捷。

    4.ANSYS在结构非线性分析等方面具有明显优势，故在实际应用中可以将Pro/MECHANICA与ANSYS结合起来，使两者各自的优势得以充分发挥，从而得到更加理想的分析结果。