工作臺(tái)系統(tǒng)靜態(tài)分析的軟件介紹|加工中心
2.3工作臺(tái)系統(tǒng)靜態(tài)分析的軟件介紹本課題采用三維繪圖軟件SOLIDWORKS對(duì)工作臺(tái)進(jìn)行實(shí)體建模，采用 ANSYS WORKBENCH對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行有限元仿真。2.3.1 Solidworks2012 簡(jiǎn)介Solidworks2012是三維軟件設(shè)計(jì)公司SOLIDWORKS推出的一款集產(chǎn)品三維設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)管理、分析、多用戶(hù)協(xié)作以及模具設(shè)計(jì)等功能為一體的機(jī)械設(shè)計(jì)軟 件，其能******限度的挖掘設(shè)計(jì)師的創(chuàng)造潛力，而且相較于其它同類(lèi)三維設(shè)計(jì)軟 件，S〇lidW〇rkS2012在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，用戶(hù)可以根據(jù)自己的設(shè)計(jì)思路繪制草圖， 不僅可以生成二位圖，也可以生成三維零件，反之亦可。Solidworks2012上手應(yīng) 用更快、制作用時(shí)更短的特點(diǎn)，深受廣大用戶(hù)的喜愛(ài)。本課題根據(jù)設(shè)計(jì)要求，利用SOLIDWORKS軟件草圖功能，按照回轉(zhuǎn)工作 臺(tái)的設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)進(jìn)行草圖繪制，用特征功能對(duì)其進(jìn)行拉伸、切除 等，并且通過(guò)設(shè)立不同的基準(zhǔn)面進(jìn)行T型槽和圓周切除，通過(guò)陣列功能將T型2.3.2 ANSYS Workbench 13.0 介紹ANSYS Workbench 13.0 是 ANSYS 公司在 2010 年推出一款 ANSYS 軟件， 它繼承了 Workbench第一代的各種特征優(yōu)勢(shì)，同時(shí)具備了全新的項(xiàng)目視圖 (Project Schematic View)功能，使得整個(gè)仿真流程更加的緊密連貫，在屆面上 通過(guò)簡(jiǎn)單手工拖曳操作就可以完成比較復(fù)雜的多物理場(chǎng)的分析流程[34]。 Workbench 13.0還提供了全面的參數(shù)管理機(jī)制、項(xiàng)目數(shù)據(jù)自動(dòng)更新機(jī)制、CAD 雙向數(shù)據(jù)參數(shù)互動(dòng)鏈接、無(wú)縫集成的優(yōu)化設(shè)計(jì)工具等，使得ANSYS在仿真驅(qū)動(dòng) 產(chǎn)品設(shè)計(jì)（SDPD-Simulation Driven Product Development)方面達(dá)到 了新的高度。1、 項(xiàng)目視圖系統(tǒng)。ANSYSWorkbenchl3.0的架構(gòu)采用了全新的設(shè)計(jì)模式， 新的項(xiàng)目視圖系統(tǒng)讓客戶(hù)更加方便的使用WORKBENCH的仿真環(huán)境。項(xiàng)目視圖 系統(tǒng)是一個(gè)類(lèi)似于流程圖的表格，客戶(hù)可根據(jù)各自的需求利用工具箱（Toolbox) 直接從仿真項(xiàng)目（Projects)中的已經(jīng)圖形化的任務(wù)拖曳到視圖窗口中進(jìn)行操作, 工具箱中的分析系統(tǒng)涵蓋了各種分析類(lèi)型（如隨機(jī)振動(dòng)分析、結(jié)構(gòu)模態(tài)分析、 顯示動(dòng)力分析等），每種分析類(lèi)型都有完整的分析流程（如定義材料、幾何建模、 網(wǎng)格劃分、求解處理過(guò)程等），也可自行從Component Systems里選取各個(gè)獨(dú)立 的程序系統(tǒng)，按照自己的意圖進(jìn)行組合分析流程。當(dāng)分析流程制定完畢后， Workbench平臺(tái)能夠自動(dòng)管理每一個(gè)步驟的變化情況，自動(dòng)運(yùn)行各步驟所需要的 應(yīng)用程序，這樣極大的減少了更改設(shè)計(jì)所需的時(shí)間，提高了工作效率。2、 仿真參數(shù)管理系統(tǒng)。分析項(xiàng)目視圖系統(tǒng)可知，ANSYS Workbench的仿真 流程具有很強(qiáng)的可定制性，如因人而異的分析流程組合，多物理場(chǎng)快速的耦合 分析等。這些都是因?yàn)槠渚哂袇?shù)變量的應(yīng)用程序，這包括CAD幾何尺寸參數(shù)、 邊界條件參數(shù)、材料特性參數(shù)、計(jì)算結(jié)果參數(shù)等。在仿真流程中各環(huán)節(jié)定義的 參數(shù)都在項(xiàng)目視圖窗口中進(jìn)行統(tǒng)一管理，這樣可以通過(guò)參數(shù)匹配形成一系列設(shè) 計(jì)點(diǎn)，然后一次性地進(jìn)行多個(gè)設(shè)計(jì)的的分析計(jì)算。同時(shí)，還可以利用 (DX-DesignXplorer)模塊，拓展Workbench參數(shù)化分析優(yōu)勢(shì)。而且DX還具備六 西格瑪分析（SixSigmaAnalysis)、******/最小搜索（Max/minSearch)、目標(biāo)驅(qū)動(dòng) 優(yōu)化設(shè)計(jì)（Goal Driven Optimization)以及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（DOX)等功能，這些功能在 WORKBENCH的所有應(yīng)用程序、物理場(chǎng)和求解器中都可以使用，甚至在ANSYS 的參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言（APDL)中也可以使用。3、WORKBENCH 的應(yīng)用模塊。ANSYS Workbench 提供了與 ANSYS 系列求解器相交互的強(qiáng)大方法。ANSYS Workbench由多種工程應(yīng)用模塊組成[35]。今Mechanical:用于結(jié)構(gòu)分析、熱分析和網(wǎng)格劃分。今Mechanical APDL:采用傳統(tǒng)的ANSYS用戶(hù)界面對(duì)高級(jí)機(jī)械和多物理場(chǎng)進(jìn)行分析。今Fluid Flow (FLUENT):采用FLUENT進(jìn)行流體力學(xué)分析。今Fluid Flow (CFX):采用CFX進(jìn)行流體力學(xué)分析。今Geometry ( DesignModeler ):用于創(chuàng)建和修改CAD幾何模型，為 Mechanical分析提供所用的實(shí)體模型。今Engineering Data:用于定義材料屬性。今Meshing Application:用于創(chuàng)建CFD和顯式動(dòng)態(tài)網(wǎng)格。今Design Exploration:用于優(yōu)化設(shè)計(jì)。今 Finite Element Modeler:轉(zhuǎn)換 NASTRAN 和 ABAQUS 中的網(wǎng)格。今Bladde Gen:用于創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)機(jī)械鐘的葉片幾何模型。今ExplicitDynamics:用于顯式動(dòng)力學(xué)分析，創(chuàng)建具有非線性動(dòng)力學(xué)特性的模型。本課題在項(xiàng)目視圖系統(tǒng)中建立了有限元模型分析流程圖；通過(guò)工具箱對(duì)模 型進(jìn)行材料屬性模塊、網(wǎng)格劃分模塊的選擇；在Workbench的應(yīng)用模塊中選擇 Mechanical進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和網(wǎng)格劃分，選擇Geometry(DM)進(jìn)行模型的導(dǎo)入，選 擇Engineering Data對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行材料屬性定義，選擇Design Exploration模塊對(duì)有限元模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。2.3.3 ANSYS有限元功能介紹有限元模型包括節(jié)點(diǎn)、實(shí)常數(shù)、單元、邊界條件、材料屬性等，還有一些 用來(lái)表現(xiàn)這個(gè)物理系統(tǒng)的特征。建立有限元模型有步驟有以下幾步[31]:1. 首先要確定分析方案，初步確定選取那種哪種單元類(lèi)型。2. 進(jìn)入前處理模塊，進(jìn)行幾何形狀的基本繪制。3. 對(duì)單元類(lèi)型和實(shí)常數(shù)等一些相關(guān)的條件進(jìn)行設(shè)置。4. 進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在此之前先對(duì)網(wǎng)格密度進(jìn)行控制。5. 將所建立的模型進(jìn)行保存。6. 退出前處理模塊，準(zhǔn)備進(jìn)入求解模塊進(jìn)行求解計(jì)算。對(duì)所建立的有限元模型進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化會(huì)對(duì)求解結(jié)果的準(zhǔn)確與否產(chǎn)生很大 的影響，所以，所建立的模型必需和實(shí)際的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)系統(tǒng)保持一致，要能夠 反映實(shí)際回轉(zhuǎn)工作臺(tái)系統(tǒng)整體的結(jié)構(gòu)，所以其中對(duì)模型結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化還有邊界條 件的設(shè)置要與工作臺(tái)實(shí)際情況相一致[31]。ANSYS軟件主要包括三個(gè)部分：前處理模塊，求解模塊和后處理模塊。前處理模塊的主要功能是進(jìn)行實(shí)體模型的建立和網(wǎng)格劃分，在其中可以方 便有效地建立出有限元模型；求解模塊就是對(duì)所建立的有限元模型進(jìn)行求解計(jì) 算，對(duì)實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行分析，它可以進(jìn)行多方面的分析求解，方法簡(jiǎn)便，求解效 率高，適用非常廣泛；后處理模塊可以把計(jì)算結(jié)果用不同的方式顯示出來(lái)，其 中包括彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、透明和半透明顯示等各種圖形 方式顯示出來(lái)，也可以把計(jì)算結(jié)果用圖表或曲線的形式顯示出來(lái)。ANSYS軟件 中提供了 100多種以上的單元類(lèi)型，分別可以用來(lái)模擬實(shí)際工程中不同的一些 問(wèn)題[32]。1. 前處理模塊PREP7ANSYS前處理模塊主要包括：定義參數(shù)、建立模型以及劃分網(wǎng)格。2. 求解模塊SOLUTION求解模塊是用對(duì)所建立的有限元模型進(jìn)行力學(xué)分析和計(jì)算。其中可以進(jìn)行 分析類(lèi)型的定義，有穩(wěn)態(tài)分析和瞬態(tài)分析等類(lèi)型，也可以進(jìn)行載荷的施加，包 括位移，力和力矩等，還可以用來(lái)指定載荷步，包括子步數(shù)和載荷步的控制選 項(xiàng)[33]。3. 后處理模塊POST1和POST26通過(guò)求解計(jì)算之后，就可以通過(guò)通用后處理模塊POST1和時(shí)間歷程后處理 模塊POST26對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行查看。ANSYS13.0將許多新增功能和工具整合進(jìn)去，它縮短了整體的求解時(shí)間， 在很多方面也進(jìn)行了改進(jìn)，包括單元、接觸、求解性能和材料等方面做出了很 大改善，從幾何建模到求解計(jì)算的時(shí)間縮短了很多，而且求解的精度也有了提 高。它將仿真和設(shè)計(jì)不斷地進(jìn)行整合，增強(qiáng)了創(chuàng)建幾何結(jié)構(gòu)的功能，對(duì)網(wǎng)格劃 分的質(zhì)量和平滑度等功能進(jìn)行了提高。由于實(shí)際的機(jī)械結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，因此，在結(jié)構(gòu)分析中，首先必須選擇合適 的單元。在機(jī)械結(jié)構(gòu)分析中，常用的單元有以下幾種：1. 常用二維實(shí)體單元二維實(shí)體單元，可以用于將三維復(fù)雜問(wèn)題轉(zhuǎn)化為二維簡(jiǎn)單的問(wèn)題進(jìn)行分析 的情況[36]。包括的單元主要有：Plane25, Plane75, Shell61，Plane78, Plane83, Fluid81。2. 三維實(shí)體單元常用的三維實(shí)體單元有 Solid45, Solid92, Solid95, Solidl85，Solidl86, Solidl87。其中，對(duì)于非線性問(wèn)題的分析主要采用的單元有：Solidl85，Solidl86, Solidl87。因?yàn)檫@幾個(gè)單元有更多的材料模式，方便問(wèn)題的分析，它們采用了最 新的單元技術(shù)。對(duì)自由網(wǎng)格的應(yīng)用最好采用有中間節(jié)點(diǎn)的單元，否則單元的退化形式精度 將會(huì)大受影響。3. 殼單元一般彈性薄殼采用Shell63單元，對(duì)非線性或復(fù)合材料殼采用Shelll81單元。4. 梁?jiǎn)卧簡(jiǎn)卧话悴捎肂eaml88單元和Beaml89單元。因?yàn)檫@兩個(gè)單元可以定義 梁截面，還可以自定義梁截面，截面可以有多種材料，還可以施加和輸出三維 模式、初應(yīng)力和結(jié)果顯示[37]。