《機(jī)械CADCAM》課件第8章

第8章計(jì)算機(jī)輔助工程分析8.1有限元分析8.2有限元分析的原理與方法8.3有限元分析的應(yīng)用8.4機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析8.5虛擬樣機(jī)技術(shù)簡介習(xí)題與思考題8.1有?限?元?分?析在現(xiàn)代先進(jìn)制造領(lǐng)域中，最常見也是最基本的問題是計(jì)算和校驗(yàn)零、部件的強(qiáng)度、剛度以及對(duì)機(jī)器整體或部件進(jìn)行動(dòng)力分析等。力學(xué)分析方法可分為解析法和數(shù)值法兩大類。解析法是應(yīng)用數(shù)學(xué)分析工具，求解含少量未知數(shù)的簡單數(shù)學(xué)模型的一種傳統(tǒng)的計(jì)算方法，只對(duì)某些簡單問題才能得出閉合形式的解，適用于普通機(jī)械零件的常規(guī)設(shè)計(jì)計(jì)算。對(duì)于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)問題，唯一的途徑是應(yīng)用數(shù)值法求出問題的近似解。而有限元法是十分有效而實(shí)用的數(shù)值方法。有限元法的基本原理是：把要分析的連續(xù)體假想地分割成有限個(gè)單元所組成的組合體，根據(jù)一定的精度要求，用有限個(gè)參數(shù)來描述各單元體的力學(xué)特性，而整個(gè)連續(xù)體的力學(xué)特性就是構(gòu)成它的全部單元體的力學(xué)特性的總和。基于這一原理及各種物理量的平衡關(guān)系來建立彈性體的剛度方程(即一個(gè)線性代數(shù)方程組)，求解該剛度方程，即可得出欲求的參量。由于分割單元的個(gè)數(shù)是有限的，節(jié)點(diǎn)的數(shù)目也是有限的，因而該方法稱為有限元法。自1960年美國Clogh教授首次提出“有限元法(TheFiniteElementMethod)”這個(gè)名詞以來，有限元法的應(yīng)用日益普及，在工程中的作用也在日益增長?，F(xiàn)在，有限元法不僅成為結(jié)構(gòu)分析中必不可少的工具，而且廣泛應(yīng)用于磁場(chǎng)強(qiáng)度、熱傳導(dǎo)、非線性材料的彈塑性蠕變分析等其他研究領(lǐng)域。8.2有限元分析的原理與方法8.2.1彈性力學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)

1．常用物理量彈性力學(xué)常用的物理量有外力、應(yīng)力、應(yīng)變和位移。

1)外力作用于物體的外力可分為體力和面力兩種。所謂體力，是指分布在整個(gè)體積內(nèi)的外力，例如重力和慣性力。用、、三個(gè)體力分量表示作用在物體內(nèi)任何一點(diǎn)處單位體積內(nèi)的體力。所謂面力，是指作用于物體外表面上的外力，例如流體壓力和接觸力。用、、三個(gè)分量表示作用在物體表面上任一點(diǎn)處單位面積上的面力。圖8.1微分截面上的應(yīng)力狀態(tài)

2)應(yīng)力從物體內(nèi)取出一邊長分別為dx、dy、dz的微分體(如圖8.1所示)，其每個(gè)面上的應(yīng)力可分解為一個(gè)正應(yīng)力和兩個(gè)剪應(yīng)力，正應(yīng)力記為、、，剪應(yīng)力記為、、、、、(前一個(gè)角標(biāo)表明的作用面所垂直的坐標(biāo)軸，后一個(gè)角標(biāo)表明的作用方向)。根據(jù)剪應(yīng)力互等定律，＝，＝，＝

3)應(yīng)變線段的每個(gè)單位長度的伸縮稱為正應(yīng)變(如圖8.2(a)所示)，記為、、。線段之間的夾角的改變量稱為剪應(yīng)變(如圖8.2(b)所示)，記為、、。

4)位移在載荷(或溫度變化等其他因素)作用下，物體內(nèi)各點(diǎn)之間的距離改變稱為位移。位移反映了物體的變形大小，記為u，v，w，分別為x，y，z三個(gè)方向上的位移分量。圖8.2微分體的應(yīng)變(a)正應(yīng)變；(b)切應(yīng)變

2．基本方程

1)應(yīng)變和位移的關(guān)系(幾何方程)物體受力后發(fā)生變形，其內(nèi)部任一點(diǎn)的位移與應(yīng)變的關(guān)系可用下式表示：，，，，(8-1)寫成陣列形式為或{e}T=?2)應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系(物理方程)應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系可用虎克定律表示：(8-2)式中：?E?——材料的彈性模量；

m——材料的泊松比。式(8-2)寫成矩陣形式為

其中：

3)虛功方程虛功原理在力學(xué)中是一個(gè)普遍的原理：假設(shè)一彈性體在虛位移發(fā)生之前處于平衡狀態(tài)，當(dāng)彈性體產(chǎn)生約束許可的微小虛位移并同時(shí)在彈性體內(nèi)產(chǎn)生虛應(yīng)變時(shí)，體力和面力在虛位移上所作的虛功等于整個(gè)彈性體內(nèi)各點(diǎn)的應(yīng)力在虛應(yīng)變上所作的虛功的總和，即外力的虛功等于內(nèi)力的虛功。若用、、分別表示受力點(diǎn)的虛位移分量；用、、、、、表示虛應(yīng)變分量，用A表示面力作用的表面積，根據(jù)虛功原理，可得虛功方程為寫成矩陣形式為其中：有限元分析的問題最后歸結(jié)為：在滿足邊界條件的情況下，求解上述基本方程。8.2.2有限元法的基本解法與步驟

1．有限元法的基本解法在用有限元法實(shí)際求解基本方程的過程中，可先求出某些未知量，再由它們求得其他未知量。根據(jù)未知量求出的先后順序，有以下三種基本解法：

(1)位移法：以節(jié)點(diǎn)位移為基本未知量。

(2)力法：以節(jié)點(diǎn)力為基本未知量。

(3)混合法：取一部分節(jié)點(diǎn)位移和一部分節(jié)點(diǎn)力為基本未知量。一般來說，用力法求得的應(yīng)力較位移法求得的精度高，但位移法比較簡單，計(jì)算規(guī)律性強(qiáng)，且便于編寫計(jì)算機(jī)通用程序。因此，在用有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)，大多采用位移法。

2．位移法的有限元法的具體步驟

1)單元剖分根據(jù)分析對(duì)象(連續(xù)體)的形狀選擇合適的單元類型，把對(duì)象分割成一系列有限的單元，并將全部單元和節(jié)點(diǎn)按一定順序編號(hào)。每個(gè)單元所受的荷載均應(yīng)按靜力等效原理移植到節(jié)點(diǎn)上，并在位移受約束的節(jié)點(diǎn)上根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置約束條件。

2)單元特征分析單元特征分析的目的是建立各個(gè)單元的節(jié)點(diǎn)位移和節(jié)點(diǎn)力之間的關(guān)系式?，F(xiàn)以平面三角形單元為例，說明單元特征分析的過程。如圖8.3所示，三角形有三個(gè)節(jié)點(diǎn)i、j、m。在平面問題中每個(gè)節(jié)點(diǎn)有兩個(gè)位移分量u、v和兩個(gè)節(jié)點(diǎn)力分量Fx、Fy。三個(gè)節(jié)點(diǎn)共有六個(gè)節(jié)點(diǎn)位移分量，可用列陣表示：同樣，可把作用于節(jié)點(diǎn)處的六個(gè)節(jié)點(diǎn)力用列陣表示：應(yīng)用彈性力學(xué)理論和虛功原理可得出節(jié)點(diǎn)位移與節(jié)點(diǎn)力之間的關(guān)系：式中，［Ｋ］e——單元?jiǎng)偠染仃?。圖8.3三角平面單元

3)整體分析整體分析是對(duì)各個(gè)單元組成的整體進(jìn)行分析。其目的是建立起一個(gè)線性方程組，來揭示節(jié)點(diǎn)外載荷與節(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系，從而用來求解節(jié)點(diǎn)位移?？捎霉?jié)點(diǎn)的力平衡和節(jié)點(diǎn)變形協(xié)調(diào)條件來建立整個(gè)連續(xù)體的節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系式，即{F}?=?[K]{Δ}式中：［K］——總體剛度矩陣；［Δ］——總體節(jié)點(diǎn)位移列陣；［Ｆ］——總體節(jié)點(diǎn)載荷列陣。在這個(gè)方程中只有{Δ}是未知的，求解該線性方程組就可得到各節(jié)點(diǎn)的位移。將節(jié)點(diǎn)位移代入相應(yīng)方程中，可求出單元的應(yīng)力分量。

3．有限元網(wǎng)格的剖分與生成方法目前，在利用有限元法求解一般機(jī)械結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)力分析問題時(shí)，計(jì)算規(guī)模、計(jì)算機(jī)容量及計(jì)算速度等已不再是有限元應(yīng)用的主要矛盾。有限元法應(yīng)用中的難點(diǎn)，或者說關(guān)系到有限元計(jì)算成功與否的關(guān)鍵，在于如何使建立的有限元計(jì)算模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)更相符，更能反映實(shí)際情況。這是學(xué)習(xí)和應(yīng)用有限元法時(shí)必須高度重視的問題。有限元法的基礎(chǔ)是網(wǎng)格剖分。通過剖分而成的有限單元集合將替代原來的彈性連續(xù)體，所有的計(jì)算分析都將在這個(gè)模型上進(jìn)行。因此，網(wǎng)格剖分將關(guān)系到有限元分析的規(guī)模、速度和精度，以至計(jì)算的成敗。

1)有限元網(wǎng)格的剖分要求

(1)單元類型選擇。在采用有限元法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計(jì)算時(shí)，應(yīng)首先依據(jù)分析對(duì)象的幾何形狀的特點(diǎn)、載荷、約束等全面考慮，選用不同的單元類型。常用有限元單元類型如表8.1所示。表8.1常用的有限元單元類型單元類型節(jié)點(diǎn)數(shù)節(jié)點(diǎn)自由度典型應(yīng)用桿21珩架梁23平面剛架平面問題三角形32平面應(yīng)用四邊形42平面應(yīng)用三維單元四面體43空間問題六面體83空間問題

(2)網(wǎng)格數(shù)量。一般而言，網(wǎng)格數(shù)量增加，計(jì)算精度會(huì)有所提高，但同時(shí)計(jì)算規(guī)模也會(huì)增加，所以，在確定網(wǎng)格數(shù)量時(shí)應(yīng)綜合考慮。在靜力分析時(shí)，如果僅僅是計(jì)算結(jié)構(gòu)的變形，則網(wǎng)格數(shù)量可以少一些。如果需要計(jì)算應(yīng)力，則在精度要求相同的情況下取相對(duì)較多的網(wǎng)格。在計(jì)算結(jié)構(gòu)固有動(dòng)力特性時(shí)，若僅僅是計(jì)算少數(shù)低階模態(tài)，則可以選擇較少的網(wǎng)格；若計(jì)算的模態(tài)階次較高，則應(yīng)選擇較多的網(wǎng)格。在熱分析中，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度梯度不大，不需要大量的內(nèi)部單元，這時(shí)可劃分較少的網(wǎng)格。

(3)網(wǎng)格疏密。網(wǎng)格的疏密應(yīng)適應(yīng)計(jì)算數(shù)據(jù)的分布，在計(jì)算數(shù)據(jù)變化梯度較大的部位(如應(yīng)力集中處)，為了較好地反映數(shù)據(jù)變化規(guī)律，需要采用比較密集的網(wǎng)格。而在計(jì)算數(shù)據(jù)變化梯度較小的部位，為減小模型規(guī)模，則應(yīng)采用相對(duì)稀疏的網(wǎng)格。這樣，整個(gè)結(jié)構(gòu)便表現(xiàn)出疏密不同的網(wǎng)格劃分形式，如圖8.4所示。圖8.4網(wǎng)格的局部加密劃分疏密不同的網(wǎng)格主要用于應(yīng)力分析(包括靜應(yīng)力和動(dòng)應(yīng)力)，而計(jì)算固有特性時(shí)則趨于采用較均勻的網(wǎng)格形式。這是因?yàn)楣逃蓄l率和振型主要取決于結(jié)構(gòu)質(zhì)量分布和剛度分布，不存在類似應(yīng)力集中的現(xiàn)象，采用均勻網(wǎng)格可使結(jié)構(gòu)剛度矩陣和質(zhì)量矩陣的元素不致相差太大，可減小數(shù)值計(jì)算誤差。同樣，在結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)計(jì)算中也趨于采用均勻網(wǎng)格。

(4)網(wǎng)格質(zhì)量。網(wǎng)格質(zhì)量是指網(wǎng)格幾何形狀的合理性。質(zhì)量的好壞將影響計(jì)算精度，質(zhì)量太差的網(wǎng)格甚至?xí)兄褂?jì)算。直觀上看，網(wǎng)格各邊或各個(gè)內(nèi)角相差不大，網(wǎng)格面不過分扭曲，邊節(jié)點(diǎn)位于邊界等分點(diǎn)附近的網(wǎng)格質(zhì)量較好。

(5)網(wǎng)格布局。當(dāng)結(jié)構(gòu)形狀對(duì)稱時(shí)，其網(wǎng)格也應(yīng)劃分為對(duì)稱網(wǎng)格，以使模型表現(xiàn)出相應(yīng)的對(duì)稱特性(如集中質(zhì)量矩陣對(duì)稱)，不對(duì)稱布局會(huì)引起一定的誤差。

2)網(wǎng)格劃分對(duì)有限元解誤差的影響首先有必要了解有限元解的誤差情況。作為一種近似的數(shù)值解法，有限元解的誤差主要來自計(jì)算誤差和離散誤差。

(1)計(jì)算誤差。計(jì)算誤差是指在計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值運(yùn)算時(shí)產(chǎn)生的誤差。計(jì)算誤差的來源：一是在解線性方程組的過程中，大量的算術(shù)運(yùn)算引起的積累誤差；二是所謂的“病態(tài)方程”問題。引起病態(tài)方程的一個(gè)重要因素是計(jì)算機(jī)中數(shù)的表示和運(yùn)算方式，明顯的例子是兩個(gè)剛?cè)嵯嗖詈艽蟮膯卧噜彆r(shí)，會(huì)出現(xiàn)病態(tài)方程。

(2)離散誤差。離散誤差是由于連續(xù)體被離散化模型所替代并進(jìn)行近似計(jì)算而產(chǎn)生的。引起離散誤差的原因主要是：①用僅具有有限個(gè)自由度的模型所假設(shè)的單元位移函數(shù)，一般情況下不可能精確表達(dá)連續(xù)體真實(shí)的位移場(chǎng)。②單元網(wǎng)格不可能精確地與結(jié)構(gòu)的幾何形狀擬合(如在二維結(jié)構(gòu)中用直邊單元來模擬曲線邊界)。③載荷的處理和邊界條件的假設(shè)也不可能與實(shí)際情況完全符合。這些都直接影響有限元法的離散誤差。在有限元分析中，這兩種誤差總是存在的，但研究分析表明，有限元解的主要誤差是由離散誤差引起的。因?yàn)樵陔x散化形成有限元計(jì)算模型時(shí)，涉及的因素(單元種類、位移模式假設(shè)、載荷移置、邊界條件引入等)較多。因此，為了減小誤差，我們必須重視網(wǎng)格剖分的質(zhì)量，比如在同一有限元計(jì)算模型中，盡量避免出現(xiàn)剛度過分懸殊的單元，包括剛度很大的邊界元、相鄰單元大小相差很大等；同時(shí)采用較密的網(wǎng)格分割，并注意采用較好的單元形態(tài)，如盡量采用接近等邊三角形或正方形的單元等。8.2.3有限元分析的前置處理和后置處理

1．前置處理用有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計(jì)算之前，需要對(duì)被分析的結(jié)構(gòu)進(jìn)行單元剖分，輸入單元特性及節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，引入邊界條件和約束信息，輸入結(jié)構(gòu)材料參數(shù)和載荷信息等處理過程稱為前置處理，而為實(shí)現(xiàn)這些要求而編制的計(jì)算機(jī)程序稱為前置處理程序。

1)前置處理程序的基本功能前置處理程序的基本功能有：

(1)生成節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。生成典型面、體的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。

(2)生成網(wǎng)格單元。輸入單元描述及其特性，生成網(wǎng)格單元。

(3)修改和控制網(wǎng)格單元。對(duì)已剖分的單元體進(jìn)行局部網(wǎng)格密度調(diào)整。

(4)引入邊界條件。引入邊界條件，用以約束一系列節(jié)點(diǎn)的總體位移和轉(zhuǎn)角。

(5)單元物理屬性的定義和編輯。定義材料特性，對(duì)彈性模量、泊松比、慣性矩、質(zhì)量、密度等物理參數(shù)進(jìn)行定義和編輯。

(6)單元分布載荷的定義和編輯。定義和編輯節(jié)點(diǎn)的載荷、約束、質(zhì)量、溫度等信息。

2)前置處理應(yīng)注意的問題前置處理應(yīng)注意的問題有：

(1)邊界條件處理。正確確定結(jié)構(gòu)邊界的約束形式，使結(jié)構(gòu)邊界上節(jié)點(diǎn)的自由度滿足一定的要求。圖8.5表示一個(gè)單邊固定的板，這時(shí)固定邊上每個(gè)節(jié)點(diǎn)的各個(gè)位移分量均應(yīng)等于零。圖8.5單邊固定的板

(2)對(duì)稱性的利用。利用計(jì)算對(duì)象的對(duì)稱或反對(duì)稱狀況，簡化計(jì)算模型。例如圖8.6(a)所示受純彎曲的梁，它對(duì)于x、y軸都對(duì)稱，而載荷則相對(duì)于y軸對(duì)稱、相對(duì)于x軸反對(duì)稱。此時(shí)，應(yīng)力和變形亦將具有同樣的對(duì)稱特性。所以，我們只需計(jì)算1/4梁即可，如圖8.6(b)所示。圖8.6對(duì)稱性的利用

3)載荷處理載荷的形式有體力、面力、線力和集中力。體力如重力和慣性力等；面力如壓強(qiáng)等。所有力在計(jì)算時(shí)均處理為節(jié)點(diǎn)載荷列陣。將載荷移置到節(jié)點(diǎn)時(shí)，應(yīng)遵循靜力等效原則。

2．后置處理對(duì)于機(jī)械結(jié)構(gòu)，有限元分析輸出的計(jì)算結(jié)果不但包括大量的節(jié)點(diǎn)類數(shù)據(jù)，如模型節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力、位移、內(nèi)力、溫度值等數(shù)據(jù)，也包括大量的單元類數(shù)據(jù)，如各種應(yīng)力分量、應(yīng)力組合、等位線等，同時(shí)還包括整體類數(shù)據(jù)，如通過對(duì)某些單元結(jié)果求和得到整個(gè)總體模型參數(shù)。為了解決這些數(shù)據(jù)的分析和研究的困難，直觀、迅速地得出分析結(jié)果，需要做后置處理。所謂后置處理，即對(duì)有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的加工和處理。后置處理的主要功能包括：

(1)對(duì)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的加工處理。不同的分析其目的有所不同，所關(guān)心的數(shù)據(jù)也不相同，通過后置處理可將所需的數(shù)據(jù)提取出來。比如在強(qiáng)度分析中，應(yīng)力是最關(guān)心的數(shù)據(jù)，因此在強(qiáng)度有限元后置處理程序中，應(yīng)從有限元分析的結(jié)果數(shù)據(jù)中，經(jīng)過加工處理而求出所關(guān)心的應(yīng)力值(如梁單元的危險(xiǎn)截面上的最大應(yīng)力)。

(2)結(jié)果數(shù)據(jù)的編輯輸出。提供多種結(jié)果數(shù)據(jù)編輯功能，可有選擇地組織、處理、輸出有關(guān)數(shù)據(jù)。如按照用戶的要求輸出規(guī)格化的數(shù)據(jù)文件，找出應(yīng)力值高于某一閾值的節(jié)點(diǎn)或單元，輸出某一區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力。

(3)分析結(jié)果數(shù)據(jù)可視化圖形表示。利用計(jì)算機(jī)的圖形功能，采用可視化圖形方式繪制、顯示計(jì)算結(jié)果，直觀形象地反映出大批量數(shù)據(jù)的特性及其分布狀況。常用的有限元數(shù)據(jù)的圖形表示方式有網(wǎng)格圖、結(jié)構(gòu)變形圖、應(yīng)力等值線圖、應(yīng)力應(yīng)變彩色濃淡圖、應(yīng)力矢量圖、應(yīng)力應(yīng)變曲線、振型圖和動(dòng)畫模擬等。例如，圖8.7所示為應(yīng)力、變形疊加圖；圖8.8所示為疊加起來的網(wǎng)格圖和變形圖。目前，流行的有限元通用分析軟件都具有前、后置處理功能。此外，還有專門的商品化的有限元前、后置處理軟件，如FASTDRAW、FEMGEN、MESHG、GMESH、MODEL等。圖8.7應(yīng)力、變形圖圖8.8網(wǎng)格、變形圖8.3有限元分析的應(yīng)用

8.3.1有限元分析的應(yīng)用領(lǐng)域在機(jī)械工程中有限元分析已作為一種常用的基本方法被廣泛使用。凡是零、部件的強(qiáng)度分析，應(yīng)力、變形計(jì)算及穩(wěn)定性分析，都可用有限元法進(jìn)行，例如，齒輪、軸、滾動(dòng)軸承、活塞、壓力容器及箱體中的應(yīng)力、變形計(jì)算，滑動(dòng)軸承中的潤滑問題分析，焊接中殘余應(yīng)力分析復(fù)合材料和金屬塑性成型中的變形分析等。有限元分析在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用主要表現(xiàn)為兩類：

(1)在設(shè)計(jì)過程中對(duì)零、部件進(jìn)行分析計(jì)算，實(shí)現(xiàn)合理和優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。有限元分析作為結(jié)構(gòu)分析的工具，能有效完成對(duì)結(jié)構(gòu)方案的分析與計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果從強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性等方面進(jìn)行分析和比較，提出改進(jìn)、補(bǔ)充內(nèi)容，得到應(yīng)力、變形分布合理及經(jīng)濟(jì)性好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

(2)分析結(jié)構(gòu)損壞的原因，尋找改進(jìn)途徑。當(dāng)結(jié)構(gòu)件在工作中發(fā)生故障(如斷裂、出現(xiàn)裂紋和磨損等)時(shí)，可通過有限元法計(jì)算研究結(jié)構(gòu)損壞的原因，找出危險(xiǎn)區(qū)域和部位，提出改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算分析，直至找到合理的結(jié)構(gòu)。8.3.2有限元分析軟件簡介

1．通用有限元分析軟件目前商品化有限元分析程序的功能幾乎覆蓋了所有的工程領(lǐng)域，而且程序的使用也非常方便，有一定基礎(chǔ)的工程師都可在短時(shí)間內(nèi)掌握分析實(shí)際工程項(xiàng)目方法。當(dāng)前我國工程界比較流行且廣泛使用的大型有限元分析軟件有ANSYS、ABAQUS、MSC/NASTRAN、COSMOS和ADINA等。

1)?ANSYS

ANSYS軟件是集結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件，由世界上最大的有限元分析軟件公司之一——美國的ANSYS公司開發(fā)。該軟件最突出的功能是多物理場(chǎng)分析技術(shù)。所謂多物理場(chǎng)，是指熱場(chǎng)、流場(chǎng)、結(jié)構(gòu)應(yīng)力場(chǎng)等多場(chǎng)耦合。在ANSYS公司并購了ICEMCFD后，這種軟件的復(fù)雜流場(chǎng)分析能力更加強(qiáng)大。另外，這種軟件系統(tǒng)還有顯式瞬態(tài)動(dòng)力分析工具LS-DYNA，是顯式有限元理論和程序的鼻祖，被公認(rèn)為是汽車安全性設(shè)計(jì)、武器系統(tǒng)設(shè)計(jì)、金屬成形、跌落仿真等領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)分析軟件。在前置處理方面，ANSYS的實(shí)體建模功能比較完善，提供了完整的布爾運(yùn)算，還提供了拖拉、延伸、旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)和拷貝實(shí)體模型圖素功能，也可以讀入Pro/E、UG等CAD模型。

2)?ADINA

ADINA是老牌通用有限元分析系統(tǒng)，它的技術(shù)較成熟，集成環(huán)境包括自動(dòng)建模、分析和可視化后置處理等。這種軟件可進(jìn)行線性、非線性分析，靜力、動(dòng)力、屈曲、熱傳導(dǎo)分析，壓縮、不可壓縮流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算及流-固耦合分析等，適用于機(jī)械工業(yè)領(lǐng)域、土木建筑工程結(jié)構(gòu)、橋梁、隧道、水利、交通能源、石油化工、航空、航天、船舶、軍工機(jī)械和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，可進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)、可靠性分析評(píng)定及科學(xué)前沿研究等。

3)?MSC多年來，MSC在計(jì)算機(jī)輔助工程分析市場(chǎng)一直居于領(lǐng)導(dǎo)地位，尤其在收購了頂尖級(jí)非線性CAE軟件公司MARC等后，更為它在MCAE(機(jī)械工程輔助分析)行業(yè)奠定了霸主地位。MSC的產(chǎn)品系列很多，不同的軟件模塊執(zhí)行不同的分析功能。它豐富的產(chǎn)品線包括：

(1)目前功能最全面、應(yīng)用最廣泛的大型通用結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)NASTRAN；

(2)工業(yè)領(lǐng)域著名的并行框架式有限元前、后置處理及分析系統(tǒng)PATRAN；

(3)專用的耐久性疲勞壽命分析工具FATIGUE；

(4)拓?fù)浼靶螤顑?yōu)化的概念化設(shè)計(jì)軟件工具CONSTRUCT；

(5)處理高度組合非線性結(jié)構(gòu)、熱及其他物理場(chǎng)和耦合場(chǎng)問題的有限元軟件MARC；

(6)求解高度非線性、瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)、流體及流-固耦合問題的分析工具DYTRAN；

(7)當(dāng)今唯一的全面商品化的材料數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)MVISION及成型過程仿真專用工具AutoForge。

2．CAD/CAM集成系統(tǒng)中的有限元分析模塊目前，一些商品化集成CAD/CAM系統(tǒng)(如UG、CATIA等)已經(jīng)將有限元分析軟件集成在系統(tǒng)內(nèi)部，有限元分析功能是CAD/CAM集成系統(tǒng)的重要組成部分。在這種集成方式下，有限元分析模塊和幾何造型模塊之間可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無縫連接，并提供了方便的前、后置處理功能，使用起來十分方便。下面以UG的有限元分析模塊為例，介紹有限元分析程序的應(yīng)用。8.3.3UG有限元分析功能

UG作為一個(gè)集計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、制造和工程分析為一體的CAD/CAM集成系統(tǒng)，提供了強(qiáng)大的有限元分析模塊(結(jié)構(gòu)模塊)。在UG建模模塊中完成零部件三維造型后，可進(jìn)入該模塊進(jìn)行有限元結(jié)構(gòu)分析。

1．UG有限元分析工作環(huán)境

UG結(jié)構(gòu)模塊具有相對(duì)獨(dú)立的工作環(huán)境，在UG下拉菜單中，選擇“應(yīng)用”→“結(jié)構(gòu)分析”菜單項(xiàng)，將進(jìn)入有限元工作環(huán)境，在工作界面上出現(xiàn)一個(gè)scenario導(dǎo)航工具瀏覽器(如圖8.9所示)和多個(gè)有限元分析的工具條(如圖8.10所示)。在scenario導(dǎo)航工具瀏覽器中，以樹形結(jié)構(gòu)顯示所分析的零件的模型，包括主模型與相應(yīng)的scenario模型。下面介紹有關(guān)主模型與scenario模型的概念。圖8.9UG有限元分析環(huán)境的導(dǎo)航工具窗口圖8.10UG有限元分析的工具條

2．主模型的概念主模型(MasterModel)是供UG各模塊共同引用的零件模型。在UG建模中建立的模型為主模型，主模型可同時(shí)被工程圖繪制、裝配、加工、機(jī)構(gòu)分析和有限元分析等模塊引用。當(dāng)主模型修改時(shí)，相關(guān)應(yīng)用的各個(gè)模型將自動(dòng)隨之修改。

3．scenario模型

scenario模型是UG有限元分析時(shí)采用的分析模型。scenario模型可通過引用零件主模型來建立，根據(jù)需要一個(gè)主模型可建立多個(gè)scenario模型。scenario模型沿用了主模型的幾何信息并與主模型關(guān)聯(lián)，但scenario模型本身可包含一些獨(dú)立的信息，例如在主模型中可能有很多圓角，但在scenario模型中為了使問題簡化，可以抑制這些圓角。不同的scenario模型可以包含不同的有限元網(wǎng)格和分析結(jié)果。在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)上，主模型文件與scenario模型文件是獨(dú)立的，但系統(tǒng)自動(dòng)建立其關(guān)聯(lián)關(guān)系。

4．UG有限元分析的一般步驟

UG有限元分析的一般步驟如圖8.11所示。該步驟與大部分通用的有限元分析軟件的分析步驟大致相同，帶有較普遍的意義。下面對(duì)其中幾個(gè)要點(diǎn)給與說明。圖8.11UG有限元分析的步驟

1)創(chuàng)建分析模型并設(shè)置分析環(huán)境創(chuàng)建分析模型并設(shè)置分析環(huán)境參數(shù)，比如：選擇有限元解算器，選擇解算類型，確定是否選擇軸對(duì)稱分析等。UG提供三種類型的有限元解算器：StructuresP.E.、NASTRAN、ANSYS。其中StructuresP.E.是UG公司自己開發(fā)的解算器，其余為著名的有限元分析軟件的解算器。UG解算類型有靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析、模態(tài)分析、穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)分析和熱-結(jié)構(gòu)分析。

2)分析模型的預(yù)處理分析模型的預(yù)處理的目的是便于網(wǎng)格劃分，提高分析精度。預(yù)處理包括模型的簡化、編輯模型參數(shù)以及優(yōu)化幾何參數(shù)等功能。比如：可通過合并一些相鄰面來簡化模型，按拓?fù)潢P(guān)系合并兩個(gè)或兩個(gè)以上的面而生成一個(gè)形狀較好的區(qū)域。相鄰面合并的一般原則：面合并后不能引起明顯的扭曲，不能改變載荷和邊界條件，但能提高網(wǎng)格劃分質(zhì)量，如移去一些小面、窄長面和尖角。也可通過抑制特征進(jìn)行模型簡化。抑制特征可以從模型中移去某些不重要的幾何特征，如小孔、小圓角和小倒角等。這些特征在抑制后不參加分析，對(duì)分析結(jié)果一般不會(huì)產(chǎn)生太大的影響，卻有利于提高網(wǎng)格劃分質(zhì)量和分析速度。被抑制的特征可以隨時(shí)解除抑制。

3)添加載荷載荷類型主要有力載荷、正壓力載荷、重力載荷、力矩載荷、壓力載荷、沿邊均勻壓力載荷、離心力載荷、溫度載荷和熱流量載荷等。添加載荷時(shí)一般是按照一定的加載方案進(jìn)行的。為分析同一模型在不同加載方案下的應(yīng)力、應(yīng)變的分布情況，系統(tǒng)允許建立多個(gè)加載方案。載荷通常用工作坐標(biāo)系下的載荷分量指定。例如，直角坐標(biāo)系中某一力載荷F的三個(gè)分量為Fx、Fy、Fz，而在圓柱坐標(biāo)系中某一力載荷F的三個(gè)分量為Fr、Ft、Fz。

4)邊界條件在有限元分析中，邊界條件用于約束節(jié)點(diǎn)的自由度。UG中提供的邊界條件的類型有：移動(dòng)/轉(zhuǎn)動(dòng)、移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、固定溫度邊界條件和自由傳導(dǎo)邊界條件。每一種邊界條件中又包括幾種約束類型：固定約束、簡單支承約束、對(duì)稱約束和用戶自定義約束。

5)網(wǎng)格

UG支持多種網(wǎng)格類型，主要有三維網(wǎng)格、二維網(wǎng)格、一維網(wǎng)格、零維網(wǎng)格和接觸網(wǎng)格。三維網(wǎng)格主要是在實(shí)體上劃分4節(jié)點(diǎn)和10節(jié)點(diǎn)的四面體單元或8節(jié)點(diǎn)和20節(jié)點(diǎn)的六面體單元。二維網(wǎng)格主要是在片體上劃分3節(jié)點(diǎn)和6節(jié)點(diǎn)的三角形單元或4節(jié)點(diǎn)和8節(jié)點(diǎn)的四邊形單元。一維網(wǎng)格主要用在曲線、邊或點(diǎn)上劃分網(wǎng)格，只有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)。零維網(wǎng)格主要用來指定產(chǎn)生集中質(zhì)量單元。接觸網(wǎng)格主要是在兩條接觸邊或兩個(gè)接觸面上產(chǎn)生點(diǎn)到點(diǎn)的接觸單元。

6)材料屬性確定材料屬性是系統(tǒng)計(jì)算零件中的應(yīng)力和變形的依據(jù)之一。材料屬性主要有材料密度、參考溫度、彈性模量、泊松比、剪切模量、屈服強(qiáng)度、抗拉極限強(qiáng)度、熱膨脹系數(shù)、熱傳導(dǎo)系數(shù)等。材料屬性可從系統(tǒng)提供的一個(gè)材料庫中直接選擇調(diào)用。

7)后置處理

UG的后置處理分析結(jié)果類型有節(jié)點(diǎn)位移(Displacement-Nodal)，單元應(yīng)力(Stress-Element)，單元最大應(yīng)力(StressMaximum-Element)，單元最小應(yīng)力(StressMinimum-Element)，節(jié)點(diǎn)應(yīng)力(Stress-Nodal)，節(jié)點(diǎn)應(yīng)變(Strain-Nodal)，單元應(yīng)變(Strain-Element)，節(jié)點(diǎn)反力(ReactionForce-Nodal)，單元應(yīng)變能量密度(StrainEnergyDensity-Element)等。

UG的后置處理結(jié)果以指紋圖形顯示。指紋圖形可以形象地顯示模型中節(jié)點(diǎn)和單元的應(yīng)力、應(yīng)變的分布情況。指紋圖形的類型有多種，比如：平滑著色(SmoothTone)，等高線(ContourLines)，等高區(qū)域(ContourBand)，分單元顯示(ElementValue)等。同時(shí)，所采用的顯示顏色、透明程度、顯示比例等可任意調(diào)整。另外，可采用動(dòng)畫方式顯示結(jié)果，也可將不同方案的分析結(jié)果在同一圖形窗口中顯示，便于用戶比較。8.3.4有限元分析實(shí)例圖8.12所示零件，兩底腳固定，內(nèi)孔作用一正壓力(50000N/mm2)，采用UG/Structures有限元分析模塊進(jìn)行分析。首先在UG/Modeling中建立零件主模型，再進(jìn)入U(xiǎn)G/Structures結(jié)構(gòu)分析模塊進(jìn)行有限元分析。其基本過程如下：

(1)創(chuàng)建分析模型。在Structures模塊中，從有限元分析導(dǎo)航工具窗口內(nèi)選擇主模型，單擊鼠標(biāo)右鍵，在彈出的菜單中選擇新方案(NewScenario)菜單項(xiàng)，則創(chuàng)建一個(gè)新的分析模型，取名為“Scenario.1”。

(2)設(shè)置分析環(huán)境。在導(dǎo)航工具窗口中選擇分析模型“Scenario.1”，單擊鼠標(biāo)右鍵，在彈出的菜單中選擇環(huán)境，在彈出的菜單中進(jìn)行設(shè)置：選擇有限元解算器為NASTRAN解算器，選擇解算類型為靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析。

(3)分析模型的預(yù)處理。在該例中暫不做預(yù)處理。

(4)添加載荷。在工具條中單擊添加載荷圖標(biāo)，彈出如圖8.13所示的“載荷”對(duì)話框，設(shè)置載荷類型為正壓力，應(yīng)用于“面”，數(shù)值為50?000，單位為“N/mm2”，選擇模型中內(nèi)孔表面，單擊“確定”按鈕，即可將正壓力載荷添加到內(nèi)孔表面上。圖8.12分析零件

圖8.13添加載荷

(5)指定邊界條件。在工具條中單擊添加邊界條件圖標(biāo)，彈出如圖8.14所示的“邊界條件”對(duì)話框，設(shè)置邊界條件類型為“移動(dòng)/旋轉(zhuǎn)”(Translation/Rotation)，約束標(biāo)準(zhǔn)類型為“固定的”，作用到“面”。再在圖形窗口中選擇模型中的兩個(gè)底腳面(面①和②)，單擊“確定”按鈕，完成邊界條件的設(shè)置，如圖8.15所示。圖8.14指定邊界條件

圖8.15邊界條件

(6)劃分網(wǎng)格。在工具條中單擊創(chuàng)建三維網(wǎng)格圖標(biāo)，彈出如圖8.16所示的“3D網(wǎng)格”對(duì)話框，設(shè)置網(wǎng)格類型為“十節(jié)點(diǎn)四面體單元”，指定全局單元尺寸大小為8，再在圖形窗口中選擇模型實(shí)體，單擊“確定”按鈕，三維網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖8.17所示。圖8.16劃分網(wǎng)格

圖8.17劃分網(wǎng)格結(jié)果

(7)指定材料屬性。在工具條中單擊材料圖標(biāo)，彈出材料選擇框，在圖形窗口中選擇三維網(wǎng)格，再在材料列表的材料庫中選擇已定義的材料，輸入和修改各材料屬性，單擊“確定”按鈕，即可為三維網(wǎng)格指定所選的材料。

(8)執(zhí)行分析計(jì)算。在工具條中單擊計(jì)算圖標(biāo)，彈出計(jì)算設(shè)置對(duì)話框，設(shè)置相關(guān)參數(shù)，比如分析工作的標(biāo)題、提交的工作類型、指定的載荷方案、輸出類型及輸出的工作目錄等，各項(xiàng)選擇按默認(rèn)設(shè)定，單擊“確定”按鈕，進(jìn)行分析求解。在分析結(jié)束后，分析監(jiān)測(cè)器對(duì)話框中會(huì)顯示提交工作已完成的信息。

(9)后置處理。在工具條中單擊查看分析結(jié)果圖標(biāo)，系統(tǒng)將進(jìn)入后置處理器，并彈出如圖8.18所示的對(duì)話框。用戶可以在該對(duì)話框中選擇相應(yīng)的圖標(biāo)，查看相關(guān)的內(nèi)容。圖8.18后置處理對(duì)話框

UG的圖形顯示采用指紋圖形顯示，指紋圖形可以形象地顯示模型中的應(yīng)力、應(yīng)變的分布情況。圖8.19和圖8.20為部分后置處理結(jié)果，前者為應(yīng)變等值帶分布圖，后者為節(jié)點(diǎn)位移變形圖。圖8.19應(yīng)力等值帶分布圖圖8.20位移變形圖8.4機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析8.4.1機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析概述機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)在工程設(shè)計(jì)中占有非常重要的作用。在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需要對(duì)設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力分析，從而預(yù)知所設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)是否滿足要求，保證設(shè)計(jì)的可靠性。但是，傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行的工作，而且比較復(fù)雜，機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析和動(dòng)力分析是一項(xiàng)比較困難的工作。在現(xiàn)代產(chǎn)品的CAD/CAM過程中，可以利用計(jì)算機(jī)數(shù)字仿真和三維CAD建模的優(yōu)勢(shì)，很好地解決這一問題，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析已成為現(xiàn)代CAD/CAM系統(tǒng)一項(xiàng)重要的必備功能。機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析使設(shè)計(jì)中機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系變得非常直觀和易于修改，能夠大大簡化機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)開發(fā)過程，縮短開發(fā)周期，減少開發(fā)費(fèi)用，同時(shí)提高產(chǎn)品的質(zhì)量。目前主流的CAD/CAM集成系統(tǒng)一般均具有機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析模塊。應(yīng)用該模塊可在三維造型的基礎(chǔ)上，交互建立機(jī)構(gòu)模型，并輸入必要的初始數(shù)據(jù)，系統(tǒng)即能自動(dòng)地進(jìn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析，計(jì)算出機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的軌跡、速度、加速度、傳動(dòng)力等參數(shù)，同時(shí)利用圖示功能仿真機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況，供設(shè)計(jì)者參考。在得到了分析結(jié)果的同時(shí)，系統(tǒng)還提供集成化的修改和優(yōu)化手段，使設(shè)計(jì)人員能很快設(shè)計(jì)出達(dá)到運(yùn)動(dòng)要求的產(chǎn)品和確定優(yōu)化的參數(shù)。圖8.21所示是一個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析的例子。圖8.21機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析的例子

1．機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的主要內(nèi)容機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析的任務(wù)是：在系統(tǒng)中建立一個(gè)或多個(gè)構(gòu)件的絕對(duì)或相對(duì)位置與時(shí)間之間的確定關(guān)系，通過求解位置、速度和加速度的非線性方程組，來求得其余構(gòu)件的位置、速度及加速度與時(shí)間的關(guān)系。目前，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析可以對(duì)分析的機(jī)構(gòu)添加運(yùn)動(dòng)副、驅(qū)動(dòng)副，從而使其運(yùn)動(dòng)起來，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真，并可運(yùn)用后置處理功能查看當(dāng)前機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，對(duì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡、位移和運(yùn)動(dòng)干涉情況進(jìn)行分析。一般而言，在運(yùn)動(dòng)分析時(shí)只考慮系統(tǒng)及其各構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)，而不考慮引起運(yùn)動(dòng)的力。圖8.22機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析的工作流程圖

2．機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析的工作過程機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析包括前置處理、運(yùn)算求解和后置處理三個(gè)階段。前置處理包括在三維模型構(gòu)件上設(shè)置連桿、運(yùn)動(dòng)副和機(jī)構(gòu)載荷。運(yùn)算求解是指利用某種解算器(如ADAMS)對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行處理運(yùn)算，然后生成內(nèi)部輸出數(shù)據(jù)文件的過程。后置處理是對(duì)解算器產(chǎn)生的內(nèi)部輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋，并把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可視化的動(dòng)畫顯示數(shù)據(jù)、圖表數(shù)據(jù)和報(bào)表數(shù)據(jù)。圖8.22是機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析的工作流程圖。8.4.2UG機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析

UG軟件提供了具有強(qiáng)大的靜態(tài)、運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力分析計(jì)算以及動(dòng)態(tài)仿真功能的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析(Motion)模塊。在UG/Modeling及UG/Assemblies應(yīng)用中分別建立了零件模型及裝配模型后，可進(jìn)入該模塊進(jìn)行機(jī)構(gòu)分析。在機(jī)構(gòu)分析應(yīng)用中，用戶建立Scenario模型后，通過創(chuàng)建構(gòu)件、運(yùn)動(dòng)副和載荷等機(jī)構(gòu)對(duì)象，可對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析和仿真，其分析結(jié)果可使用戶直觀地了解機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的性能，如機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)范圍、速度、加速度、載荷(作用力或反作用力)、兩機(jī)構(gòu)對(duì)象之間的最小距離或最小角度，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤和機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)干涉等。分析計(jì)算結(jié)果可用多種方式輸出，如動(dòng)畫仿真、曲線圖、電子表格以及用MPEG、AnimatedGIF、AnimatedVRML、ADAMS文件格式輸出等。

1．UG運(yùn)動(dòng)分析工作環(huán)境

UG/Motion模塊具有相對(duì)獨(dú)立的工作環(huán)境，在UG主菜單中選擇“應(yīng)用”→“運(yùn)動(dòng)”命令，系統(tǒng)將打開Scenario導(dǎo)航瀏覽器和多個(gè)運(yùn)動(dòng)分析工具條，進(jìn)入運(yùn)動(dòng)分析模塊，如圖8.23所示。Scenario導(dǎo)航瀏覽器窗口如圖8.24所示。Scenario導(dǎo)航瀏覽器也稱場(chǎng)景導(dǎo)航窗口或方案瀏覽器，其中包括了運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景名稱、類型、狀態(tài)、環(huán)境參數(shù)的設(shè)置。該窗口還包括了主要的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，如連桿、運(yùn)動(dòng)副、載荷(力、力矩)等參數(shù)。圖8.23運(yùn)動(dòng)分析菜單

圖8.24Scenario導(dǎo)航瀏覽器運(yùn)動(dòng)分析工具條包括運(yùn)動(dòng)、連桿及運(yùn)動(dòng)副、力類對(duì)象、模型準(zhǔn)備和運(yùn)動(dòng)分析等菜單與圖標(biāo)，如圖8.25所示。圖8.25運(yùn)動(dòng)分析工具條

2．Scenario模型與UG有限元分析類似，在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析模塊中，Scenario模型是基于主模型在各種不同條件下對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析計(jì)算的分析模型，該模型與主模型相關(guān)聯(lián)。根據(jù)主模型可建立多個(gè)不同的Scenario模型，定義不同的分析條件，還可分別對(duì)機(jī)構(gòu)的各Scenario模型進(jìn)行分析計(jì)算及評(píng)估。

Scenario模型由大量的機(jī)構(gòu)對(duì)象組成。機(jī)構(gòu)對(duì)象包括：構(gòu)件、運(yùn)動(dòng)副、彈簧、阻尼、原動(dòng)件、力、扭矩等。

3．機(jī)構(gòu)對(duì)象類型

UG的機(jī)構(gòu)應(yīng)用模塊提供了多種機(jī)構(gòu)對(duì)象。所提供的機(jī)構(gòu)對(duì)象的主要類型及說明如表8.2所示。表8.2機(jī)構(gòu)對(duì)象的主要類型及說明名稱說明構(gòu)件構(gòu)件是一個(gè)機(jī)構(gòu)特征，代表一個(gè)剛體。構(gòu)件可通過UG幾何對(duì)象定義，可賦予構(gòu)件參數(shù)特性運(yùn)動(dòng)副運(yùn)動(dòng)副可表達(dá)兩構(gòu)件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。常用運(yùn)動(dòng)副有轉(zhuǎn)動(dòng)副、移動(dòng)副、螺旋副等阻尼粘性阻尼器可添加在兩個(gè)構(gòu)件之間。粘性阻尼器可以是移動(dòng)阻尼器或轉(zhuǎn)動(dòng)阻尼器標(biāo)記標(biāo)記是指對(duì)一個(gè)構(gòu)件上感興趣的某點(diǎn)所作的定義力力可施加在任意兩構(gòu)件之間扭矩扭矩添加在當(dāng)前機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)副之內(nèi)彈簧拉壓彈簧添加在兩個(gè)構(gòu)件之間或一個(gè)移動(dòng)副之內(nèi)；扭轉(zhuǎn)彈簧添加在機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)副之內(nèi)

4．自由度在機(jī)構(gòu)創(chuàng)建過程中，每個(gè)自由構(gòu)件將引入6個(gè)自由度(DOF)，同時(shí)運(yùn)動(dòng)副又給機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)帶來約束。常用運(yùn)動(dòng)副引入的約束數(shù)如表8.3所示。機(jī)構(gòu)類型轉(zhuǎn)動(dòng)副移動(dòng)副圓柱副球副平面副齒輪副螺旋副點(diǎn)線接觸高副引入約束數(shù)55433112表8.3常用運(yùn)動(dòng)副引入的約束數(shù)機(jī)構(gòu)的總自由度數(shù)可用下式進(jìn)行計(jì)算：總自由度數(shù)?=?活動(dòng)構(gòu)件數(shù)×6－∑運(yùn)動(dòng)副引入約束數(shù)－∑機(jī)構(gòu)中原動(dòng)件輸入的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)參數(shù)

5．分析模型的建立與環(huán)境設(shè)置對(duì)于用UG建立的一個(gè)三維實(shí)體主模型，在打開的Scenario導(dǎo)航瀏覽器中用鼠標(biāo)右鍵單擊主模型，在彈出的如圖8.26所示的快捷菜單中選擇“新方案”命令，即可創(chuàng)建一個(gè)新的分析模型(也稱為運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景)。新建一個(gè)Scenario模型后，應(yīng)先定義其分析環(huán)境，以防定義無效的機(jī)構(gòu)對(duì)象。分析環(huán)境設(shè)置對(duì)話框如圖8.27所示，可選擇進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真或動(dòng)態(tài)仿真。圖8.26Scenario導(dǎo)航瀏覽器

圖8.27“環(huán)境”對(duì)話框

6．UG運(yùn)動(dòng)分析與仿真過程應(yīng)用UG機(jī)構(gòu)模塊進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析的工作過程總體上可分成四個(gè)部分：建立機(jī)構(gòu)分析模型，創(chuàng)建機(jī)構(gòu)對(duì)象，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真分析及仿真結(jié)果顯示與輸出。

UG機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析的一般步驟如圖8.28所示。

(1)通過三維零件造型建立主模型文件，進(jìn)入U(xiǎn)G的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析模塊。圖8.28UG機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析的一般步驟

(2)創(chuàng)建一個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析模型，指定機(jī)構(gòu)分析環(huán)境。并對(duì)機(jī)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行預(yù)設(shè)置。若需對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力分析，則應(yīng)賦予機(jī)構(gòu)中各實(shí)體對(duì)象相應(yīng)的材料特性。

(3)創(chuàng)建各機(jī)構(gòu)對(duì)象(如構(gòu)件、運(yùn)動(dòng)副、標(biāo)記及其他載荷對(duì)象等)。

(4)根據(jù)需要指定分析結(jié)果的類型，對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析。

(5)根據(jù)需要選用合適的形式輸出機(jī)構(gòu)分析結(jié)果，如對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)畫仿真，輸出某構(gòu)件或構(gòu)件上某點(diǎn)(標(biāo)記)的運(yùn)動(dòng)線圖，輸出載荷曲線圖等。上述步驟與大部分機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析軟件的步驟大致相同，帶有較普遍的意義。下面對(duì)其中幾個(gè)要點(diǎn)給與說明。

1)創(chuàng)建機(jī)構(gòu)對(duì)象在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析中，機(jī)構(gòu)由機(jī)構(gòu)對(duì)象組成。要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)機(jī)構(gòu)，需創(chuàng)建組成該機(jī)構(gòu)的各構(gòu)件、運(yùn)動(dòng)副、標(biāo)記等，并在機(jī)構(gòu)中添加相應(yīng)的載荷對(duì)象。UG的機(jī)構(gòu)分析模塊允許用戶創(chuàng)建如表8.2中所述的各種類型的機(jī)構(gòu)對(duì)象。圖8.29所示為創(chuàng)建機(jī)構(gòu)對(duì)象的工具條圖標(biāo)。圖8.29創(chuàng)建機(jī)構(gòu)對(duì)象的工具條圖標(biāo)

(1)創(chuàng)建構(gòu)件。構(gòu)件也稱為連桿，由UG的幾何對(duì)象來創(chuàng)建。一個(gè)幾何對(duì)象只能屬于一個(gè)構(gòu)件，而不能屬于多個(gè)構(gòu)件。創(chuàng)建構(gòu)件對(duì)話框如圖8.30所示。

(2)創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)副。兩個(gè)連桿間的動(dòng)力傳遞和相對(duì)運(yùn)動(dòng)必須通過一定的運(yùn)動(dòng)副連接。運(yùn)動(dòng)副用來定義兩連桿間的聯(lián)接方式，以不同類型的運(yùn)動(dòng)副相聯(lián)接的兩連桿所具有的相對(duì)運(yùn)動(dòng)也各不相同。創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)副對(duì)話框如圖8.31所示。該對(duì)話框上部顯示轉(zhuǎn)動(dòng)副、移動(dòng)副、圓柱副、螺旋副、萬向聯(lián)軸節(jié)、球面副及平面運(yùn)動(dòng)副等七種運(yùn)動(dòng)副圖標(biāo)，用于指定當(dāng)前創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)副的類型。圖8.30創(chuàng)建構(gòu)件對(duì)話框圖8.31“運(yùn)動(dòng)副”對(duì)話框在UG運(yùn)動(dòng)模塊中，只要是兩個(gè)被定義成不同連桿的幾何體就可以用運(yùn)動(dòng)副連接。運(yùn)動(dòng)副圖標(biāo)下方的“捕捉連桿”選項(xiàng)、創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)副的“選擇步驟”圖標(biāo)及相關(guān)“過濾器”內(nèi)容會(huì)隨著選擇步驟的不同而變化。

2)添加載荷在機(jī)構(gòu)的任意兩個(gè)構(gòu)件之間均可添加載荷。載荷用于模擬零件間的彈性聯(lián)接、彈簧、阻尼元件、沖力、控制力等。力和扭矩不會(huì)影響機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，僅用于動(dòng)力分析中確定運(yùn)動(dòng)副中的作用力或反作用力，作用力的大小可通過圖形功能等多種方式來觀察?？赏ㄟ^選擇如圖8.29所示的“力對(duì)象”工具條中的相關(guān)圖標(biāo)來添加載荷。運(yùn)動(dòng)副的驅(qū)動(dòng)是加在運(yùn)動(dòng)副上控制運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。圖8.32所示為“運(yùn)動(dòng)副”驅(qū)動(dòng)的5種運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式。圖8.32“運(yùn)動(dòng)副”5種運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式

圖8.33恒定運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式

(1)否：該運(yùn)動(dòng)副上沒有原始驅(qū)動(dòng)力。

(2)恒定的：運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)屬于基于時(shí)間的運(yùn)動(dòng)，所需參數(shù)有位移、速度和加速度，如圖8.33所示。用戶可以輸入一個(gè)數(shù)學(xué)函數(shù)來定義運(yùn)動(dòng)副的運(yùn)動(dòng)。例如：①勻速運(yùn)動(dòng)：其運(yùn)動(dòng)規(guī)律可表示為V?×?T?+?S②線加速運(yùn)動(dòng)：其運(yùn)動(dòng)規(guī)律可表示為V?×?T?+

+?S式中：V——速度；A——加速度；T——時(shí)間；S——位移。

(3)諧波：指采用常見的正弦或余弦變換的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

(4)一般：指一般的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。其運(yùn)動(dòng)規(guī)律可通過輸入一個(gè)表達(dá)式來確定，如圖8.34所示。表達(dá)式中可使用一些常用數(shù)學(xué)函數(shù)，如圖8.35所示的函數(shù)編輯器。圖8.34“一般”運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)對(duì)話框圖8.35“函數(shù)編輯器”對(duì)話框

(5)關(guān)節(jié)仿真：使運(yùn)動(dòng)副以特定的步數(shù)運(yùn)動(dòng)，每步的步長為所定義的距離值(旋轉(zhuǎn)與移動(dòng))，關(guān)節(jié)仿真需定義步長和步數(shù)。

3)輸出機(jī)構(gòu)分析結(jié)果

UG機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析可用多種方式輸出機(jī)構(gòu)分析結(jié)果，如：基于時(shí)間的動(dòng)畫仿真；基于位移的動(dòng)畫仿真；輸出動(dòng)畫仿真的圖像文件；輸出機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析數(shù)據(jù)文件；用線圖表示機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析結(jié)果；用電子表格輸出機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析結(jié)果等。在每種輸出方式中可輸出各類數(shù)據(jù)，例如，用線圖輸出時(shí)，可用位移線圖、速度線圖或加速度線圖等，既可輸出構(gòu)件或構(gòu)件上標(biāo)記的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，同時(shí)也可輸出運(yùn)動(dòng)副的作用力線圖等。圖8.36所示為用電子表格輸出的機(jī)構(gòu)分析結(jié)果數(shù)據(jù)以及相應(yīng)的線圖輸出結(jié)果。這些數(shù)據(jù)可用來驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，進(jìn)行動(dòng)畫仿真，也可顯示測(cè)量的距離、角度、跟蹤數(shù)據(jù)、干涉狀況等分析結(jié)果。圖8.36分析結(jié)果線圖輸出另外，在以動(dòng)畫方式輸出時(shí)，還可檢查機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中構(gòu)件間的最小距離、最小角度、是否存在干涉以及對(duì)構(gòu)件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)跟蹤等。利用機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析還可計(jì)算構(gòu)件的支承反力，可基于某特定構(gòu)件的ADAMS反作用力定義構(gòu)件的加載方案，并將加載方案由機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析模塊輸出至有限元分析模塊。8.5虛擬樣機(jī)技術(shù)簡介8.5.1概述虛擬樣機(jī)(VirtualPrototype)技術(shù)也稱為機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)。它的基本含義是以產(chǎn)品的數(shù)字化模型為基礎(chǔ)，在計(jì)算機(jī)中對(duì)模型的各種動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行分析、測(cè)試和評(píng)估，并根據(jù)分析結(jié)果改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，從而達(dá)到以虛擬產(chǎn)品模型代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實(shí)物樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)的目的，使機(jī)械產(chǎn)品的性能試驗(yàn)和開發(fā)手段發(fā)生重大轉(zhuǎn)變。虛擬樣機(jī)技術(shù)是一種新的產(chǎn)品開發(fā)方法。虛擬樣機(jī)技術(shù)面向產(chǎn)品及系統(tǒng)的全生命周期，可以綜合考慮產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、使用及工作環(huán)境，并通過全生命周期的仿真、分析及優(yōu)化來降低技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。因此，它可以顯著地縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。另外，精確的理論計(jì)算及分析有利于提高產(chǎn)品的性能及質(zhì)量，也有利于獲得具有創(chuàng)新性的產(chǎn)品。虛擬樣機(jī)技術(shù)是在CAX技術(shù)和DFX技術(shù)基礎(chǔ)上的發(fā)展，同時(shí)融合了信息技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)和先進(jìn)仿真技術(shù)。它的出現(xiàn)受到了人們的高度重視，技術(shù)領(lǐng)先、實(shí)力雄厚的制造廠商紛紛將虛擬樣機(jī)技術(shù)引入到產(chǎn)品開發(fā)中，以保持企業(yè)的競(jìng)爭優(yōu)勢(shì)。

1．虛擬樣機(jī)的概念目前對(duì)于虛擬樣機(jī)的概念還沒有一種精確的定義，針對(duì)不同的研究領(lǐng)域，有各種不同的定義方法。一般認(rèn)為，虛擬樣機(jī)是取代實(shí)際產(chǎn)品模型的一種數(shù)字模型，通過它可以對(duì)實(shí)際的物理產(chǎn)品進(jìn)行幾何、功能和可制造性方面的建模和分析。有人則認(rèn)為，虛擬樣機(jī)是將目前CAD、CAE等CAX技術(shù)結(jié)合在一起的一種集成化產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型。

2．虛擬樣機(jī)技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)虛擬樣機(jī)技術(shù)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，它涉及到許多關(guān)鍵技術(shù)及研究領(lǐng)域，如系統(tǒng)總體技術(shù)、建模技術(shù)、協(xié)同仿真技術(shù)、虛擬樣機(jī)的支撐環(huán)境等。

1)系統(tǒng)總體技術(shù)虛擬樣機(jī)系統(tǒng)總體技術(shù)從整體出發(fā)，規(guī)定和協(xié)調(diào)構(gòu)成虛擬樣機(jī)各子系統(tǒng)的運(yùn)行和相互之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)信息和資源共享，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)總體目標(biāo)。系統(tǒng)總體技術(shù)涉及規(guī)范化的體系結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)采用的標(biāo)準(zhǔn)與協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)以及系統(tǒng)運(yùn)行模式等。

2)建模技術(shù)虛擬樣機(jī)模型是對(duì)實(shí)體的數(shù)學(xué)表示，它給出對(duì)象結(jié)構(gòu)和性能的描述，并能產(chǎn)生相應(yīng)的圖形，如功能視圖、結(jié)構(gòu)視圖和行為視圖。隨著仿真技術(shù)的發(fā)展，虛擬樣機(jī)建模技術(shù)已經(jīng)從對(duì)實(shí)體的建模發(fā)展到對(duì)環(huán)境的建模和人體行為的建模。實(shí)體建模技術(shù)涉及工程和非工程領(lǐng)域的各種實(shí)體的建模技術(shù)；環(huán)境建模技術(shù)主要解決環(huán)境仿真模型(如地形、地貌、海洋、大氣、空間環(huán)境等)的建立；人體行為建模技術(shù)主要涉及模擬人體器官組織和人體在外界物理刺激下的表現(xiàn)和行為等的建模技術(shù)。目前，主要的建模技術(shù)有幾何建模技術(shù)、機(jī)理建模技術(shù)、面向?qū)ο蠼＜夹g(shù)、面向組件/服務(wù)建模技術(shù)、辨識(shí)建模技術(shù)、基于知識(shí)的建模技術(shù)、多模式建模技術(shù)、可視化建模技術(shù)及多媒體建模技術(shù)等。隨著被建模系統(tǒng)的日益復(fù)雜化，單一模式建模僅能描述對(duì)象的某一特征，在工程應(yīng)用中，常常是多種建模技術(shù)的集成。

3)協(xié)同仿真技術(shù)復(fù)雜的虛擬樣機(jī)系統(tǒng)通常涉及機(jī)械、電子、軟件、控制等多種技術(shù)領(lǐng)域，系統(tǒng)組成呈現(xiàn)出分布、交互的特點(diǎn)，依靠單一仿真工具無法解決這一涉及多領(lǐng)域的復(fù)雜設(shè)計(jì)問題。因此，常需構(gòu)建復(fù)雜系統(tǒng)的混合模型和對(duì)混合模型進(jìn)行分布式協(xié)同仿真來實(shí)現(xiàn)。協(xié)同仿真技術(shù)已成為解決復(fù)雜系統(tǒng)虛擬樣機(jī)仿真的重要手段。協(xié)同仿真技術(shù)具有結(jié)構(gòu)仿真、性能仿真、控制仿真和多體動(dòng)力學(xué)仿真之功能。

3．虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù)還處于不斷發(fā)展階段，但在國外的汽車制造、航空航天、鐵路機(jī)車、通信、工程機(jī)械等諸多領(lǐng)域已獲得一些成功的應(yīng)用，這給產(chǎn)業(yè)界帶來了強(qiáng)烈的沖擊。美國戴姆勒-克萊斯勒(DAIMLER-CHRYSLER)汽車公司開發(fā)的93LH系列汽車在采用虛擬樣機(jī)技術(shù)后，開發(fā)周期由48個(gè)月縮短到39個(gè)月。美國波音(BOEING)公司設(shè)計(jì)的VS-X虛擬飛機(jī)，可用頭盔顯示器和數(shù)據(jù)手套進(jìn)行觀察與控制，使飛機(jī)設(shè)計(jì)人員身臨其境地觀察飛機(jī)設(shè)計(jì)的結(jié)果，并對(duì)其外觀、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及使用性能進(jìn)行考察。波音777型客機(jī)的設(shè)計(jì)，從整機(jī)設(shè)計(jì)、部件測(cè)試到整機(jī)裝配以及各環(huán)境下的試飛，均采用了虛擬樣機(jī)技術(shù)，使該機(jī)型的開發(fā)周期由8年縮短為5年。美國航空航天局(NASA)的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)在采用了虛擬樣機(jī)技術(shù)后，成功實(shí)現(xiàn)了火星探測(cè)器“探路號(hào)”在火星上的軟著陸。世界上最大的工程機(jī)械和建筑設(shè)備制造商——美國卡特彼勒(CATERPILLAR)公司將虛擬樣機(jī)技術(shù)用于反鏟裝載機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和內(nèi)部可視性評(píng)價(jià)當(dāng)中。日本Matsushita公司開發(fā)的虛擬廚房設(shè)備系統(tǒng)，允許消費(fèi)者在購買商品前，在虛擬的廚房環(huán)境中體驗(yàn)不同設(shè)備的功能，按自己的喜好評(píng)價(jià)、選擇和重組這些設(shè)備，選擇結(jié)果將被存儲(chǔ)，并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至生產(chǎn)部門進(jìn)行生產(chǎn)。在國內(nèi)，虛擬樣機(jī)技術(shù)的研究和應(yīng)用還處于起步階段，尚未開展全面系統(tǒng)的研究。清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、航天機(jī)電集團(tuán)第二研究院等單位合作開展了復(fù)雜系統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)的研究、應(yīng)用與實(shí)踐。8.5.2虛擬樣機(jī)分析軟件虛擬樣機(jī)技術(shù)的商品化軟件比較豐富