將運動模擬與FEA結(jié)合使用

2013-07-26 by:廣州solidworks培訓(xùn)中心來源:仿真在線

將運動模擬與FEA結(jié)合使用

將運動模擬與FEA結(jié)合使用

要想懂得運動模擬和FEA在機(jī)構(gòu)模擬中如何結(jié)合使用,了解每種工具的基本假設(shè)會對您有所幫助。

FEA是一種用于結(jié)構(gòu)分析的數(shù)字技術(shù),已經(jīng)成為研究結(jié)構(gòu)的主導(dǎo)CAE方法。它可以分析任何固定支撐的彈性物體的行為,所示的托架。此處彈性是指物體可變形。如果應(yīng)用靜態(tài)載荷,拖架會變成新的變形形狀,之后將不再變化。如果應(yīng)用動態(tài)載荷,拖架會圍繞平衡位置振動。FEA可以研究應(yīng)用靜態(tài)或動態(tài)載荷情況下拖架的位移、應(yīng)變、應(yīng)力和振動。

相反,局部支撐的物體,如拖架上鉸接的調(diào)速輪,可以旋轉(zhuǎn)而無須變形。調(diào)速輪可像剛性實體那樣移動,因而該設(shè)備屬于機(jī)構(gòu),而非結(jié)構(gòu)。我們將使用運動模擬來研究調(diào)速輪的運動。如果將調(diào)速輪視為剛性實體,則無法計算應(yīng)變和應(yīng)力。

調(diào)速輪作為剛性實體圍繞將其連接到基體的鉸鏈旋轉(zhuǎn)。由于存在剛性實體運動,因此將此設(shè)備歸類為機(jī)構(gòu)。

乍一看,結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)之間的差異可能并不太明顯。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(shè)備使用彈簧將擺動桿與基體連接到了一起。沒有彈簧的設(shè)備屬于機(jī)構(gòu),因為其擺動桿不能自由旋轉(zhuǎn)。不論是圍繞鉸鏈旋轉(zhuǎn)還是圍繞平衡位置來回擺動,在擺動桿移動過程中,此設(shè)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(shè)備歸類為機(jī)構(gòu)。設(shè)計人員可以使用運動模擬來研究其運動。

左邊的擺動桿可進(jìn)行移動,而不會發(fā)生變形,因而屬于機(jī)構(gòu)。右邊的擺動桿在進(jìn)行任何移動時都會使彈簧變形,因而屬于結(jié)構(gòu)。

添加彈簧會更改設(shè)備的性質(zhì),這是因為添加彈簧后擺動桿就不能在彈簧不發(fā)生變形的情況下進(jìn)行移動了。擺動桿連續(xù)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(chǎn)生彈簧變形,因此右邊的設(shè)備應(yīng)歸類為結(jié)構(gòu)。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(yīng)變和應(yīng)力。

在完成運動模擬研究后,如果設(shè)計工程師想對任一機(jī)構(gòu)零部件執(zhí)行變形和/或應(yīng)力分析,則需要將所選零部件提供給FEA來進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

運動模擬結(jié)果可提供輸入數(shù)據(jù),包括作用于每個機(jī)構(gòu)連桿的接點反作用力和慣性力,這需要使用FEA進(jìn)行結(jié)構(gòu)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(shù)。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(jī)構(gòu)零部件可提交給FEA,而分析程序會將其作為結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理。

盡管工程師可以手動將數(shù)據(jù)從運動模擬傳輸?shù)紽EA,但是如果運動模擬軟件可以將結(jié)果自動導(dǎo)出到FEA,則可確保得到最佳結(jié)果。以此方式使用時,運動模擬和FEA可以進(jìn)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(shè)置中常見的猜測和可能發(fā)生的錯誤。

所示的曲柄機(jī)構(gòu)問題示例演示了耦合模擬。在該示例中,設(shè)計工程師要計算連桿中的最大應(yīng)力。

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(jié)合使用的步驟為:

1.在為進(jìn)行研究而選擇的運動范圍內(nèi),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(jī)構(gòu)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(zhuǎn)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(yīng)的機(jī)構(gòu)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(jìn)行的分析將顯示連桿所承受的最大應(yīng)力。但是,如有必要,可以選擇任意多個位置進(jìn)行分析。

圖17可以根據(jù)任意多個曲柄軸機(jī)構(gòu)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?shù)竭B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(jù)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(tài)載荷下的結(jié)構(gòu)。

5.受到平衡靜態(tài)載荷的連桿會被指派彈性材料屬性并提交到FEA以進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析。FEA將執(zhí)行結(jié)構(gòu)分析以計算變形、應(yīng)變和應(yīng)力。

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