UG产品在传动部件的仿真分析_3

UGS产品在传动部件的仿真分析姜元庆现代传动技术是机电工业的关键基础技术。

它主要包括机械传动技术、流体传动技术和电气传动技术。

现代传动技术主要承担能量传递、改变运动形态、实现对能量的分配和控制、保证传动精度和效率等功能，它是机电产品向高速化、自动化、高效率、高精度、高可靠性、轻量化、多样化方向发展的不可缺少的关键技术之一。

最早的传动技术是机械传动，机械传动已经伴随人们走过了几千年的历史，无论是在生活还是生产方面，它都为人类的发展进程作出了巨大的贡献。

如今，随着电子技术、信息技术的广泛应用，使机械传动也进入了一个新的发展阶段。

机械传动系统在高速、高效、节能、环保以及小型化等方面有了明显的改进。

现在，单纯的机械或电气传动似乎更多地加入了流体技术、智能控制技术部分，机械、电子、传感器技术、软件的合成已成为一种重要的趋势。

作为现代传动技术的基础的基础产品、如机械传动及电传动产品、轴承及液压、气动、液力传动产品等在国民经济和国防建设中的地位和作用十分重要。

没有高性能的基础产品，就不可能有高水平的机电产品。

近年来，国外传动技术由于广泛应用了高新技术成果，使基础产品在水平、品种及扩展应用领域方面都有很大提高和发展，我国基础产品工业已形成门类齐全、有一定生产能力和技术水平的生产科研体系。

装备水平有所提高，目前已能生产品种规格齐全的产品，已能为汽车、工程机械、农业机械、机床、塑机、冶金矿山、发电设备、石油化工、铁路、船舶、港口、轻工、电子、医药以及国防工业提供品种基本齐全的产品。

通过科研攻关和产学研结合，在液压伺服比例系统和元件、气动控制系统、大功率调速型液力偶合器、高速齿轮、汽车和铁路轴承、精密主轴轴承等方面有所突破，不少成果已用于生产。

虽然取得上述成果，但和目前国内的需求和国外先进水平相比还有较大差距。

主要表现在产品性能低、可靠性差。

铁路轴承寿命约为100万km，为国外的1/2，重载高速齿轮寿命也低于国外同类产品水平。

企业产品创新和自我开发能力弱，自行设计水平低，同时，经常发生大型机械的重大事故，设备在安装和使用期间发生设备倒塌，重要机构的减速机轴断裂，造成人员的伤亡等。

要避免这类事件的发生就要重点提高传动部件的性能，从最初的选型，设计开始考虑安全性和使用寿命。

正确的设计是设备质量的重要保证，大型机械的传动部件的设计是一个相对复杂的设计过程,原因是设备的功能、能力、参数等随着不同的用户经常发生变化。

所以，其机构与结构随之发生变化。

这种变化增加了设计工作的难度。

往往是在小的细节设计出错导致大事故的发生。

在一些交变载何部位要充分考虑疲劳应力对结构的影响，在具有应力集中的部位应适当降低实际应力的大小。

随着中国加入WTO，传动部件行业的竞争愈发激烈和日趋白热化。

对缩短开发周期，减少开发费用的迫切要求；用户对更高质量、更好服务的期望；国家法规与世界的同步和接轨，等等。

所有这些都对企业的开发设计手段和方法提出和构成了迫在眉睫、时不我待的变革要求和压力。

要解决这些问题，就需要重点提到本文需要重点介绍的技术，数字化仿真分析技术（CAE），采用有限元分析方法(FEM)来模拟传动部件的力学性能，发现设计缺陷、减少重量、增加强度、优化零部件尺寸、优化性能、选择恰当材料、检查安全要素。

提高产品的最大承载能力和产品的疲劳寿命。

进而提高传动产品的综合性能。

随着中国加入WTO，各个行业的竞争愈发激烈。

企业对缩短开发周期，减少开发费用的迫切要求；用户对产品更高质量、更好服务的期望，都对企业的开发设计手段和方法提出和构成了迫在眉睫、时不我待的变革要求和压力。

为了帮助制造业企业应对这一挑战，UGS公司推出了完整的数字化仿真解决方案（Digital Simulation Solution，以下简称DSS），涵盖了从CAD/CAE/CAM到PLM（产品全生命周期管理）的全过程。

DSS的基础是基于数字样机构建和数字化仿真的过程。

客户一般的开发流程是，先设计，然后构建物理样机，再通过对物理样机进行试验，然后按照试验结果进行改进，通过几次循环完成产品的开发。

这种开发方式在产品研发过程中极大地增加了研发时间和费用。

减少物理样机的建立会给企业带来显著的时间和成本收益。

UGS的解决方案的核心就是数字样机和数字化仿真，和物理试验相比，数字化仿真可以更容易、更经常和更有效地实现。

通过数字化仿真，可以模拟零部件的力学行能，以保证零件满足需要的性能，从而达到提高材料利用率、优化产品的结构、提高产品的最大承载能力和产品的疲劳寿命的目标。

此外，数字化仿真的结果还可以为企业未来的产品设计提供理论依据，从而可以克服研发流程的瓶颈，使产品的质量和创新得到改进和提升，并充分满足客户的时间、质量和成本这一既相互依存又相互制约的三个要求。

UGS公司的数字化仿真解决方案的核心构件是NX NASTRAN。

作为世界CAE工业标准及最流行的大型通用结构有限元分析软件，NX NASTRAN是一具有高度可靠性的结构有限元分析软件，有着40年的开发和改进历史，并通过50,000多个最终用户的长期工程应用的验证。

NX NASTRAN每一版的发行都要经过4个级别、 5,000个以上测试题目的检验。

NX NASTRAN的计算结果与其它质量规范相比已成为最高质量标准，得到有限元界的一致公认。

通过无数考题和大量工程实践的比较，众多重视产品质量的大公司和工业行业都用NX NASTRAN的计算结果作为标准代替其它质量规范。

NX NASTRAN的计算结果通常被视为评估其它有限元分析软件精度的参照标准，同时也是处理大型工程项目和国际招标的首选有限元分析工具。

NX NASTRAN的分析功能覆盖了绝大多数工程应用领域，并为用户提供了方便的模块化功能选项，基本包和高级包。

基本包，包含静力分析，屈曲分析，热传递分析，自然模态分析，非线性分析。

静力分析是工程结构设计人员使用最为频繁的分析手段，主要用来求解结构在与时间无关或时间作用效果可忽略的静力载荷作用下的响应，并得出所需的节点位移、节点力、约束力、单元内力、单元应力和应变能等。

NX NASTRAN支持全范围的材料模式，包括：均质各项同性材料，正交各项异性材料，各项异性材料，随温度变化的材料，方便的载荷与工况组合单元上的点、线和面载荷、热载荷、强迫位移，各种载荷的加权组合，在前后处理程序NX Master Fem中定义时可把载荷直接施加于几何体上。

屈曲分析主要用于研究结构在特定载荷下的稳定性以及确定结构失稳的临界载荷，NX NASTRAN中屈曲分析包括：线性屈曲和非线性屈曲分析。

线弹性失稳分析又称特征值屈曲分析；线性屈曲分析可以考虑固定的预载荷，也可使用惯性释放；非线性屈曲分析包括几何非线性失稳分析，弹塑性失稳分析，非线性后屈曲(Snap-through)分析。

高级包包含结构动力学分析，超单元分析，空气动力弹性及颤振分析，DMAP，和分布式计算。

结构动力学分析是NX NASTRAN的主要强项之一，它具有其它有限元分析软件所无法比拟的强大分析功能。

结构动力分析不同于静力分析，常用来确定时变载荷对整个结构或部件的影响，同时还要考虑阻尼及惯性效应的作用。

全面的NX NASTRAN动力学分析功能包括：正则模态及复特征值分析、频率及瞬态响应分析、随机响应分析、响应及冲击谱分析、动力灵敏度分析等。

针对于中小及超大型问题不同的解题规模, 用户可选择NX NASTRAN不同的动力学方法加以求解。

如在处理大型结构动力学问题时如不利用特征缩减技术将会使解题效率大为降低，UGS开发的独特的通用动力缩减算法(GDR法)在运算时可自动略去对分析影响不大的自由度，而不必象其它缩减法那样更多地需要由用户进行手工干预。

此外速度更快，磁盘空间更节省的Sparse矩阵解算器适用所有的动力分析类型，半带宽缩减时的自动内部重排序功能及并行向量化的运算方法可使动力解算效率大大提高。

模态凝聚法有 Guyan凝聚（静凝聚），广义动态凝聚，部分模态综合，精确分析的残余向量。

NX NASTRAN的主要动力学分析功能如：特证模态分析、直接复特征值分析、直接瞬态响应分析、模态瞬态响应分析、响应谱分析、模态复特征值分析、直接频率响应分析、模态频模态频率响应分析、非线性瞬态分析、模态综合、动力灵敏度分析等。

与其他分析软件厂商相比，UGS的数字化仿真分析解决方案有明显的优势，所有企业的目的都是要生产出一个具有市场竞争力的产品，所以他们最关心的是产品开发过程和制造过程。

对于UGS来讲，其优势在于不仅可以提供CAE分析软件，而且还可以为企业提供PLM系统。

这样，对于日后进行产品数据、生产数据与分析数据的关联，实现对整个数据进行管理是十分有必要的。

也就是说，对于产品的分析结果需要能够根据产品设计的改变而进行相应变更。

这个工作，只有在PLM当中才能够实现，而其他专注于CAE的厂商是没有办法做到这一点的。

同时，UGS拥有CAD的源代码、前后置处理的源代码，以及解算器的源代码，这样，UGS的CAE产品就拥有了整套的解决方案，与那些单纯拥有部分技术的软件供应商相比，UGS所提供的产品更加适合企业使用。

无论从人力资源还是资金投入，UGS都是很有竞争力。

作为UGS 核心竞争力中最关键的一条， UGS积累了40多年的服务于航空航天、国防、汽车、重型机械以及造船等行业的经验和最佳实践同样也是UGS CAE产品的巨大优势。

传动部件企业在选用CAE软件的时候，UGS会成为一个重要的选择。

采用NX NASTRAN来计算传动部件的一个客户案例。

传动系统的动力学分析，计算模态和振动特性。

这是东风汽车公司的实际案例，是一个典型的汽车的传动系统，发动机，离合器，变速箱，在产品的开发环节中，经过试验，发现在发动机与离合器连接的后盖处经常会发生断裂，按照原来的设计修改方案有三种，包括提高后盖的厚度，增加加强筋，局部结构调整，但是考虑到设计周期还有实际如果需要进行结构调整和改进的话，由于没有明确的证据证明改进的方向，可能会花费很多时间，而且成本的浪费也很高，最终决定先用有限元分析的技术来进行分析，了解问题产生的原因。

经过有限元分析发现，实际的原因是整个传动系统的固有频率与发动机的工作频率比较接近，最终导致结构共振而产生开裂。

所以需要进行整体结构的调整和修改，而不能仅仅调整单个零件，有有限元技术计算而给出的优化方案在后来的实际试验中证明是有效的，为企业节约投资达三百万人民币，节约开发时间两个月，而且对今后的结构工程师进行同类的产品设计提供了重要的理论依据。