ANSYS Workbench平台的协同仿真技术及应用

ANSYS Workbench平台的协同仿真技术及应用

刘学辉

（成都锦江机电制造公司成都610051）

摘要：通过有限元分析软件ANSYS Workbench平台的协同仿真技术介绍，汇总得出协同仿真的基本流程，并用实例分析说明其在产品开发过程中的应用及注意事项。

关键词：协同仿真ANSYS Workbench 技术及应用

1 引言

随着计算机辅助工程CAE技术在工业领域中的应用发展，在提高产品设计质量、缩短设计周期、节约成本方面发挥着越来越重要的作用。目前，CAE分析的对象已由单一的零部件分析拓展到系统级的装配体。同时，分析的领域也不再局限于结构力学，已涉及流体力学、热力学、电磁学、多场耦合等多物理场。而且，CAE分析也不再是专职分析人员的工作，设计人员参与CAE分析已经成为必然[1]。

CAE技术发展到今天，如何实现设计与仿真的无缝对接，设计与仿真的协同工作成为所有仿真工具必须面临的课题。ANSYS Workbench协同仿真技术的出现使一个集成化的仿真平台成为可能，使CAE工作早期介入物理样机。

基于ANSYS Workbench平台的协同仿真技术在我公司技术开发工作中尚处于起步阶段，但越来越多的设计开发人员开始重视ANSYS Workbench平台下的协同仿真技术在设计开发阶段的应用。为此，本文将应用ANSYS Workbench平台进行协同仿真的流程和已取得成功应用实例介绍给大家。

2 协同仿真简介

ANSYS Workbench不仅继承了经典平台（ANSYS Classic）在有限元分析上的所有功能，还能真正提供协同环境。Workbench的CAD/CAE协同环境可以很好地实现对产品设计、仿真分析的协同管理，可以帮助技术人员在同一软件环境下完成设计开发过程中的所有工作。

ANSYS Workbench的协同仿真通过图形转换模块以嵌入式实现，同时能对参数关系、装配关系自动识别。通过转换模块，充分发挥Pro/E、UG、Catia、SolidWorks、SolidEdge、Inventer等CAD软件的几何建模功和ANSYS的分析求解功能。CAD软件中对模型的修改能直接映射到Workbench中，Workbench中分析、优化后的结果也能直接映射到CAD模型中。免去文件格式转换带来的麻烦和可能出现的缺损，也免去CAD 模型修改给仿真环境设置带来重复设置的麻烦和可能出现的错误。各部门的设计、分析和试验人员可以实现协同研发、数据共享与交换，使产品研发流程化和数字化，大大提高设计研发效率，提高管理水平。

ANSYS Workbench环境中，CAD模型经过网格划分、施加载荷工况与边界条件后可调用其他CAE软件作为求解器进行调用执行仿真分析，并允许进行优化设计。根据企业的产品设计规范，还可进行二次开发，

如参数化程序设计、客户化定制等。仿真分析数据流见图1所示。

3 协同仿真应用

3.1 实例1：切管机摇臂的参数优化

为实现ANSYS Workbench与Pro/E、UG、Catia、SolidWorks、SolidEdge等CAD软件的协同仿真，在安装ANSYS软件时必须安装链接器。由于CAD模型中只有以“ds_”开头的尺寸才能传递到ANSYS Workbench下的simulation和DesignXplorer模块中，所以，应先在CAD软件中对CAD模型的相关参数进行设置，然后才能在ANSYS Workbench中进行优化。当然，若不能实现“ds_”格式设置的CAD软件中的CAD模型就不能在ANSYS Workbench中进行优化。

图1 基于ANSYS Workbench的协同仿真数据流

切管机摇臂的参数优化是样机试验时提出的。样机试验时，通过分析发现，切管机切管时出现跑管问题的主要原因是摇臂工作时的综合变形偏大。为此，使用UG软件造型并设置相关参数，通过链接功能进入到ANSYS Workbench下的simulation和DesignXplorer中进行优化分析，找到影响摇臂综合变形的敏感部位和敏感尺寸并重新设计，取得了较好效果。优化前后的摇臂设计见图2及图3。优化后的摇臂增加了加强筋，同时根据参数优化结果调整了加强筋的位置和尺寸，包括壁厚。

图2 优化前摇臂外形图3 优化后摇臂外形3.2 实例2：液压试验台装配件的静力分析

液压缸试验台装配件的静力分析是基于ANSYS Workbench对CAD软件中的装配关系自动识别完成的。ANSYS Workbench中的接触分为绑定（Bonded）、不分离（No Separation）、无摩擦（Frictionless）和粗糙(Rough)四种。Workbench对CAD模型的装配接触约束均识别为绑定（Bonded），可以根据实际需要更改接触类型或增加运动副（CAD模型中的运动副也能自动识别）。其修改后的接触关系及增加的连接副如图4所示。

图4 液压缸试验台装配件及接触环境

装配（系统）级有限元分析不仅可以减小或排除零部件间作用力计算误差，而且可以得出整个装配件在工作环境下的总变形情况，为提高开发速度和可靠性创造了条件。在装配环境中，不仅可以像单一零件那样求解我们所关心的问题，如零件的应力应变、接触面的应力应变，也可以直接求出零部件间的相互作用力和装配件的约束反力。图5是装配件中螺钉的应力分析结果，图6是底座对螺钉作用力的求解结果。

4 结束语

虽然ANSYS Workbench增加了协同仿真功能，使得设计、分析有机结合，既提高开发速度又提高设计的可靠性，但ANSYS Workbench必须要有图形转换模块和能设置“ds_”尺寸参数的CAD软件。同时，必须对所分析的对象进行合理简化，做到既能快速进行有限元分析又能指导实际工作。除了正确设置连接、接触等工作环境外，还得针对不同分析工具作出不同的前处理。

就材料特性而言，由于弹性力学遵循虎克定律，所以结构静力分析时只要输入材料的杨氏模量和泊松比即可。如果涉及惯性载荷，还需输入质量密度。如果涉及热力学，还需输入热膨胀系数和热传导率。如果使用应力工具（Stress Tool Result）就得输入应力极限数据，而且这个数据还要用于疲劳分析中的应力修