ANSYS中建立有限元模型的方法

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利用有限元分析软件进行分析所需要的工作步 骤为:
(*)建 立 模 型;( !)加 载 并 求 解;( ()输 出 结 果。 而建模过程将耗费工作人员大量的精力和时间,因 此,按照建模通用原则,会提高模型建立的有效性及 工作效率。通用的建模原则如下: (*)结构对称性的 利用; (!)删除细节,将构件或零件上的一些细节忽 略而考虑整体特征; (()减维,选取合适的单元类型; (’)有限 元 网 格 划 分,网 格 大 小、单 元 类 型 确 定 等; (+)合理处理边界条件;(,)载荷建立在划分之后的 节点上。 !)! 明确有限元分析目的
" 结构介绍
本文结构介绍以某星载激光雷达伺服转台为实
图 " 某激光雷达结构
伺服转台控制激光发射光路和接收光路按一定 的规律做方位及俯仰方向的扇扫,它主要由方位电 机、方 位 测 角 测 速 元 件、方 位 轴、方 位 壳 体、俯 仰 电 机、俯仰壳体、测角元件等组成。
# 实体建模
,’232 软件强大的功能在于它的各种分 析 方 法,可建模功能并不出色。目前,对于建立 ,’232 模 型,国内外并无统一的规则和有效的方法,实际应用
右支臂抽象为平面单元,将左右耳抽象为薄壁圆筒。
轴抽象为 &’()! 单元,套轴元件则为质量块,抽象为
一节点。
($)光学镜筒及发射器。抽象为
质量单元,通过高强度连杆与支板划
分后的网格接点相连,最终形成的有
限元实体模型如图 $ 所示。
使用该 方 法 的 特 点:( *)分 析 结
构总体时采用此模型;(")建模难度
算,单元类型选择难度大,必须有丰富的工作经验才
能合理建造等等。
!)$ 建立实体模型 !
在实体模型 * 中,作者将各个关键部件按三维
实体建立 模 型,而 在 实 际 的 有 限 元 建 模 中,除 非 必
要,一般不支持采用此种方法。使用有限元对现有
设备进行分析的前提是能以最小的代价,构造最为
合适的模型。一般而言,网格划分的粗细对单元应
具体工作步骤如下: (*)添加单元类型。本模型需要选择的单元类 型有:-./0’,1234*,5/66!*,%7829’+,%:.88,( 等等。 (!)设置相关单元实常数集。选择 5/23 5.3; ! <.=>7?.667> ! <./8 @736A/3A6 ! #99 B C92A B D.8.A.。 (()方位壳体建模。方位壳体的建模方法为:选 择 5/23 5.3; ! <.=>7?.667> ! 579.823E! @>./A. ! F78;0.6 ! @G8239.> ! -G 920.362736;通过 -G 920.3H 62736 方式,可输入壳体的内、外径大小以及高度方 向的始终点坐标。因为壳体形状并不是规则的筒状 结构,因此,需要分段建模,先将壳体分为 *( 段,依 次 完 成 各 部 分 三 维 结 构,然 后 再 将各个部分合为一个整体,如图 ! 所示。方位轴和支板的建立与壳 体类 似,可 通 过 -G 920.362736 方 式来建立。 (’)左 万方右数支据臂。 此 时,使 用 图 ! 方位座
#$%&% 系统默认的坐标系已经无法满足实际要求,
需建立相对坐标系。#$%&% 系统中有 ( 种坐标系:
I7>423E J8/3. @(% 工作平面坐标系),K87L/8 @(% 全局
坐标系),17?/8 @%(局部坐标系)。开始建模使用的
坐标系为全局坐标系,局部坐标系是一种相对的坐
标系,它是用户在特定位置定义特定的几何模型时,
使用节点将各个部件使用单元连接。在此之前,还
需设 置 好 单 元 属 性。具 体 建 模 时 将 轴 承 抽 象 为
1234* 单元,电机抽象为 5/66!* 单元。
最终形成的有限元模型如图 (
所示。在 建 模 过 程 中,以 下 两 点 需
要注意: (*)多使用局部坐标系,便
于局部 特 征 的 创 建;( !)各 个 零 部
的结构如图 ! 所示。
(")方 位 轴 及 套 轴 电 机、轴
承。以建造节点开始,按轴径的
大小不同抽象为 ! 个轴段,每个 轴段对应不同的实常数集。轴 图 ! 方位座模型
段的连接处为节点,抽象为质量单元,轴承抽象为高
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强度连杆。
(%)俯仰支板。在支板中心面位置构造局部坐
标系,构造支板平面。
(!)左右支臂及俯仰轴。使用局部坐标系,将左
在进行实体建模之前,需要明确分析目的。若 分析整个系统的技术指标,则可忽略一些细节,下一 步网格划分也可较粗些。反之,若仅仅研究某一方 面的特性,例如方位壳体受力分析,则需要对该部分 做详 细 建 模,如 果 必 要 的 话,可 作 为 三 维 问 题 来 处理。 !)# 建立实体模型 "
作者希望对座体结构的模态有一个明确的了 解,并能清楚各个部件的具体受力特征。因此,采用 三维问题来处理,以使结果更为详细明确。
收稿日期:!((* H C! H CD
作者简介:李 万方旻数辰据(CI"" H ),男,上海人,国电郑州机械设计研究所助理工程师,从事电力机械设计方面的工作。
第 !" 卷第 ! 期
李 辰,等:#$%&% 中建立有限元模型的方法
·’(·
中还存在诸多问题。在实际建模过程中,工作人员 经常会感到无从下手。以下结合该座体的具体建模 步骤,对 #$%&% 中建 立 有 限 元 模 型 的 方 法 进 行 总 结,期望对相关工作人员有所帮助。 !)" 建模通用原则
力计算结果影响较大,但对低阶固有频率的计算影
响不大;各部件的系统性是否完整对低阶固有频率
的计算结果有影响。因此,从总体考虑建模,对各部
件结构应进行简化。此处,建立实体模型 ! 的主要
目的是分析整个系统的模态和大致的受力分析。其
中建模过程中的几个关键步骤如下所述。
(*)方位壳体。为轴对称壳状结构,将其抽象为
小(;%)效 率 高,计 算 机 执 行 速 度 快,
模型修改方便;(!)无法计算某一零 图 " 件某个具体部位的受力,因为简化模 型过于简便。
最终的 有限元 模型
# + " 从 ,-. 系统导入
由前面的叙述可知,-/010 软件虽然本身有一
定的建模功能,但它的功能还不够强大。因此,它设
置了与多种 ,-. 软件如 234 5 6,78,09:;< =9>?@ 等
复杂的模型。其实现方法如下:
(*)将 234 5 6 中画好的模型导出为 C860 格式。
方法:D;:’ ! 6EF9>G ! B9<’:,选择 C860。 (")从 -/010 中导入 C860 文件并打开。然后
进行网格划分,就得到了有限元模型。 导入还有一种方法,在同一操作系统通过系统
参数设置将 " 种软件连接起来[%],这里不再赘述。 由于目前各个 ,-. 5 ,-6 软件彼此之间的模型通用 性较差,因此,在导入中经常发生部分模型数据丢失 的情况[!],即便是使用著名的 234 5 6 建立的模型在 导入到 -/010 中也经常发生这种情况,一般在导入 后需要对模型进行修补。 #+$ 利用命令流方式
[!]白金泽,孙秦,郭英男 + 应用 -/010 进行复杂结构应力分 析[J]+ 机械科学与技术,"##%(,$):!!* I !!! +
,’232 中建立有限元模型的方法
<., =$>?%@AB @A ,’232
李 旻 辰C,石金彦!,雷文平D,王海涛C
(C & 国电郑州机械设计研究所,河南 郑州 *)(()!; ! & 中国电子科技集团公司第 !" 研究所,河南 郑州 *)(((); D & 郑州大学 机械工程学院,河南 郑州 *)(((!)
摘 要:结合某激光雷达的有限元建模过程,提出建立有限元模型的几种方法及建模的通用性原则。对创建
实体模型的诸多方法进行了探讨,对各种方法的特点进行了分析,进而对建模中具有共性的问题进行了归
纳。
关键词:有限元模型;,’232 软件;有限元分析
中图分类号:1!*C & E!:-7DC
文献标识码:F
文章编号:C((G H G**(G !(())(! H ((*! H (D
参考文献:
[*]刘淘,杨凤鹏 + 精通 -/01[0 B]+ 北京:清华大学出版社, "##%(,$):* I *"! +
["]叶尚辉 + 建立有限元模型的一般方法[J]+ 电子机械工 程,*KKK(,*"):*L I "* +
[%]王凤丽,宋继良 + 在 -/010 中建立复杂有限元模型[J]+ 哈尔滨理工大学学报,"##%(,M):"" I "$ +
数据交换 的 接 口,通 过 接 口,可 以 把 模 型 直 接 传 入
-/010 系统中,然后再进行网格划分,加载与求解
等过程,此种方法适合复杂的三维实体模型。234 5
6 是美国 2A, 公 司 开 发 的 大 型 ,-. 5 ,-6 5 ,-B 软
件,它具有强大的建模功能,尤其是对一些曲面比较
件的单元划分及连接。
采用 三 维 方 式 建 模 的 特 点 如
下(:*)可 比 较 详 细 地 分 析 某 个 零 件的受力特点,并能分析整个系统 图 #
的力学特性; (!)建模难度大,过程
最终的有 限元模型
复杂,耗费工作人员过多精力; (()存在一定问题,比
如划分的节点比较多,耗费 @JM 大量的时间进行计
第 !" 卷 第 ! 期
水利电力机械
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!(() 年 * 月
+,-./ 01’2./#,’03 4 .5.0-/60 71+./ 8,096’./3
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薄 壁 圆 筒 结 构,单 元 类 型 选 用 具 有 曲 面 特 征 的
%:.88N(。构造过程为从低到高的方式,即依次为点、
·!!·
水利电力机械
"##$ 年 ! 月
线、面和体。底面圆环构造完成之后,构造引线,利
用圆环内圆作为外形,沿着引线延伸内圆曲线,形成
圆柱 面。具 体 操 作 命 令 略,形 成
! 引言
例,其结构型式为立轴式,结构图如图 C 所示。
目前,设计 工 作 大 多 数 是 依 靠 设 计 人 员 的 设 计 经验进行详细的结构设计,而设计结果并非是最优 化的,也没有一种方法去判断其优化的程度。例如, 为了满足强度要求,没有特别注意其结构质量及尺 寸等,从而 影 响 整 个 系 统 的 结 构 分 配。 有 限 元 分 析 是计算机诞生以后,在计算数学、力学和工程科学领 域里最有效 的 计 算 方 法[C],在 实 际 工 程 应 用 中 发 挥 着很大的作用。目前,流行广泛的分析软件有 ,’J 232,2-/,’K 等等。使用这些软件,对实际结构建模 (模拟出工作环境、结构、材料属性、受力特点等等) 进 行 力 学 分 析,得 出 相 应 结 论 可 对 设 计 进 行 优 化。 而从技术的角度讲,有限元建模过程中如何简化实 际结构则是一件很棘手的事情,没有普遍适用的规 律及有效的方法,它就像一门艺术,是对工程理论和 判断的巧妙利用[!]。结合目前 结 构 设 计 的 实 现 技 术,以工作所用软件 ,’232 E & C 为例,对有限元模型 的建立方法进行探索,并总结出几点比较实用的方 法及建议。
为了方便与准确而创建的局域的坐标系。
为了便于建立左右支臂的 ! 个圆筒状结构,使
用局部坐 标 系,建 立 坐 标 系 后,指 定 要 选 择 的 坐 标
系。其余部件如镜筒、激光发射器所使用的坐标系
以及零件结构的建立方法类似。
(+)电 机、轴 承 等 零 部 件 的 建 立。 进 行 网 格 划
分,将各个三维实体单元化,得到划分后的节点。再
-/010 中还提供了使用命令流的方式进行建 模。-/010 程序中的参数化设计语言 -2.H 用建立 智能分析的手段可完成更为复杂的功能。鉴于篇幅 有限,不再赘述。
% 结束语
针对 -/010 软件特点,本文结合具体实例,对 创建实体模型的诸多方法进行探索并实施,提出各 种方法的优缺点。在实际工程应用中,可根据具体 问题具体分析,使用最为合适的方法进行分析。而 由于实际工程的复杂性,建立有限元模型一直都将 是一件棘手的事情,本文对建模中具有的共性的问 题进行 归 纳 和 阐 述,希 望 对 同 行 工 作 人 员 能 有 所 启发。
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