工作臺系統(tǒng)靜態(tài)分析的軟件介紹|加工中心
2.3工作臺系統(tǒng)靜態(tài)分析的軟件介紹本課題采用三維繪圖軟件SOLIDWORKS對工作臺進行實體建模，采用 ANSYS WORKBENCH對研究對象進行有限元仿真。2.3.1 Solidworks2012 簡介Solidworks2012是三維軟件設(shè)計公司SOLIDWORKS推出的一款集產(chǎn)品三維設(shè)計、數(shù)據(jù)管理、分析、多用戶協(xié)作以及模具設(shè)計等功能為一體的機械設(shè)計軟 件，其能******限度的挖掘設(shè)計師的創(chuàng)造潛力，而且相較于其它同類三維設(shè)計軟 件，S〇lidW〇rkS2012在進行產(chǎn)品設(shè)計時，用戶可以根據(jù)自己的設(shè)計思路繪制草圖， 不僅可以生成二位圖，也可以生成三維零件，反之亦可。Solidworks2012上手應(yīng) 用更快、制作用時更短的特點，深受廣大用戶的喜愛。本課題根據(jù)設(shè)計要求，利用SOLIDWORKS軟件草圖功能，按照回轉(zhuǎn)工作 臺的設(shè)計參數(shù)，對回轉(zhuǎn)工作臺進行草圖繪制，用特征功能對其進行拉伸、切除 等，并且通過設(shè)立不同的基準面進行T型槽和圓周切除，通過陣列功能將T型2.3.2 ANSYS Workbench 13.0 介紹ANSYS Workbench 13.0 是 ANSYS 公司在 2010 年推出一款 ANSYS 軟件， 它繼承了 Workbench第一代的各種特征優(yōu)勢，同時具備了全新的項目視圖 (Project Schematic View)功能，使得整個仿真流程更加的緊密連貫，在屆面上 通過簡單手工拖曳操作就可以完成比較復(fù)雜的多物理場的分析流程[34]。 Workbench 13.0還提供了全面的參數(shù)管理機制、項目數(shù)據(jù)自動更新機制、CAD 雙向數(shù)據(jù)參數(shù)互動鏈接、無縫集成的優(yōu)化設(shè)計工具等，使得ANSYS在仿真驅(qū)動 產(chǎn)品設(shè)計（SDPD-Simulation Driven Product Development)方面達到 了新的高度。1、 項目視圖系統(tǒng)。ANSYSWorkbenchl3.0的架構(gòu)采用了全新的設(shè)計模式， 新的項目視圖系統(tǒng)讓客戶更加方便的使用WORKBENCH的仿真環(huán)境。項目視圖 系統(tǒng)是一個類似于流程圖的表格，客戶可根據(jù)各自的需求利用工具箱（Toolbox) 直接從仿真項目（Projects)中的已經(jīng)圖形化的任務(wù)拖曳到視圖窗口中進行操作, 工具箱中的分析系統(tǒng)涵蓋了各種分析類型（如隨機振動分析、結(jié)構(gòu)模態(tài)分析、 顯示動力分析等），每種分析類型都有完整的分析流程（如定義材料、幾何建模、 網(wǎng)格劃分、求解處理過程等），也可自行從Component Systems里選取各個獨立 的程序系統(tǒng)，按照自己的意圖進行組合分析流程。當分析流程制定完畢后， Workbench平臺能夠自動管理每一個步驟的變化情況，自動運行各步驟所需要的 應(yīng)用程序，這樣極大的減少了更改設(shè)計所需的時間，提高了工作效率。2、 仿真參數(shù)管理系統(tǒng)。分析項目視圖系統(tǒng)可知，ANSYS Workbench的仿真 流程具有很強的可定制性，如因人而異的分析流程組合，多物理場快速的耦合 分析等。這些都是因為其具有參數(shù)變量的應(yīng)用程序，這包括CAD幾何尺寸參數(shù)、 邊界條件參數(shù)、材料特性參數(shù)、計算結(jié)果參數(shù)等。在仿真流程中各環(huán)節(jié)定義的 參數(shù)都在項目視圖窗口中進行統(tǒng)一管理，這樣可以通過參數(shù)匹配形成一系列設(shè) 計點，然后一次性地進行多個設(shè)計的的分析計算。同時，還可以利用 (DX-DesignXplorer)模塊，拓展Workbench參數(shù)化分析優(yōu)勢。而且DX還具備六 西格瑪分析（SixSigmaAnalysis)、******/最小搜索（Max/minSearch)、目標驅(qū)動 優(yōu)化設(shè)計（Goal Driven Optimization)以及實驗設(shè)計（DOX)等功能，這些功能在 WORKBENCH的所有應(yīng)用程序、物理場和求解器中都可以使用，甚至在ANSYS 的參數(shù)化設(shè)計語言（APDL)中也可以使用。3、WORKBENCH 的應(yīng)用模塊。ANSYS Workbench 提供了與 ANSYS 系列求解器相交互的強大方法。ANSYS Workbench由多種工程應(yīng)用模塊組成[35]。今Mechanical:用于結(jié)構(gòu)分析、熱分析和網(wǎng)格劃分。今Mechanical APDL:采用傳統(tǒng)的ANSYS用戶界面對高級機械和多物理場進行分析。今Fluid Flow (FLUENT):采用FLUENT進行流體力學(xué)分析。今Fluid Flow (CFX):采用CFX進行流體力學(xué)分析。今Geometry ( DesignModeler ):用于創(chuàng)建和修改CAD幾何模型，為 Mechanical分析提供所用的實體模型。今Engineering Data:用于定義材料屬性。今Meshing Application:用于創(chuàng)建CFD和顯式動態(tài)網(wǎng)格。今Design Exploration:用于優(yōu)化設(shè)計。今 Finite Element Modeler:轉(zhuǎn)換 NASTRAN 和 ABAQUS 中的網(wǎng)格。今Bladde Gen:用于創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)機械鐘的葉片幾何模型。今ExplicitDynamics:用于顯式動力學(xué)分析，創(chuàng)建具有非線性動力學(xué)特性的模型。本課題在項目視圖系統(tǒng)中建立了有限元模型分析流程圖；通過工具箱對模 型進行材料屬性模塊、網(wǎng)格劃分模塊的選擇；在Workbench的應(yīng)用模塊中選擇 Mechanical進行結(jié)構(gòu)分析和網(wǎng)格劃分，選擇Geometry(DM)進行模型的導(dǎo)入，選 擇Engineering Data對研究對象進行材料屬性定義，選擇Design Exploration模塊對有限元模型進行優(yōu)化設(shè)計。2.3.3 ANSYS有限元功能介紹有限元模型包括節(jié)點、實常數(shù)、單元、邊界條件、材料屬性等，還有一些 用來表現(xiàn)這個物理系統(tǒng)的特征。建立有限元模型有步驟有以下幾步[31]:1. 首先要確定分析方案，初步確定選取那種哪種單元類型。2. 進入前處理模塊，進行幾何形狀的基本繪制。3. 對單元類型和實常數(shù)等一些相關(guān)的條件進行設(shè)置。4. 進行網(wǎng)格劃分，在此之前先對網(wǎng)格密度進行控制。5. 將所建立的模型進行保存。6. 退出前處理模塊，準備進入求解模塊進行求解計算。對所建立的有限元模型進行合理的簡化會對求解結(jié)果的準確與否產(chǎn)生很大 的影響，所以，所建立的模型必需和實際的回轉(zhuǎn)工作臺系統(tǒng)保持一致，要能夠 反映實際回轉(zhuǎn)工作臺系統(tǒng)整體的結(jié)構(gòu)，所以其中對模型結(jié)構(gòu)的簡化還有邊界條 件的設(shè)置要與工作臺實際情況相一致[31]。ANSYS軟件主要包括三個部分：前處理模塊，求解模塊和后處理模塊。前處理模塊的主要功能是進行實體模型的建立和網(wǎng)格劃分，在其中可以方 便有效地建立出有限元模型；求解模塊就是對所建立的有限元模型進行求解計 算，對實際問題進行分析，它可以進行多方面的分析求解，方法簡便，求解效 率高，適用非常廣泛；后處理模塊可以把計算結(jié)果用不同的方式顯示出來，其 中包括彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、透明和半透明顯示等各種圖形 方式顯示出來，也可以把計算結(jié)果用圖表或曲線的形式顯示出來。ANSYS軟件 中提供了 100多種以上的單元類型，分別可以用來模擬實際工程中不同的一些 問題[32]。1. 前處理模塊PREP7ANSYS前處理模塊主要包括：定義參數(shù)、建立模型以及劃分網(wǎng)格。2. 求解模塊SOLUTION求解模塊是用對所建立的有限元模型進行力學(xué)分析和計算。其中可以進行 分析類型的定義，有穩(wěn)態(tài)分析和瞬態(tài)分析等類型，也可以進行載荷的施加，包 括位移，力和力矩等，還可以用來指定載荷步，包括子步數(shù)和載荷步的控制選 項[33]。3. 后處理模塊POST1和POST26通過求解計算之后，就可以通過通用后處理模塊POST1和時間歷程后處理 模塊POST26對分析結(jié)果進行查看。ANSYS13.0將許多新增功能和工具整合進去，它縮短了整體的求解時間， 在很多方面也進行了改進，包括單元、接觸、求解性能和材料等方面做出了很 大改善，從幾何建模到求解計算的時間縮短了很多，而且求解的精度也有了提 高。它將仿真和設(shè)計不斷地進行整合，增強了創(chuàng)建幾何結(jié)構(gòu)的功能，對網(wǎng)格劃 分的質(zhì)量和平滑度等功能進行了提高。由于實際的機械結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，因此，在結(jié)構(gòu)分析中，首先必須選擇合適 的單元。在機械結(jié)構(gòu)分析中，常用的單元有以下幾種：1. 常用二維實體單元二維實體單元，可以用于將三維復(fù)雜問題轉(zhuǎn)化為二維簡單的問題進行分析 的情況[36]。包括的單元主要有：Plane25, Plane75, Shell61，Plane78, Plane83, Fluid81。2. 三維實體單元常用的三維實體單元有 Solid45, Solid92, Solid95, Solidl85，Solidl86, Solidl87。其中，對于非線性問題的分析主要采用的單元有：Solidl85，Solidl86, Solidl87。因為這幾個單元有更多的材料模式，方便問題的分析，它們采用了最 新的單元技術(shù)。對自由網(wǎng)格的應(yīng)用最好采用有中間節(jié)點的單元，否則單元的退化形式精度 將會大受影響。3. 殼單元一般彈性薄殼采用Shell63單元，對非線性或復(fù)合材料殼采用Shelll81單元。4. 梁單元梁單元一般采用Beaml88單元和Beaml89單元。因為這兩個單元可以定義 梁截面，還可以自定義梁截面，截面可以有多種材料，還可以施加和輸出三維 模式、初應(yīng)力和結(jié)果顯示[37]。