先进数字化制造中的工程分析及其应用.doc
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4、)摘要:综合若干工程应用范例,针对先进数字化制造的重要环节数值化仿真,在ANSYS/APDL平台上进行二次开发,建立了实用的工程分析技术,包括:需求分析,模型参数化,子结构技术,整体分析的自动化流程等。成功的实践表明, 针对现实的工程问题在国际先进的平台上进行二次开发具有可行性与有效性。1 前言我国正在成为一个“世界制造工厂”,引来八方客商。先进的数字化制造技术,正在成为人们的日常语言。但是,这并不意味着:我国也是先进制造专利技术的大国。我们制造了许多产品,但都是引进发达国家的图纸或生产线;我们甚至不惜花巨资引进全部专利技术,但没有来得及消化,产品已经换代或升级。在这期间,以有限元分析方法为基
5、础的计算力学经历了由简单到复杂、由线性到非线性分析的发展过程。结构分析要解决的实际工程问题,早已不是一个简单的零件或结构件,而是多个复杂结构件的组合结构,或整个产品的大型复杂问题。ANSYS作为国际上最为知名的通用有限元分析系统之一,在我国许多行业获得了成功的工程应用。近八年来,在北京航空航空制造工程研究所,我们基于 ANSYS平台进行的二次开发,先后解决了搬运行业汽车起重机的三大结构件及其整体分析1,矿用重型汽车(4X2)的整体车架结构分析2,车用天然气铝胆复合材料气瓶的整体分析3,以及6X6载重越野汽车的车载平台的静特性分析等。随着对ANSYS工程应用的深入,我们也摸索到如何基于 ANSY
6、S平台进行二次开发更为有效。我们的实践表明,采用像ANSYS这样的先进分析手段,能够使我们更快地消化已经引进专利的设计技术与制造方面的绝巧(Know-how)。2 结构模型参数化技术 2.1 参数化的需求分析产品的系列化、标准化,从数字化设计来说,最根本的事情是建立产品结构的参数化模型。不管是引进产品图纸,还是产品模仿设计,直至建立生产线,作为“世界制造工厂”的中国,已经变得十分快速。对于产品结构设计(CAD),做到几何模型参数化,已经成为设计师最容易实现的基本要求。但是,结构分析(CAE)是产品性能评定与优化的最重要环节,也是消化专利与制造“绝巧”的基本手段,要求参数化模型与FEA离散化数值
7、模型相结合,才有真正的实用意义。由于机械设计分析与数值化制造过程的复杂性,如何引进可对产品性能进行优化(包括系列化与标准化)的参数化模型,成为专业设计师与分析师最为关注的事情。作为结构件局部分析,必须引进局部的边界条件,以建立理想化的分析模型。但是,从总体分析来看,局部的边界条件往往使结构的实际传力状况发生扭曲,结构件之间的弹性连接变为了刚性连接,无法正确反映结构件之间的实际连接关系。利用结构件的这种局部分析结果评估结构整体承载作用力后的结果,往往导致较大的误差。因此,结构件分析不能替代整体分析,已成为设计人员的共识;在工程设计中,整体结构分析由于规模大、难度高,往往成为十分迫切与关键的瓶颈问
8、题。今天大容量、高速度计算机技术的发展使整体分析变为十分现实的问题,飞机的整体分析4,起重机及汽车的整体结构分析,都是这类结构分析的典型例子。因此,引进可对结构件与整机性能进行优化的参数化模型,不仅是必需而且也可能了。汽车起重机、矿用重型汽车、越野载重汽车,作为一类“大力神”产品,具有其特殊的作业环境,要求良好的力学性能,包括刚度、应力水平、变形、抗干扰性能等。对于工程设计人员来说,零件、结构件及整机的力学性能如何?会不会因强度不够造成破坏事故?引进可对结构件与整机性能进行优化的参数化模型,就能帮助他们回答所关心的问题。汽车起重机的主要承力结构件是吊臂、转台、车架。矿用重型汽车、越野载重汽车的
9、主要承力骨架是整体车架,它们又是许多结构件的组合,包括支撑架、前车架、中车架、尾架及若干子构件。结构件有限元分析往往只是产品设计的基础性分析。整体分析是工程师们面临的最直接、最重要的问题。汽车起重机整机分析的对象包括若干个受力结构件和机构( 回转、变幅、伸缩、起升等);最危险的工况是起重作业工况,力的传递路线是:重物吊臂变幅油缸支撑高架转台回转支撑底架支腿垂直油缸地面;矿用重型汽车、越野载重汽车的传力路线实际上包括了整车的各严重工况(静满载、转弯、爬坡、刹车)。因此,整体分析往往非常复杂。参数化模型使设计人员在设计过程中能较快地预测整体结构在不同工况(特别是严重工况:路况与作业)下结构应力水平
10、与变形,以便完善与优化总体设计,解决自己最急迫而又难以实现的事情。车用铝胆复合材料气瓶是今天最受欢迎的环保产品。它最为复杂的技术是铝胆与复合材料的合理设计及各种使用条件的数字化仿真。建立结构的参数化分析模型,车用铝胆复合材料气瓶的整体分析变得比较容易。作为基本设计参数,复合材料通过不同厚度与方向的、合理的环型缠绕与螺旋缠绕,使结构大为减重,使强度大为提高。目前这类产品在航空、航天、城市公交、医学救护方面具有广大的发展空间。2.2 FEA的参数化模型 对于结构的CAD模型(通常由点、线、面及实体组合而成)进行参数化特征设计,是现代CAD系统的基本功能。对于有限元结构分析来说,对复杂组合结构的有限
11、元模型要实现参数化设计,却并非易事。 ANSYS系统为用户提供了一种建立参数化模型的基本工具_APDL语言,它是一种面向工程的、结构化的解释性语言。它具有高级算法语言的基本特征与功能。它的表达方式是一系列基本的用户命令串。符合ANSYS_APDL语法规则的FEA参数模型程序,一般来说,它包括: 几何(点、线、面、实体 )定义与操作命令,有限元单元划分命令,逻辑控制命令,条件与循环命令,分析流程命令等。用户要对结构件的有限元模型进行参数化设计,必须熟练地掌握这种语言。对于所有复杂组合结构及整机的FEA模型,我们用APDL语言进行二次开发,建立了产品的FEA模型程序,这对产品的性能评定,实现其系列
12、化与标准化,具有重要作用。 这里,结构件参数的提取是参数化设计的基础,关键是选取能表述结构件几何特征的主要参数。一般地说,结构件的主要参数包括长、宽、高、关键点、连接条件、板厚、型材截面积、材料与物理特性、载荷工况等。我们将对这些参数规范化地命名,设置有关的参数名(或数组名)。例如,我们命名长度参数为a1,.an,宽度参数为 w1,.wm,高度参数为 h1,.hi,厚度参数为t1,.tj,对于每一个结构件,它都具有这样一组参数。定义结构件名为相应参数组名,并以/EOF作为结束符,这就构成了一个APDL能够调用的结构件的参数模块。集成所有结构件的参数模块,便构成了产品结构的FEA参数库文件。产品
13、结构往往是由几个主要承力结构件组成的。产品参数文件包含了它们相应的参数模块。这些参数模块的任何参数值的改变,都会引起有关结构件的有限元模型的改变,也就引起整个结构的改变。系列化的产品便是这些参数的系列变化。产品结构性能的优化设计便是这些参数的合理匹配及优化。产品结构件与整体结构的FEA模型程序,正是利用ANSYS/APDL语言,引用参数库中相应参数模块,进行二次开发得到的。我们以型号名来命名产品的FEA模型库,它不仅包括产品的参数库文件,也包括结构件模型程序、载荷文件、工况控制文件等。图1以六边形臂QY25D(25吨起重机)模型库为例, 表明了FEA模型库的逻辑树,主要包括: BQCDB.LI
14、B 产品方案设计参数文件 BQDDB.LIB 产品详细设计参数文件 CRANE.LIB 宏子程序文件 BQC100.A 吊臂方案设计模型程序 BQC200.A 双墙高架转台方案设计模型程序 BQC300.A 车架方案设计模型程序 BQC000.A 整体方案设计模型程序 BQC100.N 吊臂方案设计的稳定性分析模型程序 BOOM14.A 基本臂及二、三、四节臂详细设计模型程序 BOOM14.N 基本臂及二、三、四节臂稳定性分析模型程序 QY25D.A 基于底架详细设计模型的整体模型程序 BQC001BQC004 结构件模型产生器 QY25DBQC000.ABOOM3.ABOOM4.ABOOM2
15、.ABOOM1.ABQCDBBQDDBBQLOADBQC001,.QY25D.ABQC100.ABQC100.N BQC300.ABQC200.A 图1 QY25D型号模型程序库的逻辑树从产品模型库表明,参数的修改可直接得到修改的结构模型。这可对同一结构形式的产品进行方案的比较及参数优化,从而使系列化设计成为可能。3 结构的部件分析与整体分析3.1 结构的剖分与部件分析整体结构的基本特点是结构规模大、组合形式复杂。对于任何一个大型复杂结构,我们总可以划分为若干部分或结构件(简称为子结构),它们靠边界节点与整体结构相关联。如果我们将所有的子结构件的边界节点组成一个集合,那么这个集合便表征了这个大
16、型复杂结构的连接骨架,我们称之为边界结构。只要我们把各子结构件对有关边界节点的刚度效应(或影响)计算出来,并施加在这些边界节点上,则解决大型复杂结构的分析问题,便转变为求解规模小得多的若干子结构件及边界结构问题。 当然,如果边界结构与子结构件的规模也很大,还可以再剖分为若干二级或三级的子结构件。但是,这种多重子结构件的使用,将带来分析流程的复杂化。因此,如何有效地剖分整体结构便成了问题的关键所在。有关子结构件分析技术,在4中作了详细的推导,在此从略。计算机技术的飞越发展及ANSYS的强大功能,使人们逐步忘记了求解大规模线性方程组之难。但是,正确地简化与剖分结构,对于它们传力与结果分析,依然重要
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