工作臺系統靜態分析的軟件介紹|加工中心
2.3工作臺系統靜態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是三維軟件設計公司SOLIDWORKS推出的一款集產品三維設計、數據管理、分析、多用戶協作以及模具設計等功能為一體的機械設計軟 件，其能最大限度的挖掘設計師的創造潛力，而且相較于其它同類三維設計軟 件，S〇lidW〇rkS2012在進行產品設計時，用戶可以根據自己的設計思路繪制草圖， 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 用更快、制作用時更短的特點，深受廣大用戶的喜愛。本課題根據設計要求，利用SOLIDWORKS軟件草圖功能，按照回轉工作 臺的設計參數，對回轉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雜的多物理場的分析流程[34]。 Workbench 13.0還提供了全面的參數管理機制、項目數據自動更新機制、CAD 雙向數據參數互動鏈接、無縫集成的優化設計工具等，使得ANSYS在仿真驅動 產品設計（SDPD-Simulation Driven Product Development)方面達到 了新的高度。1、 項目視圖系統。ANSYSWorkbenchl3.0的架構采用了全新的設計模式， 新的項目視圖系統讓客戶更加方便的使用WORKBENCH的仿真環境。項目視圖 系統是一個類似于流程圖的表格，客戶可根據各自的需求利用工具箱（Toolbox) 直接從仿真項目（Projects)中的已經圖形化的任務拖曳到視圖窗口中進行操作, 工具箱中的分析系統涵蓋了各種分析類型（如隨機振動分析、結構模態分析、 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，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 應用程序，這樣極大的減少了更改設計所需的時間，提高了工作效率。2、 仿真參數管理系統。分析項目視圖系統可知，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變量的應用程序，這包括CAD幾何尺寸參數、 邊界條件參數、材料特性參數、計算結果參數等。在仿真流程中各環節定義的 參數都在項目視圖窗口中進行統一管理，這樣可以通過參數匹配形成一系列設 計點，然后一次性地進行多個設計的的分析計算。同時，還可以利用 (DX-DesignXplorer)模塊，拓展Workbench參數化分析優勢。而且DX還具備六 西格瑪分析（SixSigmaAnalysis)、最大/最小搜索（Max/minSearch)、目標驅動 優化設計（Goal Driven Optimization)以及實驗設計（DOX)等功能，這些功能在 WORKBENCH的所有應用程序、物理場和求解器中都可以使用，甚至在ANSYS 的參數化設計語言（APDL)中也可以使用。3、WORKBENCH 的應用模塊。ANSYS Workbench 提供了與 ANSYS 系列求解器相交互的強大方法。ANSYS Workbench由多種工程應用模塊組成[35]。今Mechanical:用于結構分析、熱分析和網格劃分。今Mechanical APDL:采用傳統的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進行流體力學分析。今Fluid Flow (CFX):采用CFX進行流體力學分析。今Geometry ( DesignModeler ):用于創建和修改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:用于創建CFD和顯式動態網格。今Design Exploration:用于優化設計。今 Finite Element Modeler:轉換 NASTRAN 和 ABAQUS 中的網格。今Bladde Gen:用于創建旋轉機械鐘的葉片幾何模型。今ExplicitDynamics:用于顯式動力學分析，創建具有非線性動力學特性的模型。本課題在項目視圖系統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、網格劃分模塊的選擇；在Workbench的應用模塊中選擇 Mechanical進行結構分析和網格劃分，選擇Geometry(DM)進行模型的導入，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化設計。2.3.3 ANSYS有限元功能介紹有限元模型包括節點、實常數、單元、邊界條件、材料屬性等，還有一些 用來表現這個物理系統的特征。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等一些相關的條件進行設置。4. 進行網格劃分，在此之前先對網格密度進行控制。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果的準確與否產生很大 的影響，所以，所建立的模型必需和實際的回轉工作臺系統保持一致，要能夠 反映實際回轉工作臺系統整體的結構，所以其中對模型結構的簡化還有邊界條 件的設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、建立模型以及劃分網格。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分析和計算。其中可以進行 分析類型的定義，有穩態分析和瞬態分析等類型，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。它將仿真和設計不斷地進行整合，增強了創建幾何結構的功能，對網格劃 分的質量和平滑度等功能進行了提高。由于實際的機械結構非常復雜，因此，在結構分析中，首先必須選擇合適 的單元。在機械結構分析中，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，可以用于將三維復雜問題轉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。對自由網格的應用最好采用有中間節點的單元，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、初應力和結果顯示[37]。