1、ANSYS 与 Pro/MECHANICA 在装配体结构分析中的比较 ANSYS 是融结构、热、流体、电磁及声学于一体的大型 CAE 通用有限元分析软件，该软件是当前结构分析中使用最为频繁的软件。Pro/ENGINEER Wildfire 是美国 PTC 公司推出的一整套CAD/CAM/CAE 集成解决方案，它主要包括 Pro/ENGINEER 和Pro/MECHANICA。Pro/ENGINEER 是当今世界上拥有用户最多的三维CAD 软件，而 Pro/MECHANICA 是强大的有限元软件，它可以实现和Pro/ENGINEER 的无缝集成，即完全实现几何建模和有限元分析的集成。其主要模块可
2、以分为 Pro/MECHANICA STRUCTURE(结构分析)、Pro/MECHANICA THERNAL(温度分析)和 Pro/MECHANICA MOTION（运动分析）。本文以两个装配体为例，分别使用 ANSYS 和 Pro/ENGINEER 的Pro/MECHANICA 模块对它们进行结构分析，并对分析结果进行比较。一、简单装配体的结构分析简单装配体是指组成装配体的零件形状比较简单，且零件个数较少。以常见的轴、键、转轮的装配体为例。转轮与键是过盈配合装配。在轴上施加约束，并在转轮上施加载荷，如图 1 所示。图 1 简单装配体及其约束和受力1.利用 ANSYS 软件进行分析对单一零件
3、，可以利用 ANSYS 自身的建模工具，建立实体模型或有限元模型，但 ANSYS 不能直接建立装配体模型，只能在其他三维造型软件中建好后导入。若利用 Pro/ENGINEER 建模，可以有两种方法导入：第一种是将装配体另存为后缀为 IGES 的文件，打开ANSYS，点击“File”“Import”“IGES”将数据文件导入。第二种是利用 Pro/ENGINEER 与 ANSYS 的接口，由 Pro/ENGINEER 直接进入 ANSYS 界面。本文是将 Pro/ENGINEER Wildfire 2.0 与 ANSYS 8.0 连接，将装配体导入 ANSYS 进行分析。具体步骤如下。(1)在
4、Pro/ENGINEER 建立三个零件的零件图，并利用 Mate（匹配）。Align（对齐）等指定零件间的装配关系，形成组件。(2)单击 Pro/ENGINEER 界面的“ANSYS 8.0”“ANSYS Geom”。在窗口下方出现提示“Begin transfer of Pro/E geometry to ANSYS”，并显示转换进程。转换结束后，进入 ANSYS 界面。(3)定义单元类型、实常数、材料属性、网格尺寸，划分网格。(4)添加 DOF 约束、设置集中载荷和重力载荷。这里值得注意的是：ANSYS 的重力载荷依靠 ACEL 命令来实现，该命令会对物体施加一加速度场（非重力场），因此若
5、要施加负 y 方向的重力，应指定一个正 y 方向的加速度；ANSYS 只显示施加的约束和外载荷，不显示重力。(5)单击“Solution”“Solve”“Current LS”进行求解。(6)显示结果，可以依次单击“General Postproc”“Plot Results”“Contour Plot”“Nodal Solu”来进行。然后选择“Stress”和“Von Mises SEQV”，以 Def + undeformed 形式显示等效应力值，如图 2 所示。图 2 ANSYS 得到的等效应力云图利用 ANSYS 的缩放工具将应力云图放大，发现在零件的装配接触面应力云图断裂，且零件分开
6、。实际上，它们已经装配为一体，装配接触面应力应是连续的。这说明 ANSYS 对装配体不能识别，认为装配后的零件是互不影响，互相独立的。(7)解决办法：在上面的步骤 2 完成后，首先用布尔运算的VADD 命令将三个体加到一起，成为一个体，然后可以用 NUMCMP 命令压缩实体编号，再进行后面的操作。图 3 所示是布尔运算后的装配体等效应力云图。图 3 布尔运算后 ANSYS 得到的等效应力云图由图可知，最大应力值为 1.02E+6。2.利用 Pro/MECHANICA 模块进行分析Pro/MECHANICA 有两种工作模式：集成模式和独立模式。前者在 Pro/ENGINEER 环境界面下工作，可
7、以直接利用 Pro/ENGINEER 模型进行网格划分工作。后者在 Pro/MECHANICA 界面下工作，有限元模型可以由 Pro/MECHANICA 直接创建，也可以从其他 CAD 系统中输入几何模型数据。本文采取集成模式。具体分析步骤如下。(1)安装好 Pro/ENGINEER 与 Pro/MECHANICA 后，进行一定的连接操作，完成两者的匹配，使 Pro/MECHANICA 以集成模式工作。(2)在 Pro/ENGINEER 下建立三个零件的零件图，指定零件间的装配关系，形成组件。(3)在 Pro/ENGINEER 主菜单上选择“Applications”“Mechanica”，单
8、击“Continue”，使系统进入“Pro/MECHANICA”环境，然后在 MECHANICA 菜单管理器中选择“Structure”，系统进入结构分析主界面。(4)定义材料属性(可以在材料库中直接选择“STEEL”)、约束和载荷。其中重力载荷就是习惯的方向，即若施加负 y 方向的重力，即指定负 y 方向的加速度。为避免应力集中，外载荷和约束不要加在单点上，应将它平均分配到整条边或整个面上。(5)单击“Analyses”“Mechanic Analyses/Studies”弹出“Analyses and Design Studies”对话框，建立新的分析任务，进行有限元计算。值得注意的是，我
9、们并没有人为地进行划分网格的操作，但若在“Analyses and Design Studies”对话框点击“Info”“Status”进行查看，可以发现有这样一段话:.Checking the model before creating elements.These checks take into account the fact that AutoGEM will automatically create elements这表示，虽然网格没有被显示，但 Pro/MECHANICA 软件内部已经自动划分了网格。除了自动划分网格外，也可以对网格进行人为控制，不过一般情况下自动划分的网格精度已
10、经能很好地满足要求。(6)点击“Analys”“Results”显示计算结果，仍然选取“Stress”“von Mises”，得到等效应力云图，如图 4 所示。图 4 Pro/MECHANICA 得到的等效应力云图最大值是 1.113E+6，与图 3 的结果 1.02E+6 很接近，相差8.356%。3.比较结果通过上面的比较，我们可以发现在进行简单装配体机构分析时，ANSYS 有以下不足：(1)没有单位提示，即若输入长度 100 它不识别是 100 还是 100 ，因此在输入数据时要特别小心，一定要采用封闭的整套单位，否则会带来结果错误；(2)载荷更改不方便；(3)重力加载与习惯方向不同；(
11、4)若要得到较好结果，需对网格尺寸进行人为控制；(5)装配体不识别，必须用布尔运算对装配体操作后，才可以计算。与此相比，Pro/MECHANIC 有单位提示，并且在在窗口直接显示约束和载荷名称，更改时只需选中名称，选择相应的 Edit definition 或其他操作即可，而且可以不用人为控制，就能得到较好的网格划分，另外在零件装配后，无需任何操作即可直接分析。二、复杂装配体的结构分析复杂装配体指装配体的零件形状复杂或零件个数较多。下面以 SGA3550 矿用汽车整车满载静止于水平路面时，驱动桥桥壳和 A 形架的装配体应力分析为例，比较 ANSYS 和Pro/MECHANICA 在分析复杂装配
12、体结构时的不同。1.利用 ANSYS 软件对复杂装配体进行分析用 Pro/ENGINEER 建好模型后，如果不做任何简化，向 ANSYS 导入时，系统会提示模型有 1000 多个面，这是因为 ANSYS 软件对造型软件的一些处理方法无法识别，模型又过于复杂致使导入失败。因此必须对模型进行简化，例如删除倒角及非承载部分等，这一过程需要大量反复的修改尝试，同时也是目前对桥壳分析时常采用的方法。在模型导入成功后，也会出现因 ANSYS 无法对模型的一些特征进行网格划分，网格划分失败的现象，使后续工作无法进行下去，因此，只能对模型再次简化（在多数情况下，模型的简化工作将占总工作量的 50以上）。显然，
13、这种反复修改工作量大，效率低。而且最后简化的模型与原模型相差比较大，计算结果精度不是很理想。2.利用 Pro/MECHANICA 模块对复杂装配体进行分析无需对模型做任何简化处理，也无需人为划分网格（自动划分的网格精度较高），只需要按照 2.2 的分析步骤，设置约束和载荷即可，载荷的大小可以由力学方程计算得到。最后得到的应力云图，如图 5 所示。图 5 驱动桥壳与 A 形架装配体等效应力云图如图 5 所示，最大应力值为 6.672E+7Pa。用同样的步骤，可以对驱动桥壳和 A 形架的装配体在其他典型受力工况下（例如最大牵引力、最大测向力等）的应力状态进行分析，从而找到危险点，对结构进行改进设计。3.比较结果可见对于复杂装配体，若利用 ANSYS 软件，需要进行大量的简化工作，且要得到理想的结果还需要人为控制网格划分。而利用Pro/ENGINEER 软件的 Pro/MECHANICA 模块，则无需对模型进行简化，而且能很方便地得到较好的结果。三、结论通过上面的应用比较，我们可以发现：1.ANSYS 无法直接建立装配体模型，需由其他造型软件导入，导入后要对装配体进行布尔运算，否则 ANSYS 将认为零件是未经装配的。2.对形状简单的装配体进行结构分析，ANSYS 与 Pro/MECHANICA都能得到较理想的结果。
