【正文】 統(tǒng)一就不會(huì)出現(xiàn)問題。比如長(zhǎng)度為 mm，時(shí)間為 sec 時(shí)，那么輸入重力加速度 g 就只能是9800 了，而如果輸入 ，其分析的結(jié)果可想而知了。再比如在 Pro/E 里面采用的長(zhǎng)度單位是米，那么彈性模量的單位就是 Pa ，如果在 ANSYS 中再把彈性模量的單位當(dāng)做 MPa ，結(jié)果肯定偏離的厲害，其它物理量也是類似情況。 單位制問題解決的辦法所以為了保證我們分析得到的是正確的結(jié)果，有下面 2 中方法：(1) 建模時(shí)只確定幾個(gè)物理量的單位，在 ANSYS 中輸入?yún)?shù)的時(shí)候，將所有物理量的單位都依照確定量的單位做相應(yīng)轉(zhuǎn)化。這里簡(jiǎn)稱這種方法為統(tǒng)一法。(2) 建模時(shí)就使用國(guó)際單位，在 ANSYS 中輸入?yún)?shù)的時(shí)候，所有物理量的單位都按照國(guó)際單位。這里簡(jiǎn)稱這種方法為標(biāo)準(zhǔn)法。顯而易見，標(biāo)準(zhǔn)法簡(jiǎn)單、工作量小、易于讀懂結(jié)果數(shù)據(jù)而且不易出錯(cuò)。所以本課題在將車架實(shí)體模型導(dǎo)入 ANSYS 分析前，先把裝配體中的單位轉(zhuǎn)化為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)單位。具體步驟如下：在 Pro/E 中選擇“編輯—設(shè)置—單位” ，然后新建單位制，全部采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)單位制，即長(zhǎng)度：m ；質(zhì)量：kg ；時(shí)間：sec ；溫度：k ；如圖 所示。圖 在 Pro/E 中新建單位制 圖 Pro/E 中改變模型單位對(duì)話框接著選中剛才建立的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)單位制 mnsk，點(diǎn)擊“設(shè)置” ，彈出如圖 的對(duì)話框。 為了確認(rèn)單位轉(zhuǎn)換是否成功，我們分別測(cè)量了轉(zhuǎn)換前后車架的寬度，分別如圖 和圖 ?？梢?，車架的寬度已從轉(zhuǎn)換前的 870 變成了當(dāng)前的 ，即裝配體中的 mmns 單位制已成功轉(zhuǎn)化為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)單位制。圖 單位轉(zhuǎn)換前車架的寬度 圖 單位轉(zhuǎn)換后車架的寬度圖 切換到國(guó)際單位制后 ANSYS 的單位 圖 數(shù)據(jù)導(dǎo)入 ANSYS 時(shí)的確認(rèn)框再啟動(dòng) ANSYS Geom ，導(dǎo)入模型后，首先運(yùn)行 “/units,si”，把系統(tǒng)單位制切換到國(guó)際單位制。運(yùn)行“/status,units”查看單位，如圖 所示：至此，將在 Pro/E 中所裝配的車架導(dǎo)入 ANSYS 分析時(shí)，出現(xiàn)的由于單位制導(dǎo)致的分析結(jié)果異常問題已經(jīng)解決。 模型的導(dǎo)入裝配好的車架經(jīng)過檢查沒問題后，首先進(jìn)行單位轉(zhuǎn)換，然后在 Pro/E 的菜單中依次選擇 ANSYS Geom,啟動(dòng) ANSYS，在出現(xiàn)的如圖 的消息框點(diǎn)擊OK，然后在 ANSYS 的菜單里依次選取 PlotVolumes,這時(shí)車架即顯示在了 ANSYS的圖像顯示窗口里。 有限元模型的建立 導(dǎo)入模型后，先將 ANSYS 的工作環(huán)境設(shè)置在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)單位制下。由于這一步?jīng)]有 GUI 操作，所以只能在命令框里輸入“/status,units” 。根據(jù)車架實(shí)際受力情況和各單元的特性，我們選擇 SOLID92 單元作為車架裝配體所有零件分網(wǎng)時(shí)的單元賦予類型，圖 為選擇的單元類型。圖 選擇的 SOLID92 單元定義材料屬性，車架的材料為 16Mn ，其彈性模型為 1011Pa，泊松比為，密度為 103 Kg/m3，定義材料模型的對(duì)話框分別為圖 和 圖 定義材料彈性模量和泊松比 圖 定義材料密度使用 Overlap 命令將車架各零件連接成一個(gè)相互聯(lián)系的整體。圖 為體Overlap 對(duì)話框，單擊 Pick all 即可。這時(shí)發(fā)現(xiàn)各個(gè)零件的編號(hào)比較亂，可以使用壓縮編號(hào)命令選擇將所有元素編號(hào)壓縮一下，圖 為壓縮編號(hào)后的車架模型圖 體 Overlap 拾取對(duì)話框 圖 壓縮編號(hào)后的車架模型劃分網(wǎng)格。圖 為分網(wǎng)前的單元賦予工作，當(dāng)定義有不同單元或是不同實(shí)常數(shù)時(shí)必須操作這一步，這里可以省略。圖 為定義的單元尺寸大小，圖 為分網(wǎng)后，車架被離散成一個(gè)個(gè)連續(xù)的單元。這里之所以要定義單元尺寸，是因?yàn)檐嚰苣Ｐ捅容^復(fù)雜，使用其它分網(wǎng)方法比較困難，使用自由劃分時(shí)，如果再設(shè)置一下單元尺寸，將會(huì)很好地控制單元的數(shù)量。圖 單元屬性分配對(duì)話框圖 定義單元尺寸對(duì)話框圖 分網(wǎng)后的車架單元局部圖至此，實(shí)體車架模型已被離散成有數(shù)學(xué)意義的小單元，即有限元車架模型。 Booleans 運(yùn)算對(duì)于 Pro/E 中裝配的實(shí)體模型，往往會(huì)認(rèn)為裝配體中的各個(gè)零件已經(jīng)全部約束，所以將裝配體模型導(dǎo)入 ANSYS 后，很多人不進(jìn)行 Booleans 運(yùn)算就劃分網(wǎng)格、求解等操作，這樣就會(huì)出現(xiàn)非常失真的結(jié)果，有些零件受力后根本就沒有發(fā)生變化，甚至由于求出的結(jié)果跟實(shí)際值差不太多而沒有發(fā)現(xiàn)自己的失誤等等情況。下面結(jié)合車架的一部分組件來(lái)分別說明這些情況，圖 為車架左縱梁部分，該部分由彈簧板支架和縱梁組成，縱梁部分有兩層，分別為內(nèi)縱梁和外縱梁，如圖 所示，這些零件都是在 Pro/E 中裝配而成。定義過屬性和劃分網(wǎng)格后，由于施加約束的位置不同將出現(xiàn)上面提到的兩種問題，所以這里分兩種情況分別討論。(1) 在彈簧板支架附近的外縱梁上施加約束，約束這四處的所有自由度。(2) 在彈簧板支架上施加約束，約束這四處的所有自由度。 未進(jìn)行 Booleans 運(yùn)算的分析結(jié)果 在彈簧板支架附近的外縱梁上施加約束，約束這四處的所有自由度施加約束并在外縱梁上翼緣的中部施加一集中力載荷后的有限元模型如圖 所示。為了比較清楚的查看并對(duì)比各個(gè)零件的變形情況，現(xiàn)分別將內(nèi)外縱梁、彈簧板支架的變形及節(jié)點(diǎn)應(yīng)力等值線圖分別列于圖 ~ 。圖 車架左縱梁及附屬件模型圖 車架左縱梁的組成圖 定義過載荷和約束的車架左縱梁圖 外縱梁受載后的變形圖 內(nèi)縱梁受載后的變形由圖 可看出，內(nèi)縱梁和彈簧板固定端并沒有變形，圖 從微觀上說明內(nèi)縱梁沒有受到載荷的作用，同理，可以肯定彈簧板固定端也沒有受到載荷。這就是在 Pro/E 環(huán)境下裝配的實(shí)體模型導(dǎo)入 ANSYS 分析時(shí)，如果不進(jìn)行 Booleans 運(yùn)算所產(chǎn)生的問題。從上面的問題可以得到結(jié)論：在 Pro/E 環(huán)境下裝配的實(shí)體模型，雖然對(duì)各個(gè)零件進(jìn)行了完全約束，但是導(dǎo)入 ANSYS 后， ANSYS 并不認(rèn)為這些零件之間有什么關(guān)系，所以在分網(wǎng)之前必須對(duì)裝配體進(jìn)行 Add 、Glue 、Overlap 之類的Booleans 運(yùn)算，才能使各個(gè)零件相互之間傳遞約束和載荷。圖 外縱梁節(jié)點(diǎn)應(yīng)力等值線圖 內(nèi)縱梁節(jié)點(diǎn)應(yīng)力等值線圖圖 內(nèi)外縱梁節(jié)點(diǎn)應(yīng)力等值線圖 彈簧板固定端受載后的變形圖 在彈簧板支架上施加約束，約束這四處的所有自由度刪掉之前的約束，然后在彈簧板支架上施加約束，同樣在外縱梁上翼緣的中部施加一集中力載荷，求解后查看結(jié)果，發(fā)現(xiàn)內(nèi)縱梁和彈簧板固定端沒有什么變化，而外縱梁卻找不到了，如圖 。我們知道約束是在這四個(gè)彈簧板固定端的，而載荷施加在外縱梁上，由 的結(jié)論很容易得知彈簧板固定端只受到了約束，外縱梁僅受到了載荷，而內(nèi)縱梁既不受約束也沒有受到載荷，所以就會(huì)發(fā)生圖 的現(xiàn)象。圖 在彈簧板支架上約束求解后的車架左側(cè)變形圖 Booleans 運(yùn)算命令的選擇在對(duì)裝配模型進(jìn)行 Booleans 運(yùn)算時(shí)，是使用 Add 、Glue 還是 Overlap 呢？下面對(duì)這些命令做一下簡(jiǎn)介。Add 是加運(yùn)算，相加的結(jié)果是多個(gè)相同維數(shù)的幾何元素被合并成一個(gè)新的幾何元素，但是如果是接觸分析或者各個(gè)零部件要定義的材料屬性不同等情況時(shí)，這個(gè)命令是不能使用的。Glue 是粘接運(yùn)算，相同維數(shù)的幾何元素在邊界上存在位置重疊，即各圖元之間有公共部分，粘接運(yùn)算結(jié)果為重合邊界部分產(chǎn)生它們之間公共的新幾何元素連接參與運(yùn)算的幾何元素，但參加運(yùn)算的幾何元素之間仍然相對(duì)獨(dú)立，粘接操作沒有新的圖元產(chǎn)生，就通過合并關(guān)鍵點(diǎn)獲得粘接效果，只有公共區(qū)域的維數(shù)低于粘接圖元的維數(shù)，粘接操作才有效。Overlap 為交迭運(yùn)算，交迭的結(jié)果是生成多個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的子區(qū)域(為參與運(yùn)算幾何之間的彼此求交結(jié)果)，但是要求搭接部分與原圖元的級(jí)數(shù)必須相同，交迭運(yùn)算除了在交迭域周圍生成多個(gè)邊界外，與加運(yùn)算非常類似 [2]。通俗的說，Add 就是把裝配體中的各個(gè)零件熔化，再重塑一個(gè) “零件型”模型，Glue 就是在相鄰零件的連接處涂上膠水并使各個(gè)部分粘上，Overlap 是零件間的相交處新生成一個(gè)個(gè)體，原來(lái)的各少一塊。對(duì)于導(dǎo)入的裝配體模型，如果使用Add 命令，則所有零部件將會(huì)變成為一個(gè)大的零件，否則就使用 Glue 和 Overlap，到底是使用 Glue 還是 Overlap 命令，最簡(jiǎn)單的辦法就是去試，因?yàn)橥瑫r(shí)有且只有一個(gè)命令可以成功。 干涉問題對(duì)于在 Pro/E 中裝配的實(shí)體模型，大家往往過于自信而不注意檢查各零件間是否發(fā)生了干涉，這樣的裝配體導(dǎo)入到 ANSYS 作分析時(shí)就會(huì)發(fā)生很多問題，對(duì)于這些問題的出現(xiàn)卻不知如何解決，甚至有人懷疑是這兩種軟件的接口有問題，還有的人認(rèn)為這只是一個(gè)無(wú)關(guān)緊要的警告等。其實(shí)不然，如果這樣的干涉發(fā)生在施加邊界的地方，就會(huì)影響到計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，下面還是結(jié)合圖片來(lái)說明。圖 為在Pro/E 中裝配的車架實(shí)體模型。圖 Pro/E 中裝配的車架實(shí)體模型 裝配體中有零件干涉將會(huì)出現(xiàn)的問題接著將其導(dǎo)入到 ANSYS，再將其劃分網(wǎng)格時(shí)則會(huì)彈出錯(cuò)誤警告，圖 是在其*.err 文件中錯(cuò)誤記錄。圖 ANSYS 中對(duì)實(shí)體模型劃分網(wǎng)格時(shí)出現(xiàn)的錯(cuò)誤這個(gè)錯(cuò)誤記錄的意思是沒有與這些面相關(guān)聯(lián)的節(jié)點(diǎn)，所以加在這些面上的約束會(huì)被忽略。到底發(fā)生了什么呢？下面我們分別列出使用 Boolean 運(yùn)算（這里使用Overlap）前后的發(fā)動(dòng)機(jī)后懸置梁（第三根縱梁）和左內(nèi)外縱梁的模型，如圖~ 所示。圖 Boolean 運(yùn)算前發(fā)動(dòng)機(jī)后懸置梁 圖 Boolean 運(yùn)算后發(fā)動(dòng)機(jī)后懸置梁圖 Boolean 運(yùn)算前車架左外縱梁 圖 Boolean 運(yùn)算后車架左外縱梁局部圖 運(yùn)算前車架左內(nèi)縱梁 圖 Boolean 運(yùn)算后車架左內(nèi)縱梁局部圖 運(yùn)算后發(fā)動(dòng)機(jī)后懸置梁與外縱梁的連接端由此可見，Boolean 運(yùn)算后發(fā)動(dòng)機(jī)后懸置梁被分成三部分，這三部分恰好是Boolean 運(yùn)算前的發(fā)動(dòng)機(jī)后懸置梁，而車架左內(nèi)外縱梁與發(fā)動(dòng)機(jī)后懸置梁的連接處均被刪除了一部分，將這一部分放大，如圖 所示。圖 發(fā)動(dòng)機(jī)后懸置梁與外縱梁連接端的局部放大圖明顯可見這一部分發(fā)生了干涉，基本可以確定出現(xiàn)圖 的原因是零件間的干涉?，F(xiàn)在我們進(jìn)入 Pro/E 環(huán)境下檢查全局干涉的情況，如圖 所示。 Pro/E 中全局干涉結(jié)果列表 Pro/E 中全局干涉檢查后窗口顯示結(jié)果 裝配體中零件間發(fā)生干涉后的解決方法現(xiàn)在可以確定發(fā)動(dòng)機(jī)后懸置梁與內(nèi)外縱梁連接處發(fā)生了干涉，進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)后懸置梁的草繪模式，可發(fā)現(xiàn)是連接處下方的倒圓角所致，將其去掉即可。圖 和 是這根梁的掃描軌跡更改前后的情況。圖 發(fā)動(dòng)機(jī)后懸置梁的掃描軌跡修改前圖 發(fā)動(dòng)機(jī)后懸置梁的掃描軌跡修改后為了排除是否還有其它零件間的干涉，再次進(jìn)行全局干涉檢查，結(jié)果如圖 所示，表明裝配體已經(jīng)沒有干涉情況。圖 Pro/E 再次進(jìn)行全局干涉檢查的結(jié)果再次將修改后的裝配體導(dǎo)入到 ANSYS 中進(jìn)行分網(wǎng)時(shí)，不再出現(xiàn)錯(cuò)誤警告，說明出現(xiàn)圖 的錯(cuò)誤警示確系零件間干涉所致。設(shè)想一下，如果這根發(fā)動(dòng)機(jī)后懸置梁被分成了三個(gè)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)，那么這根梁與外縱梁的連接處將不會(huì)受到作用在這根梁上的力，如果這樣的話，分析得到的結(jié)果將是不準(zhǔn)確的。所以在將裝配體導(dǎo)入到 ANSYS 之前必須進(jìn)行干涉檢查。 由于鏡像命令而引起的模型損失問題 模型損失問題的描述在車架的建模過程中，由于左右內(nèi)外縱梁完全一樣，所以我們有理由為了節(jié)約時(shí)間和精力而使用鏡像命令，例如對(duì)于外縱梁的建模，我們只建立了右外縱梁，然后使用鏡像命令建立左外縱梁，如圖 所示：圖 但是這樣裝配好的車架導(dǎo)入 ANSYS 時(shí)軟件會(huì)彈出如圖 所示的對(duì)話框：圖 車架導(dǎo)入 ANSYS 時(shí)彈出的對(duì)話框Multiple volumes found in part waizongliang. No Ansys volumes defined. 意思是在外縱梁上發(fā)現(xiàn)了多個(gè)體，ANSYS 沒有對(duì)這些體進(jìn)行定義。選擇 Plot——Volumes，發(fā)現(xiàn) ANSYS 的圖形顯示窗口里沒有這兩根縱梁，再選擇 Plot——Areas后，發(fā)現(xiàn)這兩根縱梁又回到了圖形窗口了，如圖 和圖 ：圖 ANSYS 只顯示體時(shí)的車架 圖 ANSYS 只顯示面時(shí)的車架這正說明左右縱梁導(dǎo)入 ANSYS 時(shí)只導(dǎo)入了面。如果用這種導(dǎo)入的不完整車架去分析，由 ANSYS 的分析原理可知會(huì)出現(xiàn)以下后果：(1) 這些使用鏡像命令建立的零件不能使用三維實(shí)體或殼單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。因?yàn)檫@些零件導(dǎo)入 ANSYS 中只剩下了面，自然不能劃分成三維實(shí)體單元了。(2) 分析結(jié)果嚴(yán)重失常。比如模態(tài)分析中，在材料類型庫(kù)中是要輸入材料密度的，即在模態(tài)分析中，主要考慮的因素有密度，如果這些零件只有面，那么分析得出的各階振型自然不對(duì)。而模態(tài)分析又是其他動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)，所以后續(xù)的分析也是不對(duì)的。 模型損失問題的解決辦法解決的辦法有：(1) 在 ANSYS 中修復(fù)這些損失的體。修復(fù)的方法有很多，但目的都是把面轉(zhuǎn)化為體。(2) 在 Pro/E 中不使用鏡像命令建立零部件。 本章小結(jié)本章講述了發(fā)行時(shí)間較晚的 Pro/E 版本和 ANSYS 的連接，闡述了由于單位不統(tǒng)一而造成的分析結(jié)果失真并提出了解決這個(gè)問題的兩種方法。由于裝配體的特殊性，這里分析了由于 Boolean 運(yùn)算、模型干涉和鏡像命令的使用而引起的問題，將這些問題都解決后，通過 ANSYS 的前處理模塊將實(shí)體模型轉(zhuǎn)變成有限元模型。5 車架靜力分析