森 林 工 程
Vol 122No 122006年3月
FOREST EN GIN EERIN G
Mar.,2006
基于ANS YS 的发动机支架仿真分析
孔庆华,张 泓
(东北林业大学,哈尔滨 150040)
摘 要:为进一步改进发动机支架的结构设计,实现发动机支架的CAE 标准化生产,本文采用大型有限元分析软件ANSYS 对发动机支架的应力分布进行了计算和仿真分析,得出了该构件的应力和应变分布图,从而为发动机支架的强度分析研究提供了比较实用的有限元分析方法。
关键词:发动机支架;ANSYS ;仿真分析
中图分类号:TP39119 文献标识码:A 文章编号:1001-006X (2006)02-0009-03
Simulation Analysis of E ngine Support B ased on ANSYS ΠK ong Qinghua ,Zhang Hong (Northeast Forestry Univer 2sity ,Harbin 150040)
Abstract :In order to further improve the structural design and realize the CAE standardization of the engine sup 2port ,we adopt finite element software ANSYS to calculate and emulate the stress distribution ,and draw out the stress and strain distribution maps in the paper.It has offered the finite element analysis methods for the strength analysis of the en 2gine support.
K ey w ords :engine support ;ANSYS ;simulation analysis
收稿日期:2005-09-29
基金项目:黑龙江省自然科学基金项目(16000321)
第一作者简介:孔庆华(1948-),男,黑龙江省哈尔滨人,教授,硕士,研究方向:汽车流体传动与控制。
1 软件介绍
本计算采用的是ANSYS 910有限元分析软件包。该软件拥有丰富和完善的单元库、材料模型库
和求解器,保证它能够高效地求解各类工程问题,如:结构静力、动力、线性和非线性问题、电磁场问题、流体问题和热传导问题等。
软件主要包括3个部分:前处理模块、分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具,用户可以方便地构造有限元模型;分析计算模块包括结构分析(可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析)、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析;ANSYS 的后处理模块功能极强,结果图形显示可以使用户直观地判断计算结果和原始设计的合理性。ANSYS 典型的结果图有:整体结构等值图、矢量显示图、截面显示图、与时间或历程相关的结果随时间或历程变化的曲线、结果沿模型中一条曲线的分布(路径)等。2 理论依据
本文进行CAE 仿真分析主要采用ANSYS 软
件。利用该软件进行有限元分析的流程为:①建立
模型;②划分网格;③施加载荷和约束;④问题求解;⑤结果后处理。有限元法是适应于使用电子计算机而发展起来的一种新颖和有效的数值计算方法。这种算法的特点是由整体到分块,再从分块组集成整体。采用分块近似插值函数去逼近整体连续函数,可使连续体力学问题得到整体离散逼近、分块连续的近似数值解,得到较精确的计算结果。
应变计算公式为:{ε}=[B ]{δ}e
(1)式中:{ε}为单元内任一点应变列阵;[B ]为单
元应变矩阵;{δ}e
为单元的节点位移阵列。
应力计算公式为:
{σ}=[D ]([B ]{σ}e
-{ε0})
(2)
式中:{σ}为单元内任一点应力列阵;[D ]为材
料的弹性矩阵;{ε0}为单元的初应变列阵。3 CAE 仿真分析和计算过程
采用CAE 仿真方法对东安4G1发动机支架进行分析研究。产品的各项性能均符合企业标准MS81—2025、MS81—2021、ES —X55819。311 发动机支架三维模型的建立
当前CAD ΠCAE 软件开发的专业化分工程度越来越高,要求实现不同软件系统的集成,避免出现“自动化孤岛”。而不同软件组成集成系统的关键问题就是数据转换,目前在这两个软件之间的数据转换主要有2种方法:通过中间数据格式进行转换和通过专门接口软件进行直接转换。
(2)通过接口软件进行转换。许多CAD程序与ANSYS程序有直接的接口。该种接口软件是嵌入于应用程序的的软件包。同样,ANSYS也内嵌了对PROΠE的支持,这个就是ANSYS-PROΠE接口。它不仅将PROΠE模型数据直接转换给ANSYS,同时也提供了以执行部件为基础的参数优化设计的功能。该功能允许由部件为基础的参数化PROΠE模型开始,用ANSYS程序对其进行优化,并以一个优化的模型结束,而且仍是以部件为基础的参数化模型。对于直接数据转换可以得到更多好处,比如可以方便修改模型,可以分体划分网格,这些对于ANSYS 后处理都是很有帮助的。通过PROΠE软件建立发动机支架三维CAD实体模型,然后导入ANSYS910进行分析和计算。基本步骤:①进入ANSYS界面;
②选择ANSYS910Interactive>[输入文件名];③导入文件,类型为1iges;④选择系统缺损类型;⑤选择文件part11iges;⑥进行拓扑修补;⑦创建实体;
⑧添加实体类型。
312 发动机支架有限元模型的网格划分
有限元法的基本思想是把复杂的形体拆分为若干个形状简单的单元,利用单元节点变量对单元内部变量进行插值来实现对总体结构的分析,将连续体进行离散化即称网格划分。离散而成的有限元集合将替代原来的弹性连续体,所有的计算分析都将在这个模型上进行。因此,网格划分将关系到有限元分析的规模、速度和精度以及计算的成败。实验表明:随着网格数量的增加,计算精确度逐渐提高,计算时间增加不多;但当网格数量增加到一定程度后,再继续增加网格数量,计算精确度提高甚微,而计算时间却大大增加。在进行网格划分时,应注意网格划分的有效性和合理性。本模型首先采用整体智能网格划分,有限元模型的网格划分后如图1
所示;然后在容易发生应力集中和受力较大的区域进行人工控制网格划分对其进行细化,如图
2所示,以使有限元计算结果更符合实际情况。
用ANSYS软件对立式模板模型网格划分,发动机支架静态分析选定弹性模量为7315MPa,泊松比为013,密度为219×103kgΠm3。依据结构及力学特点,采用了S olid187单元进行分析、计算。因为结构及载荷的不对称性成分较大,所以采用整体进行计算。
图1 发动机支架的网络划分图
图2 发动机支架局部网格细化图
313 边界条件
约束条件一般指边界的支承条件或对称面上维持对称性自由度的约束要求。像载荷一样,约束条件也可以间接施加到几何上。
由于发动机支架是由四组螺栓固定到车体上的,以图1模型中间的螺栓孔中心为坐标原点,纵向为X轴、横向为Y轴、铅垂向下为Z轴正向,在加载过程中,在螺栓固定处施加约束,使其在各个方向的位移均为0。
01森 林 工 程 第22卷
314 施加载荷
在支架与发动机连接处(即两平行板的螺栓孔处)施加载荷,载荷大小为1517kN ,方向为在Y -Z 平面内,以Z 轴正向顺时针旋转25°。发动机支架静态受力分析基本步骤:①约束Define Loads ;②选择需约束的面,确定约束条件S o 2lution 〉Loads Apply 〉On Areas 〉Pick …〉O K …〉O K;③加载荷S olution 〉Apply 〉Pressure 。315 求解计算本文采用瞬态分析的完全法来对发动机支架进行有限元分析。由于该支架的变形过程中受力较大,变化的几何形状会引起结构的非线性响应,因此对此机构的分析属于非线性分析,由于ANSYS 程序的
方程求解器计算一系列联立的线性方程来预测工程系统的响应,然而非线性结构的行为不能直接用这样一系列的线性方程表示,需要一系列的带校正的线性近似来求解非线性问题。所以在该有限元分析的求解前,必须进行求解步控制,把求解过程分解成一系列的求解子步,在每一个子步内,程序将进行一系列的平衡迭代以获得收敛的解。316
计算结果分析
发动机支架的位移变形云图如图3所示。
图3 加载后的V on Mises 应变分布图
发动机支架的应力变形云图如图4所示。通过对发动机支架的结构强度按要求加载计算的结果,分析支架的强度水平。从中发现高应力区集中分布于两平行板与支架体的连接处,由图4彩色云图的颜色变化可以看出,其许用应力应在260MPa ,可见加载后最高Von Mises 应力小于许用
应力,由此可见支架设计方案基本符合要求。通过以上的计算和分析,可以基本掌握发动机支架的结
构强度,为进一步改进发动机支架结构提供了必要的理论依据。
图4 加载后的V on Mises 应力分布图
4 ANSYS 的优化方法及收敛准则
ANSYS 优化模块中有2种优化方法:第1种是
通用的函数逼近优化方法,其本质是采用最小二乘
法逼近,求取一个函数面来拟合解空间,然后再对该函数面求极值。这种优化方法不易陷入局部极值点,但优化精度一般不高,故多用于粗优化阶段。另外一种优化方法是针对第1种方法的缺陷而改进的方法,叫做梯度寻优。如果说第1种方法是大范围普遍适合的粗优化方法,那么第2种就是局部细化的精优化方法。ANSYS 进行优化计算,都是一个不断迭代的过程。从理论上讲,任何一种迭代算法都可产生无穷序列的设计方案。在实际优化中,不可能也不必要做无限次迭代,只要达到给定的精度就应该终止计算并认为找到了最优方案。但实际上,对于一个优化问题,其目标函数的理论极小值在哪里预先不可能知道,因此要找到一个理想的终止准则是很困难的,而只能从每一步迭代计算中所得到的信息来进行判断。
ANSYS 优化设计的基本步骤:
(1)生成分析文件。进入ANSYS 后处理模块,提取有限元分析结构结果并赋值给状态变量SV (约束条件)和目标函数OBJ (优化目标)。
(2)构建优化控制文件。①进入优化设计模块,
指定优化分析文件;②声明优化变量,选择优化工具或优化方法,还可以采用用户自己的外部优化程序;③指定优化循环控制方式;④进行优化参数评价,优化处理器根据本次循环提供的优化参数
(下转14页)
1
1第2期 孔庆华,等:基于ANSYS 的发动机支架仿真分析
4 结 论
草方格铺设机器人控制旨在研究一种性能可靠、抗干扰能力强、操作方便、人机界面良好的智能化控制系统。在分析国内外机械控制系统的基础上,针对草方格铺设机器人的实际应用以及恶劣的工作环境,设计出一套技术先进、性能可靠、符合实际工作要求的基于PLC控制系统。
该系统在草方格铺设机器人使用以来,系统稳定可靠,操作简便,设备维护量小。不仅克服了沙漠环境下恶劣气候的缺点,而且避免了老式控制故障的发生。从而保证了机器人正常运行,改善了工人劳动强度,使人在防沙、治沙中占有主动。
【参 考 文 献】
[1]弭洪涛.PLC应用技术[M].北京:中国电力出版社,2004.
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[责任编辑:杨学春]
(上接第11页)
(设计变量、状态变量及目标函数)与上次循环提供的优化参数作比较之后,确定该次循环目标函数是否收敛,或者说结构是否达到了最优。如果最优,完成迭代,退出优化循环;否则,进行下步。
(3)根据已完成的优化循环和当前优化变量的状态修正设计变量,重新投入循环。
(4)查看设计序列结果及后处理设计结果。5 结束语
通过对发动机支架的有限元分析,得到了该支架在加载过程中各个状态的最大应力、应变,以及得到了该支架在加载过程中各种状态的总体变形能,可以用于支架的受力分析以及指导该零件的设计。本文对发动机支架的有限元分析方法,对于其他有限元分析也具有重要的借鉴意义。经过比较计算结果和试验结果,发现计算结果与试验结果有一定偏差。但总体误差不大,仍在允许范围之内。这就证明ANSYS软件做出的有限元计算结果基本符合实际情况,完全适合于发动机支架的结构设计。而且在产品开发设计过程中,有助于新产品、新结构的检验,并能帮助设计人员及时发现产品设计中的缺陷,对产品做进一步的改进,提高产品的可靠性、经济性、合理性,从而增强企业对市场的应变能力和竞争能力。
【参 考 文 献】
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[责任编辑:刘美爽]
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