李　茂，劉桓龍，于蘭英，柯　堅(jiān)

(西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川成都610031)

?

基于Hypermesh和Workbench的鉆機(jī)平臺(tái)模態(tài)分析

李茂，劉桓龍，于蘭英，柯堅(jiān)

(西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川成都610031)

利用Hypermesh中ABAQUS模板對復(fù)雜裝配體進(jìn)行網(wǎng)格自動(dòng)劃分，省略了ANSYS模板對格式轉(zhuǎn)換的過程，隨后導(dǎo)入到Workbench進(jìn)行計(jì)算分析，得到了復(fù)雜裝配體的靜力、模態(tài)分析結(jié)果。聯(lián)合仿真快捷高效，可以大幅減少產(chǎn)品開發(fā)的時(shí)間和費(fèi)用。該方法也可用到其它有限元分析過程中。

有限元HypermeshWorkbench鉆機(jī)平臺(tái)模態(tài)分析

0　引言

有限元法作為一種數(shù)值計(jì)算方法，在工程分析領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。自20世紀(jì)中葉以來，它以獨(dú)有的計(jì)算優(yōu)勢得到了快速地發(fā)展，已出現(xiàn)了不同的有限元算法，并由此產(chǎn)生了一批非常成熟的通用和專用有限元軟件[1]。其中以ANSYS、Workbench、ABAQUS等優(yōu)秀軟件為代表，在國內(nèi)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

一般來說，有限元分析80%的時(shí)間都用在有限元模型的建立和修改上。在現(xiàn)代機(jī)械研發(fā)中，有限元模型的網(wǎng)格越來越精細(xì)，規(guī)模越來越大，已從早期的單一零件分析發(fā)展到現(xiàn)在的大型裝配體分析，而激烈的市場競爭迫使研發(fā)周期越來越短，結(jié)果越來越精確。單一的有限元軟件絕不可能又快又好的完成這一任務(wù)，如何利用各個(gè)軟件的優(yōu)勢進(jìn)行聯(lián)合仿真，提高精度和效率成為當(dāng)務(wù)之急。本文以設(shè)計(jì)的鉆孔平臺(tái)為例，利用多個(gè)軟件聯(lián)合仿真，進(jìn)行模態(tài)分析。

1 SolidWorks、ANSYS、Workbench、Hypermesh聯(lián)合仿真基礎(chǔ)

ANSYS進(jìn)入中國市場較早，功能強(qiáng)大，應(yīng)用領(lǐng)域廣，是目前國內(nèi)應(yīng)用人數(shù)最多的有限元分析軟件，然而學(xué)習(xí)使用該軟件需要較多的精力和時(shí)間，其建模功能欠佳，建立復(fù)雜結(jié)構(gòu)或裝配體時(shí)十分繁瑣。

SolidWorks軟件功能強(qiáng)大，易學(xué)易用，使近年來成為使用較廣的三維建模軟件?，F(xiàn)在SolidWorks已可以進(jìn)行有限元結(jié)構(gòu)、流體仿真，然而其分析精度有待商榷，并且ANSYS等軟件進(jìn)入中國市場較早已成為大部分國人的習(xí)慣，所以絕大部分人只用SolidWorks進(jìn)行三維建模、出圖，很少用其進(jìn)行有限元分析。

Workbench是ANSYS開發(fā)的新一代系統(tǒng)仿真環(huán)境，具有復(fù)雜裝配體接觸關(guān)系自動(dòng)識(shí)別功能，界面友好，人機(jī)交互能力強(qiáng)，操作簡單，但網(wǎng)格劃分功能較差。

對于復(fù)雜的模型，ANSYS、Workbench、ABAQUS等有限元分析軟件雖然也具有網(wǎng)格劃分功能，但其對劃分網(wǎng)格的控制能力不強(qiáng)、速度較慢。在CAE分析中，網(wǎng)格劃分的好壞對最終的結(jié)果影響極大。質(zhì)量較差的網(wǎng)格會(huì)使結(jié)果產(chǎn)生較大的誤差甚至無法收斂以致不能得出結(jié)果。

Hypermesh具有強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分功能，可以對劃分的網(wǎng)格進(jìn)行控制和優(yōu)化，占用內(nèi)存少，運(yùn)行速度快，用戶界面易于使用。它不僅可以讀取step、igs、parasolid等中間轉(zhuǎn)換格式的文件，還可以直接讀取SolidWorks、Proe等建立的幾何模型，從而能避免數(shù)據(jù)丟失或幾何缺陷。另一方面，Hypermesh擴(kuò)展了對已有的很多求解器的支持，如ANSYS、ABAQUS等，包括單元類型、求解方法和文件格式。這樣就可以在Hypermesh劃分網(wǎng)格后，直接把模型轉(zhuǎn)換成不同的求解器格式文件，從而利用相應(yīng)的求解器進(jìn)行計(jì)算。

在有限元分析中，可以用Hypermesh劃分網(wǎng)格，再將模型導(dǎo)入到Workbench中，通過Hypermesh和Workbench的聯(lián)合使用達(dá)到事半功倍的效果。基于Hypermesh求解器模板及輸出文件的不同，Hypermesh和Workbench的聯(lián)合仿真有圖1、圖2兩種方法。第一種方法必須在Hypermesh中定義單元類型和材料，并且還需要調(diào)用ANSYS經(jīng)典轉(zhuǎn)換格式，過程繁瑣，這是目前使用較多的一種方法。第二種方法可以在人機(jī)交互界面比較好的Workbench中定義材料，并且不用ANSYS轉(zhuǎn)換格式，Hypermesh劃好網(wǎng)格后直接導(dǎo)入Workbench。相比較而言，第二種方法更加方便快捷。本文就采用第二種方法進(jìn)行鉆機(jī)平臺(tái)模態(tài)分析。

圖1　求解方法1

圖2　求解方法2

2　模態(tài)分析理論簡介

模態(tài)分析可用來計(jì)算結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，即固有頻率和振型。

無阻尼多自由度系統(tǒng)的自由振動(dòng)微分方程為[2]：

(1)

式(1)對應(yīng)的特征值方程為：

([K]-ω2[M]){q}={0}

(2)

式中：ω為系統(tǒng)的固有頻率。

求解式(2)就可以得到ω和{q}，即系統(tǒng)的固有頻率和主振型。

本文利用Workbench軟件進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)采用的是Block Lanczos法，它是軟件默認(rèn)的求解方法，采用稀疏矩陣方程求解器。

3　三維建模和網(wǎng)格劃分

3.1設(shè)備簡介

1-鉆機(jī)；2-鉆機(jī)平臺(tái)骨架；3-直線光軸；4-直線軸承；5-下骨架；6-電動(dòng)缸圖3　鉆機(jī)平臺(tái)

該設(shè)備是鉆機(jī)安裝平臺(tái)，三維模型如圖3所示，下骨架上安裝了前法蘭型電動(dòng)缸，骨架四個(gè)角是塑料直線軸承光軸導(dǎo)軌副，起導(dǎo)向作用，可承受徑向力和轉(zhuǎn)矩。電動(dòng)缸上部球鉸于鉆機(jī)安裝骨架下面。鉆孔機(jī)安裝平臺(tái)由電動(dòng)缸推進(jìn)，一次性鉆多個(gè)孔。鉆孔機(jī)安裝平臺(tái)以型鋼為骨架，上面安裝有一排相同間距的矩形空心型鋼，鉆孔機(jī)安裝底板開有兩道槽以安裝螺栓，因此4個(gè)或多個(gè)鉆孔機(jī)可在平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)XY位置無級調(diào)節(jié)，一次性鉆多個(gè)孔。該設(shè)備大部分采用標(biāo)準(zhǔn)件，選型時(shí)采用了較高的安全系數(shù)，但仍需要進(jìn)行強(qiáng)度、模態(tài)仿真分析。

3.2裝配體模型的簡化

圖4　鉆機(jī)平臺(tái)簡化模型

電動(dòng)缸工進(jìn)到孔頂部時(shí)，是最危險(xiǎn)工況，此時(shí)電動(dòng)缸起支撐作用，4個(gè)直線軸承承受徑向力和轉(zhuǎn)矩，以此工況進(jìn)行分析。有限元理論證明對模型局部細(xì)節(jié)的簡化并不影響整體仿真結(jié)果，并且有助于提高求解速度。所以把圓孔、圓角、倒角等小細(xì)節(jié)去掉。雖然Hypermesh可以簡化模型，去除倒角、圓孔，但最好在三維建模時(shí)直接去除小特征，這樣更加方便快捷。將其它輔助零部件簡化，平臺(tái)受電動(dòng)缸支撐處、直線光軸受直線軸承約束處均使用位移約束。簡化模型如圖4所示。

3.3Hypermesh網(wǎng)格劃分和清理

將step文件導(dǎo)入Hypermesh，進(jìn)行拓?fù)錂z查， 清理自由邊、T形邊。影響計(jì)算精度的主要原因是網(wǎng)格質(zhì)量，和網(wǎng)格形式關(guān)系不大。一般來說，結(jié)構(gòu)網(wǎng)格比非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格收斂更容易, 能在較少網(wǎng)格的情況下得到較高的精度，更有利于計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，然而在復(fù)雜裝配體中結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分困難。四面體自動(dòng)網(wǎng)格劃分可以快速自動(dòng)生成網(wǎng)格，對于較復(fù)雜的模型，這種方法能很快且容易創(chuàng)建高質(zhì)量的網(wǎng)格。雖然非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分得到的網(wǎng)格數(shù)較多，但在當(dāng)今計(jì)算機(jī)性能日益提高的情況下，大數(shù)量的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格仍可以快速的得出結(jié)果，得到的結(jié)果和結(jié)構(gòu)網(wǎng)格相差無幾。

網(wǎng)格的質(zhì)量十分重要，質(zhì)量不好的網(wǎng)格會(huì)使計(jì)算機(jī)求解時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤，故對劃分好的網(wǎng)格要進(jìn)行單元質(zhì)量檢查。在有限元模型中對于翹曲度、縱橫比、扭曲角、雅克比等都有嚴(yán)格的限制，但是還是允許有一些不合格的單元，不過其與總單元的比例必須要低于某值[3]。

表1　零部件、節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)格的數(shù)量

由表2可以看出，四面體自動(dòng)網(wǎng)格劃分得到的網(wǎng)格質(zhì)量較高，尤其雅克比矩陣全部為1，達(dá)到理想狀態(tài)，而如此快的速度和優(yōu)秀質(zhì)量用Workbench自動(dòng)化分網(wǎng)格幾乎是不可能的。

表2　網(wǎng)格質(zhì)量

3.4模型輸出

將Hypermesh劃分好的網(wǎng)格模型輸出為inp格式文件。

4　Hypermesh和Workbench聯(lián)合仿真

4.1模型導(dǎo)入

打開Workbench界面，拖入Component中的Finite Element Modeler模塊，通過add input mesh輸入inp文件。這樣在Hypermesh中劃分好的網(wǎng)格便導(dǎo)入到Workbench中[4]。Finite Element Modeler模塊無法進(jìn)行特征編輯，只能識(shí)別多數(shù)基本特征，分割面特征無法識(shí)別。加載載荷的面可用一個(gè)小凸臺(tái)代替。

4.2模塊耦合

本文為預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析，必須先進(jìn)行靜力分析，得出的結(jié)果作為模態(tài)分析的參數(shù)。先在Finite Element Modeler中生成三維幾何模型。再與Static Structural連接。注意這里也可以用Static Structural(ABAQUS)(Beta)模塊做有限元分析，但必須安裝ABAQUS軟件。模態(tài)分析模塊耦合與此類似。

4.3定義材料、接觸、載荷、邊界條件

圖5　載荷、約束施加圖解

鉆機(jī)設(shè)備各零部件材料及其參數(shù)見表3所示。本設(shè)備是用螺栓連接、焊接方法將安裝平臺(tái)各個(gè)零部件連為一體的，雖然Workbench中有點(diǎn)焊(spot weld)、螺栓預(yù)緊載荷(bolt pretension)模擬，但設(shè)置求解繁瑣復(fù)雜。本文重點(diǎn)是對鉆機(jī)安裝平臺(tái)除螺栓外的整個(gè)模型進(jìn)行分析，就可以不用考慮螺栓的接觸及預(yù)緊力等情況[5]。所以對螺栓連接、焊接部位用綁定接觸(bonded)模擬，實(shí)際上在這些地方變形極小，在工程應(yīng)用中設(shè)備多是因?yàn)樗苄宰冃未蠖荒苁褂?，極少是因?yàn)槁菟〝嗔?、焊縫裂開。根據(jù)計(jì)算所得，工進(jìn)鉆孔時(shí)鉆具受軸向力為1 060 N，根據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)，一般鉆具所受反作用力矩為40 N·m。鉆具所受軸向力和反作用力矩主要影響因素有鉆具大小、鉆具鋒利程度、鉆具旋轉(zhuǎn)速度、工進(jìn)速度、混凝土硬度、冷卻液等。其實(shí)際情況是極其復(fù)雜多變的，只能通過有限的理論和經(jīng)驗(yàn)來確定。直線軸承處使用位移約束限制XY位移。載荷、約束施加如圖5所示。

表3　各零部件材料

4.4靜力分析

圖6　總變形圖解

仿真計(jì)算可得位移、應(yīng)力、應(yīng)變結(jié)果見圖6-圖8。

結(jié)果顯示最大變形量為0.03 mm，并且主要是鉆機(jī)受壓力產(chǎn)生的向下位移，對鉆孔精度和質(zhì)量影響較小，

圖7　應(yīng)力圖解　　　　　　圖8　應(yīng)變圖解

最大應(yīng)力14.33 MPa，遠(yuǎn)小于相應(yīng)材料屈服強(qiáng)度，最大應(yīng)變0.007%。由此可知本設(shè)備的鉆機(jī)安裝平臺(tái)完全滿足強(qiáng)度要求。

4.5模態(tài)分析

在理論與實(shí)踐中均發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)的低階模態(tài)對結(jié)構(gòu)的振動(dòng)影響較大，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)模態(tài)分析時(shí)，常常只需要知道前幾階固有頻率和振型，而不必求出全部固有頻率和振型。所以在本次計(jì)算中只提取了前10階模態(tài)。

振型的大小只是一個(gè)相對的量值(位移相對值)，它表征的是各點(diǎn)在某一階固有頻率上振動(dòng)量值的相對比值，反映該固有頻率上振動(dòng)的傳遞情況，并不反映實(shí)際振動(dòng)的數(shù)值[6]。

表4　計(jì)算結(jié)果

圖9-圖14給出了第1階到第6階頻率下對應(yīng)的振型圖。通過振型圖可以看出H鋼骨架四周邊緣或?qū)且桩a(chǎn)生變形，是鉆機(jī)平臺(tái)的薄弱環(huán)節(jié)，然而H鋼翼緣若焊接肋板容易產(chǎn)生熱變形，并且此處不是設(shè)備承載的關(guān)鍵部分，所以此處的變形可以忽略。鉆機(jī)平臺(tái)的關(guān)鍵部位矩形管、鉆機(jī)、直線光軸變形不大，符合設(shè)備設(shè)計(jì)要求。

圖9　第1階振型　　　　　圖10　第2階振型

圖11　第3階振型　　　　　圖12　第4階振型

圖13　第5階振型　　　　　圖14　第6階振型

5　結(jié)束語

本文通過對多個(gè)軟件的學(xué)習(xí)分析，充分利用了各個(gè)軟件的優(yōu)點(diǎn)，揚(yáng)長避短。用Hypermesh中ABAQUS模塊對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，再導(dǎo)入到Workbench中定義材料、接觸、約束、載荷，得到了鉆機(jī)平臺(tái)的靜力、模態(tài)分析。通過聯(lián)合仿真提高了速度和精度，并為其它有限元分析提供借鑒。

[1]陸爽，孫明禮，丁金富,等. ANSYS Workbench13.0有限元分析從入門到精通[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[2]舒彪，喻道遠(yuǎn)，王燈,等.采用 UG、HyperMesh 和 ANSYS 的齒輪軸模態(tài)分析[J].現(xiàn)代制造工程, 2012(2)：71-73,121.

[3]王磊,吳新躍.基于Hypermesh 和 ANSYS 的輪胎式聯(lián)軸器的強(qiáng)度分析[J]. 機(jī)械工程師, 2011(12)：47-49.

[4]朱峰，李書曉.基于Hypermesh和Workbench的排氣系統(tǒng)模態(tài)分析[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化, 2014(1)：62-64.

[5]熊珍兵,羅會(huì)信.基于HyperMesh的有限元前處理技術(shù)[J].排灌機(jī)械, 2006, 24(3):35-38.

[6]袁安富，陳俊.ANSYS在模態(tài)分析中的應(yīng)用[J]. 中國制造業(yè)信息化, 2007，36(11):42-44.

Modal analysis of the rig platform based on Hypermesh and Workbench

LI Mao, LIU Huanlong, YU Lanying, KE Jian

In this study, we used the ABAQUS template in Hypermesh to automatically draw the grid for a complex assembly, which replaced the format conversion process in ANSYS. Then we used Workbench for calculation and analysis, and obtained the static and modal analysis results of the complex assembly. Such method is fast and efficiency, and can greatly reduce product development time and cost. It can also be applied to other finite element analysis projects.

finite element，Hypermesh，Workbench，rig platform，modal analysis

TP391.7

A

1002-6886(2016)04-0013-05

李茂(1988-)，男，碩士研究生，研究方向機(jī)電液一體化、流體傳動(dòng)及控制。

2015-08-26