楊莉

摘 要 本文闡述了ProE模型導(dǎo)入ANSYS的意義，對其導(dǎo)入方法進(jìn)行了分析，在建立有限元模型的基礎(chǔ)上，分析了變流器柜體的力學(xué)性能，證實(shí)了ProE模型導(dǎo)入ANSYS的價(jià)值。

關(guān)鍵詞 ProE模型；導(dǎo)入；ANSYS；方法

中圖分類號 TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1674-6708（2017）182-0096-02

隨著鐵路領(lǐng)域發(fā)展水平的提高，高速與重載成為了列車的主要特點(diǎn)，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)水平已經(jīng)無法滿足當(dāng)前時(shí)代對于列車的要求，將CAD以及CAE技術(shù)應(yīng)用到列車設(shè)計(jì)以及制造過程中，已經(jīng)成為了鐵路領(lǐng)域發(fā)展的必經(jīng)之路。ProE以及ANSYS分別屬于CAD以及CAE的主要代表，將ProE模型導(dǎo)入ANSYS中，能夠使兩者的設(shè)計(jì)優(yōu)勢有效結(jié)合，對于列車整體性能的提高具有重要價(jià)值。

1 ProE模型導(dǎo)入ANSYS的意義

CAD即計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，屬于CAE（計(jì)算機(jī)輔助工程）中的主要內(nèi)容之一，ProE屬于CAD的代表性技術(shù)，其中的機(jī)械設(shè)計(jì)模塊，是輔助CAD設(shè)計(jì)完成的主要模塊[ 1 ]。從本質(zhì)上看，ProE下的機(jī)械設(shè)計(jì)模塊，屬于三維機(jī)械設(shè)計(jì)工具的一種，能夠使機(jī)械的設(shè)計(jì)過程在三維可視化的條件下展開，可使機(jī)械的設(shè)計(jì)精度與效率有效提高[2]。ANSYS屬于CAE的代表性技術(shù)，其下包含幾何建模模塊，具有幾何建模的功能，但該功能相對較弱，且實(shí)現(xiàn)復(fù)雜。將ProE模型導(dǎo)入到ANSYS中，能夠使兩者實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，能夠使機(jī)械設(shè)計(jì)更好、更快的實(shí)現(xiàn)。

2 ProE模型導(dǎo)入ANSYS問題的思考

2.1 ProE模型導(dǎo)入ANSYS的方法

2.1.1 文件導(dǎo)入

ProE具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)，文件格式以IGES（Initial？Graphics？Exchange？Specification，初始化圖形交換規(guī)范）文件為主，與ANSYS文件格式存在一定的差異，如直接將文件導(dǎo)入其中，ANSYS很容易出現(xiàn)實(shí)體丟失的問題，進(jìn)而影響設(shè)計(jì)進(jìn)展。為確保文件導(dǎo)入能夠更好的完成，在導(dǎo)入前做好格式轉(zhuǎn)換十分重要。

2.1.2 接口轉(zhuǎn)換

在將狀態(tài)設(shè)置為默認(rèn)的情況下，ANSYS無法直接對ProE中的文件進(jìn)行轉(zhuǎn)換，需對其進(jìn)行重新設(shè)置，才可使轉(zhuǎn)換順利完成。在ANSYS軟件中，可以利用其Connection？for？Pro/Engineer模塊，完成數(shù)據(jù)的傳輸以及文件的轉(zhuǎn)換過程，最終使文件的導(dǎo)入得以實(shí)現(xiàn)。

2.1.3 AWE

AWE屬于前后處理環(huán)境的一種，將其應(yīng)用到ProE模型導(dǎo)入ANSYS的過程中，能夠使ProE模型直接轉(zhuǎn)換成為ANSYS的形式，能夠使幾何建模更加快速有效的完成，但該技術(shù)目前并未成熟。

2.1.4 有限元分析模塊

在RroE模型下，包含有限元分析模塊，該模塊具有添加載荷以及約束的功能，且其中包含ANSYS求解器，使用該模塊，能夠使兩者的ANSYS接收到的包含單元、載荷以及約束等各部分相關(guān)信息的有限元模型，能夠使導(dǎo)入過程更好的實(shí)現(xiàn)。

2.2 有限元模型的建立

分析了變流器柜體的有限元建模過程。

2.2.1 簡化模型

變流器柜體以方鋼等組成，共包括2個(gè)變流器模塊，1個(gè)控制箱以及1個(gè)電力電容器。考慮到變流器柜體布置非對稱，因此在分析柜體受力情況時(shí)，可通過將各部件簡化的方法，降低有限元建模難度。從體積上看，變流器柜體較大，考慮這一問題，可采用在不同坐標(biāo)軸上建立三維空間應(yīng)力以及位移分量的方法，完成受力分析過程。需注意的是，變流器的簡化過程，必須保證計(jì)算精確合理，這一點(diǎn)十分重要?？赏ㄟ^對ProM中的中間曲面的應(yīng)用，建立殼單元模型，相對于ANSYS的建模過程而言，中間曲面功能的應(yīng)用效率更高。

薄殼與厚殼是需要了解的兩種殼單元模型形式，前者一般不包括剪切變形，無需考慮該問題，則可建立薄殼，過程相對簡單，只需將ProM有限元模型導(dǎo)入即可。如需考慮剪切變形的問題，則需建立厚殼，以確保能夠滿足殼單元模型建立的要求。

在變流器實(shí)體中，還包括安裝支座等小零件，對變流器整體結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響較小，因此在建模過程中，無需考慮上述問題，以使建模過程以及具體模型得到簡化。

2.2.2 焊縫與螺栓

變流器實(shí)體中，存在較多的焊縫以及螺栓，對實(shí)體力學(xué)性能的影響較大，有限元建模過程中，必須將其作為重點(diǎn)問題加以考慮。建立耦合和約束方程，能夠使自由度聯(lián)接得以實(shí)現(xiàn)，可以在利用上述基礎(chǔ)的前提下，對焊接位置進(jìn)行耦合約束處理，將自由度耦合，以實(shí)現(xiàn)對焊接情況的模擬。

手工電弧焊是焊接方法的一種，相對較為牢固，其強(qiáng)度與變流器實(shí)體基本一致，因此在建模過程中，無需考慮該接縫問題，將其刪掉簡化即可。

螺栓連接在以變流器為主的機(jī)械中十分常見，在有限元分析過程中，需對其加以重視。ANSYS具有非線性接觸行為模擬能力，適用于對機(jī)械中螺栓連接情況的模擬，能夠?qū)τ邢拊Ｐ偷慕碇С帧?/p>

2.2.3 有限元建模方法

有限元建模方法包括兩種，分別為H法和P法。H法屬有限元建模的常規(guī)方法，要求每個(gè)單元采用低階次的插值多項(xiàng)式進(jìn)行計(jì)算，各個(gè)單元的階次不變，將有限元網(wǎng)格的密度作為變量，在不斷改變變量的基礎(chǔ)上，最終得到函數(shù)的最優(yōu)解。P法同樣屬于有限元建模的一種方法，該方法要求將有限元網(wǎng)格的密度作為定值，將各單元函數(shù)的階次作為變量，通過不斷改變變量的方法，最終得到函數(shù)的最優(yōu)解?？梢钥闯觯鲜鰞煞N方法的區(qū)別僅在于變量的不同。通常情況下，在利用P方法進(jìn)行有限元計(jì)算時(shí)，各單元的階次一般需逐漸上升，并在此前提下，不斷地完成函數(shù)的求解過程，通過迭代的方法，使函數(shù)的解能夠逐漸趨近于真實(shí)。相對于H方法而言，P方法一般具有更少的網(wǎng)格，但計(jì)算量較大，這是其優(yōu)勢以及缺陷所在。考慮本次有限元分析的需求，決定采用H方法作為主要有限元計(jì)算方法而應(yīng)用。

2.3 變流器柜體力學(xué)性能的測定

便利器柜體為不銹鋼材質(zhì)，屈服強(qiáng)度為205MPa，強(qiáng)度極限為520MPa，荷載情況如下：縱向5g、垂直1g時(shí)，應(yīng)力176MPa，最大位移量0.442mm；縱向-5g、垂直1g時(shí)，應(yīng)力158MPa，最大位移量0.443mm；縱向3g、垂直1g時(shí)，應(yīng)力82.8MPa，最大位移量0.168mm；縱向-5g、垂直1g時(shí)，應(yīng)力121MPa，最大位移量0.168mm。

觀察應(yīng)力以及位移變形量發(fā)現(xiàn)，該變流器柜體的最大應(yīng)力，較不銹鋼材料的屈服強(qiáng)度小，最大位移量未超出標(biāo)準(zhǔn)要求，表明材料的靜強(qiáng)度能夠達(dá)到要求。

測定同樣發(fā)現(xiàn)，變流器柜體振動頻率為67.25Hz，與設(shè)計(jì)要求30Hz相比更高，表明材料的剛度能夠達(dá)到要求。

3 討論

1）有限元分析方法，是ProE模型導(dǎo)入到ANSYS中的主要方法。

2）通過抽取中間曲面的方法，能夠使有限元模型得到簡化，科學(xué)處理螺栓與焊縫，是提高有限元計(jì)算數(shù)值準(zhǔn)確的前提。

3）H方法更加適用于有限元計(jì)算。

4）將ProE模型導(dǎo)入到ANSYS，能夠使以變流器柜體為主的各類器械的設(shè)計(jì)精度更高，測試發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)入后的器械，剛度與強(qiáng)度均能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)論

綜上所述，將ProE模型導(dǎo)入到ANSYS中，建立有限元模型，并完成計(jì)算過程，能夠使機(jī)械的設(shè)計(jì)精確度達(dá)到更高，對于機(jī)械制造水平及其整體性能的提高具有重要價(jià)值。鐵路以及其他領(lǐng)域必須對此加以重視，加強(qiáng)對CAD以及CAE等技術(shù)的應(yīng)用，使ProE模型與ANSYS能夠有效結(jié)合，使兩者能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，使機(jī)械設(shè)計(jì)效率得到全面的提高。

參考文獻(xiàn)

[1]易斯男，王博，王立朋，等.基于SimXpert實(shí)現(xiàn)ProE模型向CAE模型快速轉(zhuǎn)化的模板開發(fā)[J].計(jì)算機(jī)輔助工程，2015（3）：1-4.

[2]丁杰，榮智林.基于ProE和ANSYS的變流器柜體結(jié)構(gòu)分析[J].變流技術(shù)與電力牽引，2008（2）：27-31.