基于Pro/Mechanica提高分析準(zhǔn)確度的應(yīng)用

袁平定，甘雄濤，方春陽，龐江濤

（許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000）

隨著我國工業(yè)深入發(fā)展，先進的設(shè)計工具得到了廣泛的使用。基于3D軟件Pro/E建模，用其無縫集成的Pro/Mechanica做結(jié)構(gòu)分析，不需第三方軟件進行模型轉(zhuǎn)換和修補，方便快捷。在其集成模式上，經(jīng)Pro/Mechanica優(yōu)化分析,其結(jié)果可直接反映到原設(shè)計模型上，其過程反應(yīng)了真實的設(shè)計過程，節(jié)省了不必要的重復(fù)設(shè)計，提高設(shè)計效率，使設(shè)計工作大為簡化。

本文主要介紹通過絕對精度進行零件建模，提高模型的自身精度，并在網(wǎng)格創(chuàng)建時，通過多種措施提高網(wǎng)格劃分（細(xì)分）品質(zhì)，提高分析準(zhǔn)確度。

1 模型精度設(shè)置

基于Pro/Mechanica分析的模型創(chuàng)建是指：用Pro/E進行零件建模（及簡化模型），增加像坐標(biāo)系和區(qū)域這類必要元素，添加材質(zhì)、載荷、約束等屬性，實施理想化模型簡化（構(gòu)建彈簧、梁、抽殼元素）和網(wǎng)格創(chuàng)建。其目的是：達到用最簡單的模型，花費最少的資源（計算機硬件配置要求最低和計算求解時間最短），并給予足夠可靠的分析結(jié)果。

在Pro/E零部件建模中，系統(tǒng)默認(rèn)的精度為相對精度，并非絕對精度。提高零件的絕對精度值不僅對單個零件的分析至關(guān)重要，而且對組件影響更為明顯。在裝配體中，裝配模型精度可確定是合并處理還是單獨處理，以及在網(wǎng)格創(chuàng)建時，兩個元件網(wǎng)格創(chuàng)建的成功程度，進而影響到分析結(jié)果的準(zhǔn)確度。

（1）模型建模精度設(shè)置原則

在模型創(chuàng)建之前，系統(tǒng)設(shè)置為絕對精度。避免在裝配體中網(wǎng)格化時，兩個零件的成功程度問題和單個零件精度不足造成網(wǎng)格精度失真。由于兩零件的相對精度差異導(dǎo)致網(wǎng)格劃分品質(zhì)欠佳，進而犧牲了分析結(jié)果的準(zhǔn)確度。其關(guān)系為：

絕對精度（α)=相對精度（β）×零件尺寸（δ）。

在β一定的情況下，提高α精度值，δ精度值才會高。絕對精度的設(shè)置方法：在Pro/E的配置文件中（config.pro），添加 Enable_sbsolute_accuracy 值 yes。

（2）模型精度設(shè)置原則

零件建模的絕對精度設(shè)置在0.01 mm～0.001 mm是一個相對合適值。精度越高，在求解器求解運算過程中，就需要消耗系統(tǒng)較多的資源。在裝配體中，零件尺寸相差不大情況下，精度值設(shè)置稍大些（0.01 mm）；若零件尺寸相差較大，則精度值設(shè)置的就偏小些（0.001 mm）。

（3）零件建模順序設(shè)置

依據(jù)設(shè)計分析目的，用最簡單、最直接的方法，把模型信息表現(xiàn)出來。分析模型能直接反應(yīng)設(shè)計目的信息。如果建模方法不當(dāng)，或順序復(fù)雜，就會在分析過程中找不到需要的模型特征信息，最終導(dǎo)致建模無法繼續(xù)進行，進而導(dǎo)致在優(yōu)化分析時，出現(xiàn)過程中產(chǎn)生的模型特征變化非設(shè)計預(yù)期，甚至與設(shè)計初衷背道而馳的現(xiàn)象。如在優(yōu)化分析時，需直接選中目的設(shè)計變更量，而在模型中，此特征為間接形成，導(dǎo)致分析時過程復(fù)雜，不可控制。另外，由于累加精度的影響，導(dǎo)致網(wǎng)格劃分?jǐn)M合精度的降低現(xiàn)象，影響了分析結(jié)果的精確度。在草繪設(shè)置中，使用約束不當(dāng)，在優(yōu)化分析時，造成模型特征變化范圍窄，達不到設(shè)計預(yù)期目的。

2 模型網(wǎng)格劃分評價準(zhǔn)則

零件的網(wǎng)格劃分越好（細(xì)膩、逼真），分析結(jié)果就越準(zhǔn)確。在創(chuàng)建網(wǎng)格時，應(yīng)設(shè)法提高網(wǎng)格劃分品質(zhì)，提高分析的準(zhǔn)確度。

（1）奇點。奇點會導(dǎo)致應(yīng)力集中和位移的無窮大。在網(wǎng)格劃分時，應(yīng)設(shè)法消除，以提高分析的可信度。通過使用分布的載荷和約束，避免可能會造成結(jié)果失真的單一應(yīng)力或位移集中。在網(wǎng)格劃分前，通過創(chuàng)建隔離區(qū)域，使網(wǎng)格劃分能精確控制。在AutoGEM控制排除的隔離，以圍繞單個點、邊或凹角創(chuàng)建小過度元素為目標(biāo)。在定義分析時，選中“排除的元素”，在計算收斂性和測量時，忽略所選過渡元素，以最小化降低奇點對分析結(jié)果的影響，如表1所示。

表1 約束和載荷分別對產(chǎn)生奇點的影響[1]

（2）根據(jù)研究項目的重點不同，區(qū)別對待研究區(qū)域，細(xì)分局部網(wǎng)格。在研究關(guān)注的重點區(qū)域，細(xì)化局部網(wǎng)格，提高關(guān)注點分析結(jié)果精確度。在分析時，通過創(chuàng)建特定區(qū)域，使現(xiàn)有的網(wǎng)格再細(xì)化，能更加逼真地模擬真實條件。在一般情況下，通過增加局部曲面區(qū)域或局部體積快區(qū)域影響網(wǎng)格的劃分細(xì)膩程度。

圖1 奇點消除、曲面區(qū)域和體積塊區(qū)域網(wǎng)格劃分、應(yīng)力分析圖

在圖1中，左側(cè)模型應(yīng)用硬點分布載荷到兩條線中間的曲面區(qū)域，以消除奇點的影響；中間模型通過曲面區(qū)域（兩條線中間部分）和體積塊區(qū)域（圓孔周圍）后細(xì)分網(wǎng)格；右側(cè)圖形顯示靜態(tài)分析的應(yīng)力分布。

（3）整體提高零件網(wǎng)格劃分細(xì)膩程度[2]。當(dāng)零件網(wǎng)格劃分顯得粗糙時，可通過AutoGEM設(shè)置項，更改邊、面最大值和最小值，以及最大邊翻轉(zhuǎn)角度值，使其生成的網(wǎng)格整體更加細(xì)膩，更加逼真地模擬真實條件。同時可以附加AutoGEM控制下的“最大長度元素尺寸”、“邊分布”和“最小邊長度”控制網(wǎng)格的生成細(xì)膩程度。殼元素網(wǎng)格在自動創(chuàng)建時，顯得粗糙，表2為殼元素缺省值和推薦值的設(shè)置。

表2 殼元素缺省設(shè)置和推薦設(shè)置

3 結(jié)束語

從設(shè)計的源頭入手，提高其模型自身的設(shè)計精度，為分析提供了一個良好的基礎(chǔ)。再通過區(qū)別對待研究對象，影響局部網(wǎng)格劃分品質(zhì)或提高模型網(wǎng)格整體劃分品質(zhì)，使其更加逼真地模擬真實條件，提高分析的精確度。Pro/E的分析模塊Pro/Mechanica是一個非常方便的設(shè)計工具。其良好的易操作性，提供了更多網(wǎng)格控制設(shè)置空間，能顯著提高設(shè)計師工作效率。