基于Pro/E模塊Mechanica分析及工程設計中的應用

徐桂旭， 聶萬芬

（1.中國電波傳播研究所，河南 新鄉453000；2.河南省經濟貿易高級技工學校，河南 新鄉453000）

1 引 言

Pro/E 是目前在設計領域中功能比較強大的三維軟件，其完善的設計模塊已在工程設計中得到了相當廣泛的應用，尤其在一些復雜的內部結構設計、曲面設計中，更是體現了其設計的優越性。但在一些專業的領域，如石油測井儀器方面，在完成外形尺寸的設計后，更重要的是考慮到井下復雜的壓力、溫度等條件，需對設計的零件進行強度方面的校核。目前由于受ANSYS 等專業分析軟件的影響，Pro/E 中分析模塊Mechanica 分析的局限性和可靠性一直受著工程設計人員的質疑，所以，常常在Pro/E中建模，再導入到ANSYS 中進行分析，由于在不同軟件中進行模型轉換，會帶來不同程度的失真，這使設計分析的可靠性大大降低，而如果采用Pro/E 內置分析模塊Mechanica，會很好地將設計模塊和分析模塊有機地結合起來，實現強度分析對模型設計的指導。

本文主要針對某一具體的石油儀器零件，分別在Pro/E 和ANSYS 中建模、分析。通過分析結論的對比，證明在軸對稱這一類圖形的受力分析中，通過適當的網格劃分，Mechanica 的分析結論可靠，同時能夠滿足工程設計的精度要求。

2 Pro/E 與ANSYS 建模分析

以圖1 石油測井儀器的鋼筒作為實例，做以下分析。

環境條件：外壓50MPa，內壓0MPa；材料：05Cr17Ni4Cu4Nb；彈性模量：E=2e11；泊松比：ξ=0.3；屈服應力：σs=920MPa。

對模型做以下簡化：鋼筒是回轉體，軸是對稱圖形，可簡化為一截面受力分析，在測井過程中，隨著深度的不斷增加，外界壓力也在增大，為保證儀器能安全地進行測井，需對儀器的薄弱處進行強度校核，由鋼筒下接頭簡圖2 可知，螺紋退刀5×φ80.5 處是設計時應著重考慮的。

圖1 測井儀器鋼筒

2.1 Pro/E 分析模塊Mechanica 中的分析過程

本文著重分析鋼筒下端的受力。

圖2 鋼筒下接頭簡圖

第一步：建模。以Front 面作為草繪平面，Top 面作為頂部參考，按照簡化圖的尺寸，創建旋轉特征，在第一象限旋轉90°。對于軸對稱圖形的分析，為了便于坐標以及參考面的選擇，一般將1/4 模型創建在第一象限。

第二步：定義材料屬性。進入Mechanica，選擇類型：2D Axisymmeric，定義材料屬性（彈性模量、泊松比以及屈服應力），也可以任意選擇一種結構鋼材料，如Steel，然后點擊編輯，在彈出的對話框里修改相關的參數。

第三步：網格劃分。通過對邊節點的控制，劃分網格如圖3。在此可以為每條邊設置不同的節點數，使劃分的網格足夠均勻，同時對關鍵部位進行細化。這里重點說明一下設置里的幾個參數：

在網格劃分時，可以調整各個具體參數的數值，使網格劃分到理想的程度。

圖3 Pro/E 網格劃分

第四步：定義約束及加載。Dx:- Dy.0 Dz.0 表示X 軸平移自由度不進行約束，Y 軸、Z 軸平移自由度完全約束；Rx:0 Ry.0 Rz.0 表示X 軸、Y 軸、Z 軸旋轉自由度完全約束。此例對螺紋處采用完全約束，其他兩處根據實際情況進行約束，如圖4。

圖4 載荷約束

第五步：定義一個靜態分析，運行，通過信息窗口察看當前的運行狀態，直至運行結束。

2.2 ANSYS 中的分析過程

第一步：建模。計算簡化圖中各點的坐標值，在XY平面內建立截面模型。

第二步：單元類型選擇。Solid Triangle 6node 2，option中的element behavior 選擇Axisymmetric，定義材料屬性，采用自由網格劃分，smart size 設置為2，形狀選擇為三角形，在螺紋退刀處細化網格，如圖5。

圖5 ANSYS 網格劃分

圖6 載荷約束

第三步：定義約束及加載方式。如圖6，與在Pro/E中完全相同。

第四步：運行［1］。

3 Pro/E 與ANSYS 分析對比

Mechanica 中整個截面應力分布云圖如圖7。

圖7 Pro/E 分析云圖

ANSYS 中整個截面節點的應力分布云圖如圖8。

由二者的云圖可見，螺紋退刀處及周圍的應力分布趨勢及應力值的大小相當吻合。

為準確對比二者的分析結果，我們取螺紋退刀處（去除兩邊圓角的長度）的應力值進行對比。

Mechanica 中退刀槽處（去除兩邊圓角的長度）應力隨長度的變化曲線如圖9。

ANSYS 中退刀槽處（去除兩邊圓角的長度）應力隨長度的變化曲線如圖10。

圖8 ANSYS 分析云圖

圖9 Pro/E 中應力曲線

圖10 ANSYS 中應力曲線

由圖9 和圖10 可見，螺紋退刀槽上各點的應力值，二者的分析結果相當吻合，由此證明Mechanica 分析結論可靠。

4 注意事項

（1）由于Mechanica 采用有限的幾種單元類型，包括2D 單元類型：三角形、（三角形和四邊形）混合類型。3D單元類型：四面體、（楔形和四面體）混合類型、（長方體、楔形和四面體）混合類型，所以在網格劃分的過程中，常常需要通過設置節點來控制網格劃分的精度，確保網格劃分的均勻一致，對于單一零件分析推薦使用一種單元類型。在Pro/E 分析過程中，并不是網格劃分的單元越多越好，而是劃分網格越均勻，分析的可靠性越高。

（2）在約束時首先分析采用何種約束形式，除一些焊接或者螺紋連接采用完全約束外，其他的一些要分清在哪一個方向留有自由度，這對分析的結論會有不同程度的影響。總之，約束時，參照零件工作時的狀態，做到準真實模擬。

（3）以上的分析結論是通過多次的網格劃分，在多次分析的基礎上，當分析結論幾乎不發生變化時，認為是最終的分析結論。

5 結 論

通過對石油儀器零件在Mechanica 與ANSYS 中進行分析對比，充分說明了在線性領域的工程設計中，只要網格劃分得足夠均勻，當計算的最大應力值不超過屈服應力時，Mechanica 分析結論的精度可以滿足設計要求，對工程設計有充分的指導意義。

［1］ 紹蘊秋.ANSYS 8.0 有限元分析實例導航［M］.北京：中國鐵道出版社，2004.

［2］ 王國強. 實用工程數值模擬技術及其在ANSYS 上的實踐［M］.西安：西北工業大學出版社，2004.