大型復雜機構的CAE分析方法

文/李妍姝

大型復雜機構的CAE分析方法

文/李妍姝

本文針對大型復雜機構的有限元分析問題，提出了通用問題的分析流程，列舉了分解功能模塊的依據及分析處理的手段，并歸納了分析復雜結構時所用到的常用單元的具體使用。該方法使用兩種有限元軟件進行分析并對比結果，仿真機構的固有模態，并提出通用的避免共振的改善措施。

有限元 復雜機構 MPC 超單元 模態分析

1 復雜機構的CAE分析方法

1.1 復雜機構CAE分析流程

復雜機構CAE分析流程如下：

（1）確定工程問題；

（2）建立CAD模型；

（3）模塊分析并確定分析方案；

（4）建立CAE模型并確定高級分析模塊；

（5）用至少2種分析軟件得到結果；

（6）對比2組結果的正確性；

（7）提出改善措施；

（8）分析改進后方案選取最優方案。

1.2 復雜機構模塊分解

1.2.1 機構部分模塊分解

在CAE分析時，可將復雜機構根據工作狀態分為若干模塊?？蓪碗s機構分為通用部分和關鍵特殊部分。通用部分包括：箱體、機架、軸類部件、齒輪部件、凸輪部件、鏈輪部件、連桿部件以及其他附件；關鍵特殊部分則為特殊機構的非通用零件。對于非通用零件可特殊問題特別分析，分解為合適的模塊并為其挑選合適的單元。

1.2.2 連接部分處理方式

機構的連接方式也決定了CAE模型的處理方式。常用部件連接方式及處理方法如表1所示。

1.3 常用單元介紹

表1：部件連接方式及處理方法

1.3.1 殼單元

殼單元是用有限元法對薄板件進行分析時常采用的單元，在有限元分析中，長寬尺寸遠大于厚度尺寸的薄板件適用于殼單元。通過模擬計算可知，對于薄板件，當滿足厚度：長度：寬度小于1：10：10時，使用殼單元進行簡化分析是合理的。

1.3.2 梁單元

梁單元是用有限元法對細長件進行分析時最常采用的單元，梁單元可以模擬界面尺寸遠小于長度尺寸的構件。一般當桿件兩制成的間距大于橫截面尺寸的3%-5%時，可采用梁單元模擬。

1.3.3 MPC

MPC也稱為多點約束方程，常用來連接不連續、自由度不協調的單元，在連接邊界上的節點不必完全對應。MPC多點約束可用于以下幾個方面：a、描述非常剛硬的結構單元；b、在不同類型的單元間傳遞載荷；c、任意方向的約束；d、剛性連桿。

1.3.4 超單元

超單元也稱為子結構，適用于求解大型問題，超單元分析主要是通過把整體結構分化成很多小的子部件來進行分析，即將結構的特征矩陣(剛度、傳導率、質量、比熱、阻尼等)壓縮成一組主自由度。使用超單元可以明顯節省機時，對于復雜機構，還可以建立多級超單元，即在生成超單元時，生成部分的其中一個單元可以是以前生成的超單元。

2 復雜機構的模態計算

常用CAE分析軟件的結果都包括如下功能演示：固有頻率、已擴展的振型和相應的應力分布，均可用彩色云圖、矢量圖和列表來顯示。由于復雜機構不可能應用簡單的力學公式直接計算，如果將其簡化為通常的板殼結構，則其內部結構的作用將被忽略，難以真實地再現系統的全貌，因此可以將其結構離散化，繼而進行全面系統的分析。由于限元分析軟件多為黑箱操作。在完成建立模型、設定載荷、定義邊界條件后，由軟件完成計算，給出計算結果。操作者難以單純通過一種軟件證明結果的正確性。因此，在CAE分析過程中，為驗證結果的準確性，需要使用多個軟件對結果進行比較，判斷仿真精度。

3 通用改善措施

通過上述仿真結果，CAE分析平臺可對比外界激勵頻率判定是否會發生共振。通用的避免共振的改善措施有：

（1）保持原結構的基礎上加厚箱體或機架提高總質量；

（2）添加加強筋以增加系統剛度；

（3）增加連接條以加強振動變形顯著位置的剛性。

之后再對改進后的機構進行仿真模擬，對比不同改進方案的振型、頻率變化情況，驗證方案是否可行。最終以經濟性為標準，衡量各種方案的優劣。

4 小結

本文概述了大型復雜機構的CAE分析流程、分析方法，為日后大型復雜設備的CAE分析平臺做好了準備工作。

[1]韓克平,李平.基于ANSYS環境下結構的模態分析[J].內蒙古農業大學學報,2002(09)：19-24.

[2]程凱.復雜機構的CAE分析方法研究[D].天津：天津大學,2007：18-24.

[3]黃華.精梳機支承結構系統的動力學性能分析[D].上海：東華大學,2011：46-58.

作者單位 山西大同大學機電工程學院 山西省大同市037000

李妍姝（1987-），女，山西省人。畢業于東華大學，工學碩士研究生。現任山西大同大學機電工程學院助教。研究方向為機械設計及理論。

●基金：“大同市平臺基地項目”（項目編號：2017159；項目名稱：大型機電裝備CAE仿真分析平臺）。