基于ANSYS Workbench 的安裝誤差測(cè)試臺(tái)有限元分析

牛曉武

（中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院， 河南 洛陽(yáng) 471009）

引言

安裝誤差測(cè)試臺(tái)主要用于某型產(chǎn)品的安裝誤差性能測(cè)試，測(cè)試時(shí)承受產(chǎn)品及夾具的全部質(zhì)量，并能保證發(fā)動(dòng)機(jī)意外點(diǎn)火后產(chǎn)品被固定在測(cè)試臺(tái)上而不離架，使其不對(duì)測(cè)試操作人員造成傷害，對(duì)周?chē)脑O(shè)施不造成大的破壞。測(cè)試臺(tái)采用整體式結(jié)構(gòu)，如圖1所示。臺(tái)體是測(cè)試臺(tái)的承載基體，承受支撐梁、夾具以及被測(cè)產(chǎn)品的質(zhì)量，通過(guò)螺栓與測(cè)試間地基連接。要求臺(tái)體剛度好、變形量控制嚴(yán)格，既要滿足安裝誤差測(cè)試的需要，又必須要有足夠的強(qiáng)度和剛度。因此必須對(duì)測(cè)試臺(tái)臺(tái)體的受力狀況進(jìn)行分析。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法多是根據(jù)類(lèi)比和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，需要較大的計(jì)算量且計(jì)算結(jié)果精確度不高。

圖1 安裝誤差測(cè)試臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

隨著有限元技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，計(jì)算機(jī)輔助分析（CAE）越來(lái)越受到重視。ANSYS 軟件集結(jié)構(gòu)、流體、熱、聲學(xué)、電磁等于一體，可廣泛應(yīng)用于航天航空、機(jī)械制造、水利、土木工程等諸多領(lǐng)域的研究，可進(jìn)行從線性、靜態(tài)分析到非線性、瞬態(tài)分析等多種分析[1-3]。Workbench 把ANSYS 系列產(chǎn)品融合在仿真平臺(tái)，為仿真模擬和設(shè)計(jì)提供了全新協(xié)同仿真環(huán)境，提高了仿真效率。

本文利用Pro/E 三維設(shè)計(jì)軟件建立了測(cè)試臺(tái)臺(tái)體的三維實(shí)體模型[4]，利用Pro/E 與ANSYS 的數(shù)據(jù)接口，將模型導(dǎo)入ANSYS Workbench 中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)置好邊界條件后，進(jìn)行加載求解，得到臺(tái)體的應(yīng)力和應(yīng)變分布情況，并對(duì)測(cè)試臺(tái)與測(cè)試間地基之間螺栓的連接強(qiáng)度進(jìn)行了理論分析計(jì)算。

1 ANSYS 有限元分析過(guò)程

1.1 前處理

1.1.1 導(dǎo)入幾何模型

由于測(cè)試臺(tái)臺(tái)體形狀較為復(fù)雜，利用ANSYS 自帶的建模模塊不方便建立準(zhǔn)確的實(shí)體模型，且耗時(shí)較多。因此采用專業(yè)的三維設(shè)計(jì)軟件Pro/E，建立測(cè)試臺(tái)臺(tái)體的三維模型，通過(guò)Pro/E 與ANSYS 的數(shù)據(jù)接口，可將該模型直接導(dǎo)入ANSYS Workbench 軟件中進(jìn)行分析。導(dǎo)入ANSYS Workbench 中的臺(tái)體三維實(shí)體模型如圖2 所示。

圖2 臺(tái)體三維實(shí)體模型

1.1.2 材料定義與網(wǎng)格劃分

測(cè)試臺(tái)臺(tái)體材料選用Q235A 鋼，材料的主要力學(xué)參數(shù)如下頁(yè)表1 所示。ANSYS Workbench 軟件在Engineering Data 項(xiàng)目欄中定義材料屬性。

表1 材料的主要力學(xué)參數(shù)

網(wǎng)格劃分是整個(gè)有限元分析過(guò)程中的重要步驟，是有限元分析結(jié)果正確與否的關(guān)鍵，目的是把求解域分解成可得到精確解的適當(dāng)數(shù)量的單元。采用智能網(wǎng)格劃分方式劃分，在網(wǎng)格控制（Mesh Control）下定義尺寸（Sizing）和方法（Method）兩個(gè)控制選項(xiàng)即可完成對(duì)網(wǎng)格的自動(dòng)劃分。網(wǎng)格劃分后的臺(tái)體有限元模型如圖3 所示，劃分網(wǎng)格后共計(jì)66 073 個(gè)節(jié)點(diǎn)、9 508 個(gè)單元。

圖3 網(wǎng)格劃分后的臺(tái)體有限元模型

1.1.3 邊界條件的確定與載荷施加

在前處理器中完成臺(tái)體有限元模型的網(wǎng)格劃分后，需要在求解器中對(duì)其定義約束和施加載荷。這些約束和載荷是在環(huán)境（Environment）工具條下進(jìn)行的。

1）自由度約束：測(cè)試臺(tái)工作時(shí)，臺(tái)體通過(guò)底部的支撐座固定在測(cè)試間地基上，因此對(duì)臺(tái)體的下橫梁施加固定約束。

2）載荷施加：根據(jù)測(cè)試臺(tái)的實(shí)際工作情況，產(chǎn)品發(fā)動(dòng)機(jī)軸向推力不大于10 t。因此選擇最大載荷Fmax作為初始載荷進(jìn)行加載。對(duì)臺(tái)體的上橫梁中央部位施加Fmax。

1.2 分析求解與后處理

當(dāng)設(shè)置好邊界條件和施加載荷后，即可利用ANSYS 的求解功能進(jìn)行求解。點(diǎn)擊Solve 進(jìn)行求解。在Solution 模塊，插入Total deformation 和Equivalent Stress 可查看求解后的結(jié)果。臺(tái)體應(yīng)力、變形情況如圖4、圖5 所示。

從圖4 可以看出，臺(tái)體向左側(cè)發(fā)生彎曲變形。從圖5 可以看出，在臺(tái)體上橫梁的中間部位有應(yīng)力集中，最大應(yīng)力出現(xiàn)在上橫梁的中間部位，這也與實(shí)際情況相符。在工作狀態(tài)下，最大變形量約為0.3 mm，臺(tái)體的大部分應(yīng)力都在100 MPa 以下，最大應(yīng)力值約為152 MPa，小于Q235A 鋼的屈服極限許用強(qiáng)度[σ]，故臺(tái)體的強(qiáng)度符合要求。

圖4 臺(tái)體變形量分布云圖

圖5 臺(tái)體應(yīng)力分布云圖

1.3 螺栓連接強(qiáng)度的計(jì)算

臺(tái)體與測(cè)試間地基的連接使用12 個(gè)M24 螺栓，所有螺栓均受到傾覆力矩M 的作用，因此對(duì)距結(jié)合面對(duì)稱軸最遠(yuǎn)的螺栓進(jìn)行強(qiáng)度校核[5]，其計(jì)算如下：

式中：Fmax為最大的工作載荷；z 為總的螺栓個(gè)數(shù)；Li為各螺栓軸線到底板軸線的距離；Lmax為L(zhǎng)i中最大的值；M 為所受力矩。

由式（1）可求得螺栓承受最大的工作載荷Fmax。

螺栓材料強(qiáng)度等級(jí)為9.8，螺栓屈服強(qiáng)度σs=720 MPa；安全系數(shù)Ss=3；由，可求出螺栓許用應(yīng)力[σs]=240MPa；由，其中FA為螺栓所受力，d1為螺栓直徑，可求出臺(tái)體與測(cè)試間地基間連接螺栓應(yīng)力值σ=27.6 MPa。

由上述計(jì)算結(jié)果可知，σ≤[σs]，故螺栓的連接強(qiáng)度符合要求。

2 結(jié)論

利用三維設(shè)計(jì)軟件Pro/E 建立安裝誤差測(cè)試臺(tái)的三維模型，導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS Workbench中。設(shè)置好邊界條件和施加載荷，對(duì)測(cè)試臺(tái)的受力情況進(jìn)行了有限元分析，得出了在最大載荷作用下的變形和應(yīng)力分布情況。通過(guò)分析得出了臺(tái)體上橫梁處為應(yīng)力最大處，小于材料的許用強(qiáng)度，滿足強(qiáng)度要求。因此在臺(tái)體設(shè)計(jì)時(shí)在兩側(cè)進(jìn)行了局部加強(qiáng)，并對(duì)測(cè)試臺(tái)與測(cè)試間地基之間螺栓的連接強(qiáng)度進(jìn)行了理論分析計(jì)算，連接強(qiáng)度符合要求。采用有限元分析的方法，為進(jìn)行測(cè)試臺(tái)的精確設(shè)計(jì)提供了重要的參考。該研究對(duì)于縮短設(shè)備研發(fā)周期與降低研發(fā)成本，具有一定的參考意義。