基于Catia 建模Workbench 仿真的水杯自由落体显示动力学分析

邓晓龙，冯国胜，李鹏飞

(石家庄铁道大学 机械工程学院，河北 石家庄 050043)

水杯是我们日常用来盛装液体的容器，水杯的损坏很大程度是由于跌落碰撞，导致金属材料出现凹坑，塑料材料出现裂痕等等。跌落试验分析参数可由试验测得，但碰撞时间短，过程复杂，不易控制，不能完整的展现跌落碰撞全过程，因此对于跌落碰撞中受力变形很难得到全面而精确的评定。但在许多发达国家中，传统的产品跌落冲击试验已经逐渐由计算机模拟仿真来完成［1］。跌落仿真的出现很好的解决了这一问题。

1 软件介绍

Catia V5 软件是一款功能强大应用范围广泛的CAD/CAE/CAM 集成化三维软件，可以对产品整个开发过程的各个方面进行仿真，包括概念设计、工程分析、成品定义及产品制造等［2］。

Workbench 是ANSYS 公司开发的新一代协同仿真环境，与传统ANSYS 相比，Workbench 有利于协同仿真、项目管理功能，可对复杂的几何模型进行高质量的网格划分，自带可定制的工程材料数据库，方便操作者进行编辑、应用，并且支持几乎所有的有限元分析功能［3］。

本文利用Catia 建立三维模型，导入到ANSYS Workbench 中，对水杯的跌落试验进行有限元仿真分析。分析水杯在自由落体碰撞的动态过程中所产生的应力，为水杯的设计、几何参数、材料厚度等提供参考。大大地缩短产品的研制周期，降低研发费用。

2 Catia 三维建模

水杯外壁多为金属材料，有很好的延展性和强度，使水杯跌落时不易碎裂。内壁多为隔热保温的陶瓷材料，这样避免了金属材料强的传热性，当杯中盛装热水时不易烫手，且保温时间更长。本文建立的三维模型的几何参数如表1 所示，对水杯在距离地面1 m 的高处自由落体碰撞模拟仿真。

在Catia 机械设计—零件设计模块中建模分析与注意事项:1)内外壁具有不同材料，应在不同几何体中分别建模。2)外壁轮廓旋转处理，内壁旋转后进行抽壳处理。3)复制外壁的草绘图粘贴到内壁的几何体中，对草图添加约束和修改实现内壁的建模。

水杯的三维模型如图1 所示。为了便于观察，设置内外壁颜色和透明度。将模型另存为.igs 格式，为导入Workbench 软件做好准备。

表1 水杯的几何参数

3 显示动力学分析模块

Explicit Dynamics 是Workbench 的显示动力学分析模块，主要基于Autodn 产品的拉格朗日算子部分，是workbench 界面下新的显示计算软件，可充分利用workbench 快速高效的前处理技术，能更方便地实现与其他模块数据共享，实现如电子产品跌落、高速冲击碰撞等显示动力学分析问题［4］。因此，我们选用Workbench 软件工具箱中的Explicit Dynamics 模块来进行跌落碰撞分析。

3.1 定义材料属性

在Engineering Data 中选择三维模型的材料，Workbench 自带了材料库，也可自定义材料。本文选用Workbench 自带材料库中的AL2O3CERA(陶瓷)材料和Aluminum Alloy(铝合金)材料。地面的材料在Engineering Data 中自定义，地面材料属性如表2［5］所示。

表2 地面材料属性

3.2 导入模型

在Geometry 下导入三维模型，并进入Geometry，设计树中显示冻结状态的3 个parts 3 个bodies，为实现动力学分析，内外壁材料不同，在分析过程中二者具有拓扑关系，在划分网格时应有体现，内外壁划分网格的节点是相连接的。将内外壁解除冻结并组成一个新的Part，则模型变成2个parts 3 个bodies，如图2 所示。

3.3 前处理

3.3.1 赋模型材料

进入Model，忽略地面变形量，观察水杯碰撞变形和应力情况。给地面赋自定义dimian 材料，设置为刚性体，可减少计算机计算的时间;给水杯外壁赋Aluminum Alloy 材料;给水杯内壁赋AL2O3CERA 材料。

3.3.2 接触处理地面和外壁间是相切的，导入模型后，Workbench 默认他们之间不允许面或线间有相对滑动或分离［4］。根据水杯与地面碰撞的实际情况，定义接触。

3.3.3 网格划分

Workbench 具有强大的划分网格功能，可控制网格的大小和形状。网格划分的越小计算的精确度越高，但会大大延长计算时间，计算时间取决于模型中最小单元的尺寸，因此要控制好单元的划分［6］。相关度设置为0，相关中心设置为Medium，进行网格划分。在水杯和地面的接触部分，因碰撞接触产生应力，要对内外壁进行网格细化，控制网格大小为2 mm，生成11 049 个节点，38 765 个单元。水杯网格剖面图如图3 所示。

3.4 边界条件的约束

在碰撞中地面视为刚体，不发生位移变化，添加固定约束。

水杯初速度的设置:

1)模型建在离地面1m 的高处，初速度设为0 m/s。

2)模型与地面相切，初速度设为4.427 m/s。

鉴于Workbench Explicit Dynamics 模块基于Autodn 产品的拉格朗日算子，综合考虑计算时间，本文选用第二种方法建模设置初速度，设定分析时间为0.000 25 s。

3.5 求解

水杯碰撞前后系统内外壁的应力云图，如图4、图5 所示。系统的最大位移云图，如图6 所示。

4 水杯与地面成角度碰撞分析

在现实生活中，水杯与地面发生碰撞多是成一定角度的。建模分析求解过程与上文类似，分析水杯与地面成60 度的倾斜角碰撞的情况。

5 结论

水杯与地面垂直碰撞、水杯与地面成60°角碰撞的参数对比，如表3 所示。

表3 碰撞完成参数对比表

水杯内外壁陶瓷和铝合金在垂直碰撞过程中所产生的应力都在各自的许用应力范围之内，水杯表面几乎无凹坑，没有发生破坏。但是，在与地面成一定角度时，碰撞过程中最大位移和最大应力都大大的增加，超出许应应力范围，会有凹坑出现，破坏严重。这与现实情况相符，垂直碰撞为面接触，成角度碰撞则为点接触，接触面积减小，应力位移就会增大。则证明本文的仿真过程是正确的。

本文为产品的碰撞仿真分析提供了一个思路，并且解决了不同材料间具有拓扑关系的有限元网格划分。在产品的开发设计中，利用三维软件CATIA 进行实体建模，ANSYS Workbench 模拟仿真，厂家不用再做产品破坏试验，减少实验次数，缩短产品研发时间，本文为厂家提供一定参考，在现实中具有重要意义［8］。

［1］ 韩春晓，付芸.基于ANSYS Workbench 的镜头跌落仿真分析研究［J］.长春大学学报，2013，23(2):149－150.

［2］ 胡友安，梁国涛，李慧贤.基于ANSYS Workbench 的客车座椅滑轨接触有限元分析［J］.中国工程机械学报，2013，11(5):421－422.

［3］ 吕建国，康士廷.ANSYS Workbench 14 有限元分析自学手册［M］.北京:人民邮电出版社，2013.

［4］ 买买提明－艾尼，陈华磊.ANSYS Workbench 14.0 仿真技术与工程实践［M］.北京:清华大学出版社，2013.

［5］ 董银飞.汽车复合材料吸能装置设计与仿真方法研究［D］.山东:山东理工大学，2014.

［6］ 陆爽，孙明礼，丁金福，等.ANSYS Workbench 13.0 有限元分析从入门到精通［M］.北京:机械工业出版社，2012.

［7］ 崔占全，孙振国.工程材料［M］.第二版.北京:机械工业出版社，2007.

［8］ 汪洪雷.多工况下汽车驱动桥桥壳静力学有限元分析［J］.汽车实用技术，2011(9－10 期合刊):14－15.