基于Hypermesh和Workbench的钻机平台模态分析

李　茂，刘桓龙，于兰英，柯　坚

(西南交通大学机械工程学院，四川成都610031)



基于Hypermesh和Workbench的钻机平台模态分析

李茂，刘桓龙，于兰英，柯坚

(西南交通大学机械工程学院，四川成都610031)

利用Hypermesh中ABAQUS模板对复杂装配体进行网格自动划分，省略了ANSYS模板对格式转换的过程，随后导入到Workbench进行计算分析，得到了复杂装配体的静力、模态分析结果。联合仿真快捷高效，可以大幅减少产品开发的时间和费用。该方法也可用到其它有限元分析过程中。

有限元HypermeshWorkbench钻机平台模态分析

0　引言

有限元法作为一种数值计算方法，在工程分析领域中得到了广泛的应用。自20世纪中叶以来，它以独有的计算优势得到了快速地发展，已出现了不同的有限元算法，并由此产生了一批非常成熟的通用和专用有限元软件[1]。其中以ANSYS、Workbench、ABAQUS等优秀软件为代表，在国内得到了越来越广泛的应用。

一般来说，有限元分析80%的时间都用在有限元模型的建立和修改上。在现代机械研发中，有限元模型的网格越来越精细，规模越来越大，已从早期的单一零件分析发展到现在的大型装配体分析，而激烈的市场竞争迫使研发周期越来越短，结果越来越精确。单一的有限元软件绝不可能又快又好的完成这一任务，如何利用各个软件的优势进行联合仿真，提高精度和效率成为当务之急。本文以设计的钻孔平台为例，利用多个软件联合仿真，进行模态分析。

1 SolidWorks、ANSYS、Workbench、Hypermesh联合仿真基础

ANSYS进入中国市场较早，功能强大，应用领域广，是目前国内应用人数最多的有限元分析软件，然而学习使用该软件需要较多的精力和时间，其建模功能欠佳，建立复杂结构或装配体时十分繁琐。

SolidWorks软件功能强大，易学易用，使近年来成为使用较广的三维建模软件。现在SolidWorks已可以进行有限元结构、流体仿真，然而其分析精度有待商榷，并且ANSYS等软件进入中国市场较早已成为大部分国人的习惯，所以绝大部分人只用SolidWorks进行三维建模、出图，很少用其进行有限元分析。

Workbench是ANSYS开发的新一代系统仿真环境，具有复杂装配体接触关系自动识别功能，界面友好，人机交互能力强，操作简单，但网格划分功能较差。

对于复杂的模型，ANSYS、Workbench、ABAQUS等有限元分析软件虽然也具有网格划分功能，但其对划分网格的控制能力不强、速度较慢。在CAE分析中，网格划分的好坏对最终的结果影响极大。质量较差的网格会使结果产生较大的误差甚至无法收敛以致不能得出结果。

Hypermesh具有强大的网格划分功能，可以对划分的网格进行控制和优化，占用内存少，运行速度快，用户界面易于使用。它不仅可以读取step、igs、parasolid等中间转换格式的文件，还可以直接读取SolidWorks、Proe等建立的几何模型，从而能避免数据丢失或几何缺陷。另一方面，Hypermesh扩展了对已有的很多求解器的支持，如ANSYS、ABAQUS等，包括单元类型、求解方法和文件格式。这样就可以在Hypermesh划分网格后，直接把模型转换成不同的求解器格式文件，从而利用相应的求解器进行计算。

在有限元分析中，可以用Hypermesh划分网格，再将模型导入到Workbench中，通过Hypermesh和Workbench的联合使用达到事半功倍的效果。基于Hypermesh求解器模板及输出文件的不同，Hypermesh和Workbench的联合仿真有图1、图2两种方法。第一种方法必须在Hypermesh中定义单元类型和材料，并且还需要调用ANSYS经典转换格式，过程繁琐，这是目前使用较多的一种方法。第二种方法可以在人机交互界面比较好的Workbench中定义材料，并且不用ANSYS转换格式，Hypermesh划好网格后直接导入Workbench。相比较而言，第二种方法更加方便快捷。本文就采用第二种方法进行钻机平台模态分析。

图1　求解方法1

图2　求解方法2

2　模态分析理论简介

模态分析可用来计算结构的振动特性，即固有频率和振型。

无阻尼多自由度系统的自由振动微分方程为[2]：

(1)

式(1)对应的特征值方程为：

([K]-ω2[M]){q}={0}

(2)

式中：ω为系统的固有频率。

求解式(2)就可以得到ω和{q}，即系统的固有频率和主振型。

本文利用Workbench软件进行模态分析时采用的是Block Lanczos法，它是软件默认的求解方法，采用稀疏矩阵方程求解器。

3　三维建模和网格划分

3.1设备简介

1-钻机；2-钻机平台骨架；3-直线光轴；4-直线轴承；5-下骨架；6-电动缸图3　钻机平台

该设备是钻机安装平台，三维模型如图3所示，下骨架上安装了前法兰型电动缸，骨架四个角是塑料直线轴承光轴导轨副，起导向作用，可承受径向力和转矩。电动缸上部球铰于钻机安装骨架下面。钻孔机安装平台由电动缸推进，一次性钻多个孔。钻孔机安装平台以型钢为骨架，上面安装有一排相同间距的矩形空心型钢，钻孔机安装底板开有两道槽以安装螺栓，因此4个或多个钻孔机可在平台上实现XY位置无级调节，一次性钻多个孔。该设备大部分采用标准件，选型时采用了较高的安全系数，但仍需要进行强度、模态仿真分析。

3.2装配体模型的简化

图4　钻机平台简化模型

电动缸工进到孔顶部时，是最危险工况，此时电动缸起支撑作用，4个直线轴承承受径向力和转矩，以此工况进行分析。有限元理论证明对模型局部细节的简化并不影响整体仿真结果，并且有助于提高求解速度。所以把圆孔、圆角、倒角等小细节去掉。虽然Hypermesh可以简化模型，去除倒角、圆孔，但最好在三维建模时直接去除小特征，这样更加方便快捷。将其它辅助零部件简化，平台受电动缸支撑处、直线光轴受直线轴承约束处均使用位移约束。简化模型如图4所示。

3.3Hypermesh网格划分和清理

将step文件导入Hypermesh，进行拓扑检查， 清理自由边、T形边。影响计算精度的主要原因是网格质量，和网格形式关系不大。一般来说，结构网格比非结构网格收敛更容易, 能在较少网格的情况下得到较高的精度，更有利于计算机存储数据，然而在复杂装配体中结构网格划分困难。四面体自动网格划分可以快速自动生成网格，对于较复杂的模型，这种方法能很快且容易创建高质量的网格。虽然非结构网格划分得到的网格数较多，但在当今计算机性能日益提高的情况下，大数量的非结构网格仍可以快速的得出结果，得到的结果和结构网格相差无几。

网格的质量十分重要，质量不好的网格会使计算机求解时出现错误，故对划分好的网格要进行单元质量检查。在有限元模型中对于翘曲度、纵横比、扭曲角、雅克比等都有严格的限制，但是还是允许有一些不合格的单元，不过其与总单元的比例必须要低于某值[3]。

表1　零部件、节点、网格的数量

由表2可以看出，四面体自动网格划分得到的网格质量较高，尤其雅克比矩阵全部为1，达到理想状态，而如此快的速度和优秀质量用Workbench自动化分网格几乎是不可能的。

表2　网格质量

3.4模型输出

将Hypermesh划分好的网格模型输出为inp格式文件。

4　Hypermesh和Workbench联合仿真

4.1模型导入

打开Workbench界面，拖入Component中的Finite Element Modeler模块，通过add input mesh输入inp文件。这样在Hypermesh中划分好的网格便导入到Workbench中[4]。Finite Element Modeler模块无法进行特征编辑，只能识别多数基本特征，分割面特征无法识别。加载载荷的面可用一个小凸台代替。

4.2模块耦合

本文为预应力模态分析，必须先进行静力分析，得出的结果作为模态分析的参数。先在Finite Element Modeler中生成三维几何模型。再与Static Structural连接。注意这里也可以用Static Structural(ABAQUS)(Beta)模块做有限元分析，但必须安装ABAQUS软件。模态分析模块耦合与此类似。

4.3定义材料、接触、载荷、边界条件

图5　载荷、约束施加图解

钻机设备各零部件材料及其参数见表3所示。本设备是用螺栓连接、焊接方法将安装平台各个零部件连为一体的，虽然Workbench中有点焊(spot weld)、螺栓预紧载荷(bolt pretension)模拟，但设置求解繁琐复杂。本文重点是对钻机安装平台除螺栓外的整个模型进行分析，就可以不用考虑螺栓的接触及预紧力等情况[5]。所以对螺栓连接、焊接部位用绑定接触(bonded)模拟，实际上在这些地方变形极小，在工程应用中设备多是因为塑性变形大而不能使用，极少是因为螺栓断裂、焊缝裂开。根据计算所得，工进钻孔时钻具受轴向力为1 060 N，根据工作经验，一般钻具所受反作用力矩为40 N·m。钻具所受轴向力和反作用力矩主要影响因素有钻具大小、钻具锋利程度、钻具旋转速度、工进速度、混凝土硬度、冷却液等。其实际情况是极其复杂多变的，只能通过有限的理论和经验来确定。直线轴承处使用位移约束限制XY位移。载荷、约束施加如图5所示。

表3　各零部件材料

4.4静力分析

图6　总变形图解

仿真计算可得位移、应力、应变结果见图6-图8。

结果显示最大变形量为0.03 mm，并且主要是钻机受压力产生的向下位移，对钻孔精度和质量影响较小，

图7　应力图解　　　　　　图8　应变图解

最大应力14.33 MPa，远小于相应材料屈服强度，最大应变0.007%。由此可知本设备的钻机安装平台完全满足强度要求。

4.5模态分析

在理论与实践中均发现，结构的低阶模态对结构的振动影响较大，在进行结构模态分析时，常常只需要知道前几阶固有频率和振型，而不必求出全部固有频率和振型。所以在本次计算中只提取了前10阶模态。

振型的大小只是一个相对的量值(位移相对值)，它表征的是各点在某一阶固有频率上振动量值的相对比值，反映该固有频率上振动的传递情况，并不反映实际振动的数值[6]。

表4　计算结果

图9-图14给出了第1阶到第6阶频率下对应的振型图。通过振型图可以看出H钢骨架四周边缘或对角易产生变形，是钻机平台的薄弱环节，然而H钢翼缘若焊接肋板容易产生热变形，并且此处不是设备承载的关键部分，所以此处的变形可以忽略。钻机平台的关键部位矩形管、钻机、直线光轴变形不大，符合设备设计要求。

图9　第1阶振型　　　　　图10　第2阶振型

图11　第3阶振型　　　　　图12　第4阶振型

图13　第5阶振型　　　　　图14　第6阶振型

5　结束语

本文通过对多个软件的学习分析，充分利用了各个软件的优点，扬长避短。用Hypermesh中ABAQUS模块对模型进行网格划分，再导入到Workbench中定义材料、接触、约束、载荷，得到了钻机平台的静力、模态分析。通过联合仿真提高了速度和精度，并为其它有限元分析提供借鉴。

[1]陆爽，孙明礼，丁金富,等. ANSYS Workbench13.0有限元分析从入门到精通[M].北京：机械工业出版社，2012.

[2]舒彪，喻道远，王灯,等.采用 UG、HyperMesh 和 ANSYS 的齿轮轴模态分析[J].现代制造工程, 2012(2)：71-73,121.

[3]王磊,吴新跃.基于Hypermesh 和 ANSYS 的轮胎式联轴器的强度分析[J]. 机械工程师, 2011(12)：47-49.

[4]朱峰，李书晓.基于Hypermesh和Workbench的排气系统模态分析[J].机械工程与自动化, 2014(1)：62-64.

[5]熊珍兵,罗会信.基于HyperMesh的有限元前处理技术[J].排灌机械, 2006, 24(3):35-38.

[6]袁安富，陈俊.ANSYS在模态分析中的应用[J]. 中国制造业信息化, 2007，36(11):42-44.

Modal analysis of the rig platform based on Hypermesh and Workbench

LI Mao, LIU Huanlong, YU Lanying, KE Jian

In this study, we used the ABAQUS template in Hypermesh to automatically draw the grid for a complex assembly, which replaced the format conversion process in ANSYS. Then we used Workbench for calculation and analysis, and obtained the static and modal analysis results of the complex assembly. Such method is fast and efficiency, and can greatly reduce product development time and cost. It can also be applied to other finite element analysis projects.

finite element，Hypermesh，Workbench，rig platform，modal analysis

TP391.7

A

1002-6886(2016)04-0013-05

李茂(1988-)，男，硕士研究生，研究方向机电液一体化、流体传动及控制。

2015-08-26