大型复杂机构的CAE分析方法

文/李妍姝

大型复杂机构的CAE分析方法

文/李妍姝

本文针对大型复杂机构的有限元分析问题，提出了通用问题的分析流程，列举了分解功能模块的依据及分析处理的手段，并归纳了分析复杂结构时所用到的常用单元的具体使用。该方法使用两种有限元软件进行分析并对比结果，仿真机构的固有模态，并提出通用的避免共振的改善措施。

有限元 复杂机构 MPC 超单元 模态分析

1 复杂机构的CAE分析方法

1.1 复杂机构CAE分析流程

复杂机构CAE分析流程如下：

（1）确定工程问题；

（2）建立CAD模型；

（3）模块分析并确定分析方案；

（4）建立CAE模型并确定高级分析模块；

（5）用至少2种分析软件得到结果；

（6）对比2组结果的正确性；

（7）提出改善措施；

（8）分析改进后方案选取最优方案。

1.2 复杂机构模块分解

1.2.1 机构部分模块分解

在CAE分析时，可将复杂机构根据工作状态分为若干模块。可将复杂机构分为通用部分和关键特殊部分。通用部分包括：箱体、机架、轴类部件、齿轮部件、凸轮部件、链轮部件、连杆部件以及其他附件；关键特殊部分则为特殊机构的非通用零件。对于非通用零件可特殊问题特别分析，分解为合适的模块并为其挑选合适的单元。

1.2.2 连接部分处理方式

机构的连接方式也决定了CAE模型的处理方式。常用部件连接方式及处理方法如表1所示。

1.3 常用单元介绍

表1：部件连接方式及处理方法

1.3.1 壳单元

壳单元是用有限元法对薄板件进行分析时常采用的单元，在有限元分析中，长宽尺寸远大于厚度尺寸的薄板件适用于壳单元。通过模拟计算可知，对于薄板件，当满足厚度：长度：宽度小于1：10：10时，使用壳单元进行简化分析是合理的。

1.3.2 梁单元

梁单元是用有限元法对细长件进行分析时最常采用的单元，梁单元可以模拟界面尺寸远小于长度尺寸的构件。一般当杆件两制成的间距大于横截面尺寸的3%-5%时，可采用梁单元模拟。

1.3.3 MPC

MPC也称为多点约束方程，常用来连接不连续、自由度不协调的单元，在连接边界上的节点不必完全对应。MPC多点约束可用于以下几个方面：a、描述非常刚硬的结构单元；b、在不同类型的单元间传递载荷；c、任意方向的约束；d、刚性连杆。

1.3.4 超单元

超单元也称为子结构，适用于求解大型问题，超单元分析主要是通过把整体结构分化成很多小的子部件来进行分析，即将结构的特征矩阵(刚度、传导率、质量、比热、阻尼等)压缩成一组主自由度。使用超单元可以明显节省机时，对于复杂机构，还可以建立多级超单元，即在生成超单元时，生成部分的其中一个单元可以是以前生成的超单元。

2 复杂机构的模态计算

常用CAE分析软件的结果都包括如下功能演示：固有频率、已扩展的振型和相应的应力分布，均可用彩色云图、矢量图和列表来显示。由于复杂机构不可能应用简单的力学公式直接计算，如果将其简化为通常的板壳结构，则其内部结构的作用将被忽略，难以真实地再现系统的全貌，因此可以将其结构离散化，继而进行全面系统的分析。由于限元分析软件多为黑箱操作。在完成建立模型、设定载荷、定义边界条件后，由软件完成计算，给出计算结果。操作者难以单纯通过一种软件证明结果的正确性。因此，在CAE分析过程中，为验证结果的准确性，需要使用多个软件对结果进行比较，判断仿真精度。

3 通用改善措施

通过上述仿真结果，CAE分析平台可对比外界激励频率判定是否会发生共振。通用的避免共振的改善措施有：

（1）保持原结构的基础上加厚箱体或机架提高总质量；

（2）添加加强筋以增加系统刚度；

（3）增加连接条以加强振动变形显著位置的刚性。

之后再对改进后的机构进行仿真模拟，对比不同改进方案的振型、频率变化情况，验证方案是否可行。最终以经济性为标准，衡量各种方案的优劣。

4 小结

本文概述了大型复杂机构的CAE分析流程、分析方法，为日后大型复杂设备的CAE分析平台做好了准备工作。

[1]韩克平,李平.基于ANSYS环境下结构的模态分析[J].内蒙古农业大学学报,2002(09)：19-24.

[2]程凯.复杂机构的CAE分析方法研究[D].天津：天津大学,2007：18-24.

[3]黄华.精梳机支承结构系统的动力学性能分析[D].上海：东华大学,2011：46-58.

作者单位 山西大同大学机电工程学院 山西省大同市037000

李妍姝（1987-），女，山西省人。毕业于东华大学，工学硕士研究生。现任山西大同大学机电工程学院助教。研究方向为机械设计及理论。

●基金：“大同市平台基地项目”（项目编号：2017159；项目名称：大型机电装备CAE仿真分析平台）。