转台U形框CAE仿真建模及力学性能研究

喻杰勇 陈庐彪 陈世炉 陈盼盼

(中国船舶工业第六三五四研究所，九江，332000)

为在转台设计过程中了解结构的力学性能是否满足使用要求，一般情况下都是通过在CAD设计软件（Pro/E、CATIA、UG等）中建好三维模型，然后将三维模型保存为中间格式，并借助 ANSYS或者ABAQUS等通用有限元软件对结构进行力学仿真分析。通过这种方式尽管省去了在力学仿真软件（ANSYS或ABAQUS）中建模这一步骤，然而在仿真过程中我们一般也只能使用 solid45等实体单元，在力学分析时仅仅只能对该固定模型（相对于参数化模型）进行分析。虽然通过计算结果可知能否满足力学性能要求，但对进一步结构参数优化有一定的限制。鉴于此，本文利用beam188、beam44梁单元，以U形框为研究对象，在ANSYS经典版本中利用APDL命令流对U形框进行建模、仿真，并与传统分析方法做一个对比。

1 研究对象及其载荷组合

选用型号三轴位置速率转台主要参数：转台台体为U-O-O框架结构；负载安装面要求平面度0.02 mm，材料为超硬铝；负载质量为45 kg；最大角加速度外环 100°/s2、中环 200°/s2、内环 250°/s2。台体框架结构为铸件，材料为ZL201。将中环U形框隔离出，以其为研究对象，研究U形框在负载作用下结构的刚度等力学特性，主要载荷及说明如表1所示，外形图见图1。

表1 U形框主要载荷及说明

图1 三轴速率位置转台外形图

转台分为停机状态、带负载平稳速率状态、带负载最大角加速摇摆工作状态三种工况，它们分别对应三种不同的载荷组合，如表2所示。为了验证基于ANSYS APDL下对转台结构力学分析的可行性与适用性，本文将分别就转台三种不同工况对U形框进行力学分析。

表2 载荷组合

2 力学模型建立

2.1 传统力学模型

在有限元建模的过程中，采用了solid45实体单元，该单元可以很好的模拟结构受压、受拉和力矩的作用。U形框架采用的材料是铸铝，模型中材料的弹性模量E=70 GPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=2.7 g/cm3，Pro/E中U形框三维模型如图2所示。

图2 U形框三维模型

为了提高计算效率，对U形框结构做部分简化，去除一些非主要的不承重部位和安装孔，将模型保存为“ .x_t ”中间格式，导入到ANSYS workbench 中，对U形框划分网格、加载、边界条件处理，其力学模型如图3所示。

图3 U形框力学模型（传统CAD建模）

2.2 基于ANSYS经典版本APDL参数化建模

有限元计算模型的单元类型采用三维梁单元beam188、beam44和集中质量单元mass21，定义的材料参数如下：

et,1,beam188 ！定义单元类型

mp,prxy,1,0.3 ！定义材料泊松比

mp,ex,1,7e4 ！定义材料弹性模型

mp,dens,1,2.7e-6！定义材料密度

通过对模型的简化（去除螺纹孔及其它安装光孔），利用ANSYS中自顶向下建模思路，通过节点和截面的定义、单元的联接，建立U形框有限元模型。考虑到在ANSYS库内没有标准的与U形框相对应的截面，并且考虑结构上的纵筋是不可以简化的（因为它是影响结构刚度的重要因素），因此本文自定义截面来模拟U形框的截面。图4是U形框自定义截面中的一个截面外形，定义好之后将其保存在计算机工作目录中。图5是U形框有限元模型。

自定义截面网格划分：

mshkey,1

mshape,0,2d

allsel

amesh,all

secwrite,jm1,sect,,1

图4 自定义截面形状

图5 U形框有限元模型

考虑到实际边界条件是对 U形框下部整个凸台进行部分自由度的约束，本文通过beam44单元模拟凸台结构，将凸台与U形框上凸台区域的节点刚性连接。

定义凸台

边界条件的定义如表3所示。表中UX、UY、UZ分别表示沿X、Y、Z方向的平动自由度，ROTX、TOTY、ROTZ分别表示绕X、Y、Z的旋转自由度；其中：1表示约束、0表示释放。其力学模型如图6所示。

表3 边界条件的定义

图6 U形框力学模型（APDL参数化模型）

3 计算结果和分析

图7～图9描述了结构在表2所述的三种不同工况下、两种不同分析方法U形框的位移云图。可以看出：在CAD辅助建模下，三种不同工况U形框最大位移分别为0.004 0 mm、0.019 7 mm、0.025 mm；基于ANSYS APDL参数化建模，通过前处理、加载、求解、后处理，三种不同工况 U形框最大位移分别为0.003 5 mm、0.019 2 mm、0.021 mm，位移云图分布一致。通过简化，U形框实质上等效于一个悬臂梁，最大位移出现在梁端，与实际符合。两种结果对比表明：如果不关心结构局部力学特性，分析类似问题可以采用梁单元来模拟结构受力状态，结果相对误差不大、位移云图分布一致。

图7 转台停机状态下位移云图

图8 带负载平稳速率状态位移云图

图9 带负载最大角加速度摇摆状态位移云图

4 结论

U形框刚度对转台的回转精度、位置精度有很大影响。但是考虑到经济效益，不可能把结构做的非常笨重，因此对结构优化很重要，包括优化结构的外形和板厚。为了验证利用APDL参数化建模对转台结构力学分析的适用性，基于转台三种不同工况下，通过对比APDL参数化建模的U形框力学特性与传统分析方法的分析结果，计算误差在允许范围内，云图分布一致。通过本文分析，为后续研究者研究类似问题提供了一种研究思路：利用APDL命令流建立参数化模型，设置板厚、影响外形的尺寸等敏感变量、设置约束条件（结构的刚度变化范围）及目标函数（结构的自重），对结构进行优化设计。

参考文献：

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