机械手静力分析案例
这个案例演示ANSYS WORKBENCH 14.0机械设计模块中静力分析模块，通过对一个焊接机器人手臂模型进行模拟其工作状态下的受力分析来演示此模块的功能。
1.5.1案例介绍
此次使用某焊接机器人回转手臂模型进行静态力学分析。通过施加一个拉力模拟其回转时外部零件对其产生的应力效果以及一个重力。同时通过加细应力相对集中区域的网格来增加应力计算的精度。
1.5.2导入模型
(1) 首先打开ANSYS WORKBENCH 14.0 。单击Toolbox（工具箱）→Static Structural（静力分析模块）。开始此次分析过程。如图-1所示。
图-1 打开静力学分析模块
图-2 导入模型
（2）在材料属性定义方面，由于此次仅仅是对ANSYS WORKBNCH 14.0进行操作演示，故暂不修改，而使用默认的“不锈钢”材质的材料参数。
（3）下面导入模型文件。双击项目A3项进入DM模块。
（4）进入DM模块后单击菜单栏上的File（文件）→Import External Geometry File（输入模型文件）。如图-2所示。
（5）找到模型文件后单击→单击“打开”按钮。如图-3所示。
图-3 打开模型文件
图-4 刷新模型文件信息
（6）模型导入DM模块后会在其Outline（分析树）产生一个Import 1 的图标。
在图标前方有一个小的黄色闪电符号，这说明这里的信息需要更新，向上单击Generate（刷新）按钮。 如图-4所示。
（7）经过几分钟后，模型刷新完毕。如图-5所示。
图-5 导入后的模型
图-6 保存并退出DM模块
（8）完成模型文件导入后我们保存项目文件并退出DM 模块。
单击File（文件）→Save Project （保存项目文件）如图-6所示。这时程序会自动弹出一个“另存为”对话框。如图-7所示。
在合适的文件夹处将此次分析的项目文件命名为“1”→单击“保存”按钮。然后回到DM模块继续单击File（文件）→Close Design Modeler（关闭Dm 模块）。如图-6所示。
图-7 保存项目文件
图-8 划分网格
1.5.3划分网格
（1）回到项目管理区。双击A4 项Model（网格）。如图-8所示。
（2）在机械设计模块开启过程中程序会自动出现 Attach Status（连接状况）对话框显示运行进度。此为自动执行过程，不需要其它操作。当连接执行完毕后此对话框也会自动消失。如图-8所示。
图-8 连接状况
图-9 自动划分网格
（3）进入机械设计模块后我们首先执行自动化网格划分。通过查看网格质量以及数量来决定是否进行网格控制操作。
单击Outline（分析树）→Mesh（网格）→Update（刷新网格）。如图-9所示。
（4） 大约10分钟后网格划分完毕。如图-10所示。
由此可见，由于模型曲面较多，自动化的网格划分较为粗糙。这里使用边线网格控制功能。
单击Details if “Mseh”（网格的详细信息）→Use Advanced Size（先进网格尺寸控制）→下拉菜单里面选择第二项On：Proximity and Curvature（在边及线上）。如图-11所示。
然后单击
注意：使用此种网格控制会极大的增加网格的数量，同时带来分析规模的大幅度增加。如果模型较为复杂或者零件较多，建议使用尽量高级的电脑。
图- 10自动划分后的网格
图-11 使用网格控制
（5） 执行网格划分操作时程序会自动出现ANSYS Workbench Update Model Status（网格刷新情况）对话框，显示并可监视网格划分的进度。在网格划分完毕后其回自动消失。
图-12 网格刷新情况
图-13 划分后的网格
（6）图-13为网格划分后的情况，对比第一次图10的网格，此次更加细致并相对更为规整，基本都是四面体网格。当然网格数量也随之大幅度增加。单击Details of “Mesh”（网格的详细信息）在最下面的Statistics（网格统计）里面可以看见此次节点数暴增至2222384个，单元数1455163个。大约145万节点需要相当多的运算时间。如图-14所示。
图-14 网格的详细信息
图-15 施加固定位移约束
1.5.4施加约束及荷载
（1）首先施加一个固定位移约束模拟模型底部固定时的状态。
单击Outline（分析树）→Static Structural （A 5）→Supports（支撑）→Fixed Support（固定位移约束）→回到模型空间在下方圆环面上单击。如图-15所示。
（2）回到Details of “Fixed Support”（固定位移约束的详细信息）在→Geometry（模型）中单击Apply（确定）按钮。如图16所示。
图-16 确定约束面
图-17施加力荷载
（3）单击Loads（荷载）→Force（力）→回到模型空间单击上方相对较小圆环面。如图-18所示。
（4）回到Details of “Force”（力荷载的详细信息）→Geometry（模型）→单击Apply（确定）。如图-19所示。
（5）向下在Magnitude（数量）里面输入1000牛顿。如图-20所示。
图-19 确定荷载施加面
图-20 设定荷载的大小
（6）再向下回到图-19的Direction（方向）单击以下然后回到模型空间单击其上方的小圆环面这时程序会自动在被选择面出现向外的红色圆柱状箭头预览力的方向，由于实际的力的方向为向模型外侧我们需要更改一下方向。
（7）在模型空间左下角的红黑双色箭头处单击右边的黑色箭头会更改力的作用方向，如图-21所示。
（8）更改后的荷载方向如图-22所示。再回到Details of “Force”（力荷载的详细信息）单击Direction（方向）右边的Apply（确定）按钮。如图-20所示。
图-21 更改前的方向
图-22更改后的方向
（9）下面施加重力加速度荷载，模拟其受到的重力作用影响。单击Inertial（加速度）→Acceleration （加速度）。
注意：由于每次模型建立时候的坐标方向不同，笔者每次都是使用Acceleration （加速度）功能并且输入当地重力加速度值来模拟重力加速度。如果模型建立时统一成其重力方向与系统坐标轴方向一致，这里也可以直接单击Standard Earth Gravity（地球重力）按钮。
同时，在各个版本的ANSYS中施加的重力加速度的方向与其产生重力效果的方向是相反的，故当需要模拟向下的重力时，在程序中的箭头方向应该是向上的。
图-23 施加加速度荷载
图-24 输入加速度的值
（10）在Details of “Acceleration”（加速度的详细信息）中的Magnitude（数量）里面输入9800。然后单击下面黄色的Direction（方向）这时需要设定重力加速度的方向。如图-24所示。
（11）回到模型空间单击下部突台面，会出现向上的红色圆柱状箭头。图如-25所示。
图-25设定加速度的方向
图-26确定方向
（12）在Direction（方向）右边单击Apply（确定）。以完成对等效工作力荷载以及机械手臂自身重力荷载的加载过程。（13）图-27为施加后的重力加速度的方向。
图-27 加速度的方向
图-28变形结果后处理
1.5.5求解及后处理
（1）我们需要获得总的以及三个方向上的变形结果同时输出等效应力结果。
首先单击Deformation（变形）→Total（全变形）并且连续单击三次Directional（方向）。如图-28所示。
（2）由于我们需要分别输出X、Y、Z三个方向上的变形在连续单击三次Directional（方向）程序会默认为X Axis（X轴向结果），我们需要分别设定Outline（分析树）→Directional Deformation 2以及Directional Deformation 3中的Orientation（方向）下拉菜单中分别选定Y Axis（Y轴向结果），Z Axis（Z轴向结果）。如图-29所示。
其中X、Y、Z方向遵循预先设定的局部坐标系或者系统坐标系。系统坐标的方向如图-30所示。
图-29 设定变形输出方向
图-30 系统坐标轴
（3）下面输出等效应力结果。单击Stress（应力）→Equivalent （等效应力）。如图-31所示。确定各个参数输入正确后单击
图-31 等效应力结果
图-32 求解进度
（4）在计算机求解过程中程序会弹出 ANSYSWorkbench Solution Status（ANSYS求解进度）对话框。显示求解进度。如图-32所示。由此可见，CPU以及内存使用都接近满负荷。
注意：新版本的ANSYSWORKBENCH 14.0 相对稍微老一点的12.1版此处有个改进。原来12.1版的对话框仅仅有Stop Solution（停止分析）按钮，14.0新版增加了一个Interrupt Solution （暂停分析）按钮。这样我们可以在求解过程中暂停分析。但是在划分网格时弹出的进度对话框中没有此暂停功能。
（5）求解结束后，单击Outline（分析树）→Solution Information（分析信息）在右边的Worksheet（工作表）下拉到最下方可见，此次分析使用了1727秒完成，接近半个小时时间。如图-33所示。
图-33 分析时间
图-34 全变形结果
（6）下面察看分析结果。单击Outline（分析树）→Total Deformation（全变形）。可见变形为0.31886毫米。如图-34所示。
同样操作可见X方向变形为0.31674毫米，对比全变形的0.31886毫米，可见其X方向变形在整个中所占比例很大，这时由于施加的等效工作荷载1000牛为 X方向所致。
图-35 X方向变形
图-36 Y 方向变形
图-37为Z方向的变形结果，变形的数值为0.011488毫米。相对较小。
图-37 Z方向变形
图-38 等效应力
图-38为等效应力结果。其数值为42.421兆帕。我们对此应力较为感兴趣，由于有限元分析结果与网格密度相关，为了获得相对更为精确的应力结果我们尝试使用细化网格的网格控制方法。
注意：网格的细化不是提高分析精度的决定性因素。并且过于细化的网格有时甚至会导致错误的结果，请用户辩证判断。
（7）单击Outline（分析树）→Mesh（网格）→Mesh Control（网格控制）→Refinement（细化）。然后回到模型空间选定应力集中区域的曲面，由于曲面较多请先按住键盘Ctrl（控制）键并单击需要选择的面。如图-38所示。
注意：网格细化功能仅仅减小网格尺寸，对其规则性并没有实质性变化。
图-39为选取细化的面。我们要在左右两边同样位置执行同样的细化操作。
图-38 细化网格控制
图-39 选取目标面
（8） 我们可以设定网格细化的程度。单击Details of “Refinement”（网格细化的详细信息）中在Refinement（细化程度）后输入3。如图-40所示。
注意：Refinement（细化程度）共有1、2、3级，其中3级最细。
使用此功能会大幅度增加网格数量，同时带来运算规模的大量增加，故如果不是应力，变形等变化梯度较大或较为重要的区域，一般不需要使用3级细化网格控制。
图-40 细化设置
图-41 刷新网格
（9） 回到Outline（分析树）在Mesh（网格）下面出现了Refinement以及Refinement 2 两个图标。
回到模型空间放大细化的网格区域会发现，网格确实比其他区域更加细小。如图-42所示。
图-42 细化后的网格
图-43 网格统计
（10）单击Update（刷新网格）。此次需要更多时间。网格刷新后单击
（12）单击Details of “Mesh”（网格的详细信息）→Statistics（统计）中可以看出节点数为2580786个 ，单元数为1708677个，较第一次的数量大概增加了15%。而这仅仅是细化如此小范围呢的网格带来的增加。如图-43所示。
（11） 打开“任务管理器”查看运行状况。如图-44所示。
图-44 分析进度
图-45细化网格后的等效应力结果
（12）经过漫长的等待完成了分析。从等效应力结果的最大值上看起从42.421兆帕增大为42.462兆帕。 变化较小，说明网格已经足够细化，其尺寸大小对结果影响不大了。如图-45所示。
（13）查看第二次分析的求解时间。单击Outline（分析树）→Solution Information（分析信息）右边的Worksheet（工作表）最下方可见求解时间为2337秒，比第一次增多了大概30%，而网格数量仅仅增加了15%，这说明计算机遇到了性能瓶颈。
图-46 分析信息
图-47 求解时间
1.5.11保存并退出
（1）单击File（文件）→Save Project（保存项目文件）→Close Mechanical（关闭机械设计模块）。如图-46所示。
图-46 保存项目文件
图-47 退出程序
（2）回到项目管理区。单击File（文件）→Exit（退出）。退出程序，完成此次分析。
作者：刘笑天，仿真秀专栏作者。
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