仿真笔记——大型装备企业CAE仿真工程师都在做哪些仿真？

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本文摘要：（由ai生成）

CAE技术在大型装备设计与制造中至关重要，通过仿真分析提升设计速度、降低成本并增强可靠性。该技术能预先发现潜在问题，优化方案，减少原材料消耗，精确预测性能，缩短上市时间，降低试验费用。同时，CAE技术还用于机械事故分析，保障产品质量。在刚度、强度、抗震、热应力分析等方面，CAE技术发挥关键作用，是现代工程设计与制造中的关键工艺规范。

CAE技术得到国内外各大科研院所和公司的广泛应用，在提高产品质量和建立产品开发能力方面，提供了极大帮助。CAE技术可以为大型装备的设计与制造提供涉及流场、结构、热、冲击碰撞、爆炸等各种分析仿真功能，改善了产品质量、加快研发历程，并可以取得良好的经济效益。CAE技术对重大装备的设计及制造的作用是明显的。其作用包括：

提高设计速度，减少设计成本；
增加产品和工程的可靠性；
在产品的设计阶段发现潜在的质量问题；
经过分析计算，采用优化设计方案，降低原材料的消耗或成本；
经过分析计算，能够精确的预测出产品的性能，并优化重大装备的操作性能，降低操作能耗；
缩短产品投向市场的时间；
模拟试验方案，减少试验次数，从而减少试验时间和经费；
进行机械事故分析，查找事故原因。
在精确的分析结果下制造出高质量的产品

因此，在国内外的大型装备设计与制造中，CAE已经作为产品设计与制造流程中不可逾越的一种强制性的工艺规范加以实施，在生产实践作为必备工具普遍应用。主要应用在如下几个方面：

1 大型装备的刚度、强度分析

刚度和强度分析作为装备设计和制造的基础，需要经常计算分析，包括各种零部件的刚度、强度分析，以及装备整体的刚度强度分析。而随着大型装备的复杂性的提高，以及工作环境的多变，大量的计算不得不借助于CAE技术来辅助。以ANSYS Mechanical为平台，分析各种大型装备总体结构及其零部件在自身重力载荷、恒定工作载荷等的(共同)作用下的变形特点和变形值、应力分布等，在此基础上进行改进，从而避免某些局部由于过大的应力集中而损坏。

2 大型装备的结构抗震与振动性能分析

大型装备在工作过程中通常会承受各种各样的动力载荷，比如，挖掘机挖掘过程中的瞬态冲击、工程机械在复杂施工条件下的运行等。同时，大型装备由于体积和质量都较大，往往都是直接固定在地面上。在装备运行的过程中，如果设计不好。将会有大量的振动和噪声产生。同时，由于大型装备通常需要连续不断的工作，还必须保证结构的抗震性能。采用ANSYS Mechanical的动力分析功能，可以定量地确定大型装备总体结构及其零部件能否承受这些冲击载荷、承载寿命是多少等。同时，ANSYS Mechanical的谐波响应分析、单点和多点响应谱分析、随机振动分析等动态分析功能可以以非常简便的方式来计算出整个结构在上述激励载荷作用下的响应问题。

3 大型装备的热及热应力分析

大型装备在设计、制造、运行过程中，热问题是比较严重的，这种温度分布直接影响到机械的结构力学性能。利用ANSYS的热分析模块和流体力学分析模块，可以全方位计算设备的温度场分布，再利用前面的结构分析功能，就可以计算在这种温度分布下，结构的所有力学特性（变形、应力、寿命等）。通过热分析与结构力学分析功能的直接耦合，以及ANSYS的单元生死特性，可以仿真焊接过程，可以得到焊接过程的温度分布、应力分布、结构变形以及焊接完成并冷却后结构的残余应力和残余变形，这对于确定焊接件的工作范围、优化焊接工艺等都具有直接的指导意义。

4 大型装备的减重优化

对于大型装备产品设计，经常给人的“傻、大、黑、粗”印象，可以利用CAE的优化设计功能（形状优化设计和拓扑优化设计）来改变。拓扑优化设计用在新产品的概念设计阶段，根据产品或构件的工作条件（载荷、与其它部件的连接等），可以用此功能设计出最佳的产品拓扑外型；形状优化设计用于初始设计阶段或改型设计阶段，它根据用户的要求（如最大应力不能超过多少、寿命不能低于多少、尺寸不能小于或大于多少等）自动改变结构尺寸（如壁厚、倒角半径、孔的半径和位置等），使得所关心的量达到最佳值（如重量最轻、体积最小、应力分布最均匀、寿命最长等）。综合利用这两种优化设计手段，可以全面改观所设计的机械产品。

下面是对某挖掘机动臂进行减重优化设计的效果：

问题提出：对于挖掘机，动臂的机械性能关系到整机的工作能力，在保证动臂的机械性能的前提下，减少动臂的重量有助于降低生产成本，优化设计。

优化目标：动臂重量

设计变量：动臂结构几何尺寸（共计70）

性能约束：结构强度（应力）、结构刚度、几何相关性

优化结果：动臂减重约40Kg，减重效果约为3%。

5 大型装备的运动及控制分析

大型装备是由大量的零部件装配而成。大型装备的正常工作需要设计到各个零部件之间的配合以及各种传动及控制。

首先，进行了链轮在三种工况下的刚体运动学分析，获得链轮扭矩、轮齿啮合力和链环连接力，并对比计算了不同间隙配合下链轮的运转平稳性。其次，对链轮进行多柔体瞬态动力学分析，获得轮齿动态受力特性及应力应变情况，柔体分析的链窝应力与刚体分析的轮齿接触力分布是一致的。最后，进行了链轮链条接触非线性分析，对链轮5个尺寸参数在最大啮合力状态下进行优化设计，优化方案的最大应力降低4%，塑性应变降低41%。

6 制造工艺

制造工艺过程仿真：利用ANSYS的高度非线性瞬态动力分析模块可以仿真诸如铸造、锻造、挤压、辊压、切削等多种多样的成型过程。该模块所具有的显式动力分析技术、ALE流固耦合分析技术、结构温度耦合分析技术使得其在这些成型过程方面具有很高的计算效率和计算精度，从而很好地指导这些成型过程的工艺设计、优化工艺参数。

7 工业品再设计方案

再设计是一种全新的工程设计思想和方法。再设计就是让研发设计回归市场客户需求本源，重新审视原有的设计，以最自然的方式来探索设计的本质，效法自然。剔除以前由于各种原因或限制导致的不合理之处，或纠正以往对客户需求的错误认知或满足变差，重新设计核心零部件或整机，达到当前技术条件和认知水平下的最优。

来源：CAE仿真学社

仿真笔记——ANSYS Workbench连接关系详解与操作步骤

本文摘要：（由ai生成）本文介绍了ANSYS Workbench中的多种连接关系，包括接触、网格接触、关节连接、梁连接、弹簧、轴承、点焊和末端释放等，用于模拟复杂机械系统的相互作用。文章详细说明了网格接触和关节连接的创建过程，并介绍了弹簧、梁连接、轴承和点焊连接的应用。这些连接关系有助于在ANSYS Workbench中进行有效的结构分析和动力学仿真，提高设计的准确性和可靠性。通过使用这些连接关系，工程师可以更精确地模拟机械系统的行为，优化设计方案，提高产品性能。ANSYS Workbench连接关系当几何体存在多个零部件时，需要确定零部件之间的相互关系，在Mechanical中可以创建的连接关系如下：•接触Contact•网格接触Mesh Connection•关节连接Joint•梁连接Beam Connection•弹簧Spring•轴承Bearings•点焊spot Weld•末端释放End Releaser (应用于梁、壳单元)•几何体交互Body Interaction (应用于显示动力学中)在Cnnections的选项细节窗口中，Generate Automatic Connection On Refresh（在刷新时自动生成连接）默认为Yes，这一设置在设计分析时很有用。最常用的接触将在后续推文进行详细解读。Connections选项1 网格接触网格接触可以帮助连接不连续的体之间的网格划分，如以下实例。实例：两块面体间隙为0.5mm。使用网格接触使它们接触。面体间隙Step1 生成网格。Step2 创建网格接触集合：创建网格接触的工具不是在Connetions工具条内，而是在Mesh工具条呢。点击分析树中的Mesh，工具栏出现Mesh工具条，选择Mesh Edit——Mesh Connection Group，在分析树中便创建了Mesh Edit及其下属的Mesh Connection Group。创建网格接触Step3 设置接触：点击Mesh Edit进行细节设置，Generate Automatic Connection On Refresh（在刷新时自动生成连接）改为Yes。Mesh Edit细节设置点击Mesh Connection Group进行细节设置，Geometry默认为All Bodies（需要先划分网格），修改Tolerance Slider到-100，使Tolerance Value值大于0.5。若拖到-100，其值仍小于0.5，可将Tolerance Type改为Value，然后直接修改Tolerance Value的值为0.6。Mesh Connection Group细节设置Step4 自动生成网格接触：右击分析树中的Mesh Connection Group——Detect Connections(探测连接)，其下属便生成了两对网格接触，检查是否正确，此处只需要一对，删除其中一对。右击分析树中的Mesh Connection Group——Generate，网格连接创建成功。生成网格连接最后点击分析树的Mesh，可以发现两个面体已经通过网格连接为一体。网格连接结果注：也可以通过手动方式创建网格接触：在Step2中选择Manual Mesh Connections，无需进行Step3的设置，只需要在Mesh Connection的细节设置中指定主副几何，同样需要将Tolerance Value设置为大于缝隙值。手动创建网格连接2 关节连接JointJoint核心即为MPC接触形式,采用约束方程定义实体之间或者实体与大地之间的连接关系。分为固定Fixed、旋转Revolute 、圆柱Cylindrical 、平移Translational 、槽Slot 、万向节 Universal 、球Spherical 、平面Planar、套管Bushing、通用General 、点面连接Point on Curve。具体含义将在刚体运动学一文中解释。3 弹簧Spring和梁Beam接触Spring和Beam接触，用来模拟弹簧和梁的连接，以定义相应的接触关系。两者的创建方法相同，以下以创建弹簧接触为例。实例：长条左端施加可转动的约束，上端面时间弹簧接触，在重力的影响下求变形。Step1 创建弹簧。右击分析树的Connections——Insert——Spring，便创建了待定义的弹簧接触。对弹簧接触进行细节设置：Scope设置为Body-Ground，即几何体与地面连接，此处的地面为抽象概念，表示弹簧锚在不动的地方。其余设置如下图。弹簧接触设置Step2 添加约束条件。以远端位移约束左端面，只允许竖直平面内的转动，添加竖直向下的重力加速度。计算结果如下：边界条件设置计算结果4 轴承Bearing轴承接触为一个2D弹性单元，可用来限制旋转部件的相对运动和转动。定义轴承时，需要设置刚度矩阵与阻尼矩阵。其含有如下图：轴承径向刚度与阻尼（平面）5 点焊Spot Weld点焊连接用来连接不同的零件，其作用与绑定接触一样，但是对象只能选择点。点焊在不同零件直接传递载荷。如下图将两个方块4个顶点一对一点焊，再施加底面的固定与横向的拉力，位移结果如下：点焊来源：CAE仿真学社