轉臺U形框CAE仿真建模及力學性能研究

喻杰勇 陳廬彪 陳世爐 陳盼盼

(中國船舶工業(yè)第六三五四研究所，九江，332000)

為在轉臺設計過程中了解結構的力學性能是否滿足使用要求，一般情況下都是通過在CAD設計軟件（Pro/E、CATIA、UG等）中建好三維模型，然后將三維模型保存為中間格式，并借助 ANSYS或者ABAQUS等通用有限元軟件對結構進行力學仿真分析。通過這種方式盡管省去了在力學仿真軟件（ANSYS或ABAQUS）中建模這一步驟，然而在仿真過程中我們一般也只能使用 solid45等實體單元，在力學分析時僅僅只能對該固定模型（相對于參數化模型）進行分析。雖然通過計算結果可知能否滿足力學性能要求，但對進一步結構參數優(yōu)化有一定的限制。鑒于此，本文利用beam188、beam44梁單元，以U形框為研究對象，在ANSYS經典版本中利用APDL命令流對U形框進行建模、仿真，并與傳統(tǒng)分析方法做一個對比。

1 研究對象及其載荷組合

選用型號三軸位置速率轉臺主要參數：轉臺臺體為U-O-O框架結構；負載安裝面要求平面度0.02 mm，材料為超硬鋁；負載質量為45 kg；最大角加速度外環(huán) 100°/s2、中環(huán) 200°/s2、內環(huán) 250°/s2。臺體框架結構為鑄件，材料為ZL201。將中環(huán)U形框隔離出，以其為研究對象，研究U形框在負載作用下結構的剛度等力學特性，主要載荷及說明如表1所示，外形圖見圖1。

表1 U形框主要載荷及說明

圖1 三軸速率位置轉臺外形圖

轉臺分為停機狀態(tài)、帶負載平穩(wěn)速率狀態(tài)、帶負載最大角加速搖擺工作狀態(tài)三種工況，它們分別對應三種不同的載荷組合，如表2所示。為了驗證基于ANSYS APDL下對轉臺結構力學分析的可行性與適用性，本文將分別就轉臺三種不同工況對U形框進行力學分析。

表2 載荷組合

2 力學模型建立

2.1 傳統(tǒng)力學模型

在有限元建模的過程中，采用了solid45實體單元，該單元可以很好的模擬結構受壓、受拉和力矩的作用。U形框架采用的材料是鑄鋁，模型中材料的彈性模量E=70 GPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=2.7 g/cm3，Pro/E中U形框三維模型如圖2所示。

圖2 U形框三維模型

為了提高計算效率，對U形框結構做部分簡化，去除一些非主要的不承重部位和安裝孔，將模型保存為“ .x_t ”中間格式，導入到ANSYS workbench 中，對U形框劃分網格、加載、邊界條件處理，其力學模型如圖3所示。

圖3 U形框力學模型（傳統(tǒng)CAD建模）

2.2 基于ANSYS經典版本APDL參數化建模

有限元計算模型的單元類型采用三維梁單元beam188、beam44和集中質量單元mass21，定義的材料參數如下：

et,1,beam188 ！定義單元類型

mp,prxy,1,0.3 ！定義材料泊松比

mp,ex,1,7e4 ！定義材料彈性模型

mp,dens,1,2.7e-6！定義材料密度

通過對模型的簡化（去除螺紋孔及其它安裝光孔），利用ANSYS中自頂向下建模思路，通過節(jié)點和截面的定義、單元的聯(lián)接，建立U形框有限元模型。考慮到在ANSYS庫內沒有標準的與U形框相對應的截面，并且考慮結構上的縱筋是不可以簡化的（因為它是影響結構剛度的重要因素），因此本文自定義截面來模擬U形框的截面。圖4是U形框自定義截面中的一個截面外形，定義好之后將其保存在計算機工作目錄中。圖5是U形框有限元模型。

自定義截面網格劃分：

mshkey,1

mshape,0,2d

allsel

amesh,all

secwrite,jm1,sect,,1

圖4 自定義截面形狀

圖5 U形框有限元模型

考慮到實際邊界條件是對 U形框下部整個凸臺進行部分自由度的約束，本文通過beam44單元模擬凸臺結構，將凸臺與U形框上凸臺區(qū)域的節(jié)點剛性連接。

定義凸臺

邊界條件的定義如表3所示。表中UX、UY、UZ分別表示沿X、Y、Z方向的平動自由度，ROTX、TOTY、ROTZ分別表示繞X、Y、Z的旋轉自由度；其中：1表示約束、0表示釋放。其力學模型如圖6所示。

表3 邊界條件的定義

圖6 U形框力學模型（APDL參數化模型）

3 計算結果和分析

圖7～圖9描述了結構在表2所述的三種不同工況下、兩種不同分析方法U形框的位移云圖?？梢钥闯觯涸贑AD輔助建模下，三種不同工況U形框最大位移分別為0.004 0 mm、0.019 7 mm、0.025 mm；基于ANSYS APDL參數化建模，通過前處理、加載、求解、后處理，三種不同工況 U形框最大位移分別為0.003 5 mm、0.019 2 mm、0.021 mm，位移云圖分布一致。通過簡化，U形框實質上等效于一個懸臂梁，最大位移出現在梁端，與實際符合。兩種結果對比表明：如果不關心結構局部力學特性，分析類似問題可以采用梁單元來模擬結構受力狀態(tài)，結果相對誤差不大、位移云圖分布一致。

圖7 轉臺停機狀態(tài)下位移云圖

圖8 帶負載平穩(wěn)速率狀態(tài)位移云圖

圖9 帶負載最大角加速度搖擺狀態(tài)位移云圖

4 結論

U形框剛度對轉臺的回轉精度、位置精度有很大影響。但是考慮到經濟效益，不可能把結構做的非常笨重，因此對結構優(yōu)化很重要，包括優(yōu)化結構的外形和板厚。為了驗證利用APDL參數化建模對轉臺結構力學分析的適用性，基于轉臺三種不同工況下，通過對比APDL參數化建模的U形框力學特性與傳統(tǒng)分析方法的分析結果，計算誤差在允許范圍內，云圖分布一致。通過本文分析，為后續(xù)研究者研究類似問題提供了一種研究思路：利用APDL命令流建立參數化模型，設置板厚、影響外形的尺寸等敏感變量、設置約束條件（結構的剛度變化范圍）及目標函數（結構的自重），對結構進行優(yōu)化設計。

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