ANSYSworkbench 在機(jī)械工程設(shè)計領(lǐng)域的應(yīng)用分析

李金鵬 劉攀

凱邁（洛陽）測控有限公司 河南洛陽 471000

ANSYS workbench 是一種大型通用仿真軟件，它使用有限元素法，有限體積法，無線網(wǎng)格法。這個軟件主要提供了許多分析系統(tǒng)，包括固體力學(xué)、流體力學(xué)、溫度及電磁場。模擬軟件具有一定程度的用戶定義及整合功能，與傳統(tǒng)的仿真環(huán)境不同。在開發(fā)和體現(xiàn)仿真環(huán)境的時候，軟件可以很好地適應(yīng)用戶產(chǎn)品開發(fā)的特性。在此過程中能夠?qū)θ我釩AE 公司的求解器進(jìn)行調(diào)用，此外，還可以在CAD 系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，設(shè)定雙方向各個變量的相互作用關(guān)系。

1 靜力學(xué)應(yīng)用

在對機(jī)器人車架靜力進(jìn)行分析時需要對固定不變的載荷下車架結(jié)構(gòu)的響應(yīng)進(jìn)行計算，在此過程中能夠很好的對工程的應(yīng)力分布和變形情況進(jìn)行分析，從而得出相應(yīng)的應(yīng)力值和位移值，從而能夠確定相應(yīng)的危險點，這樣就能夠很好的對車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，這樣機(jī)器人在送貨過程中就能夠保證具有一定的安全性和穩(wěn)定性，并且對成本的降低也有著積極的影響[1]。

1.1 載荷及邊界條件設(shè)定

自動配送機(jī)器人的框架所承載的負(fù)重，主要是根據(jù)均勻負(fù)重分布在車身外殼，荷重為q1=392N，框架本身的負(fù)重G =588N，快件箱柜載荷是通過重力加速度來表示的q2=490N，按均一荷重，分散在兩個縱梁上；電池包負(fù)重q3=98N，按靜態(tài)等價原理添加到配置位置；取貨設(shè)備的負(fù)重q4=196N，根據(jù)重載載荷載在車身后梁；貨物負(fù)重q5=490N，根據(jù)等效載荷用于相應(yīng)單位。負(fù)載分布在圖1 中。

圖1 載荷分布情況

對車架在滿載彎曲以及滿載扭曲的兩種情況下進(jìn)行分析。在滿載彎曲的情況下，送貨機(jī)器人的載荷系數(shù)為2.5，在滿載扭轉(zhuǎn)情況下系數(shù)為1.3。

1.2 仿真結(jié)果分析

在對ANSYSWorkbench 中的 StaticStructural 中的模塊進(jìn)行求解時，要考慮到將載荷和邊界約束條件，然后得到相應(yīng)的位移及應(yīng)力分布圖，具體情況可以參見圖2 和圖3。

圖2 滿載彎曲工況仿真結(jié)果

圖3 滿載扭轉(zhuǎn)工況仿真結(jié)果

可以在圖2 中看到，在滿載彎曲條件下，最大位移為2.29 毫米，這主要是車架中間支撐梁，離其他重量適用地點太近，會使總體的形變量變小，從而能夠很好的滿足車架剛度的有關(guān)要求。最大應(yīng)力是69.1MPa，右前輪的變位受到限制。這比框架材料的容許應(yīng)力（235MPa）小很多，滿足了框架的強(qiáng)度要求。在圖3 中難再扭轉(zhuǎn)的條件下，最大變量為10.01 毫米，位于框架右側(cè)后輪上，主要依靠機(jī)器人取貨設(shè)備，最大應(yīng)力207.6PMa，發(fā)生在框架的左前輪上，在材料的降幅強(qiáng)度內(nèi)，車框架滿足相應(yīng)的強(qiáng)度要求。

2 動力學(xué)應(yīng)用

2.1 模態(tài)分析

在進(jìn)行動力學(xué)分析時，比較基礎(chǔ)的一個分析模式是模態(tài)分析。模態(tài)分析，能夠有效的對工程結(jié)構(gòu)的振動特性進(jìn)行分析，在此過程中，能夠?qū)Y(jié)構(gòu)的頻率以及振型進(jìn)行確定。結(jié)構(gòu)針對不同的動力載荷，會做出一定的響應(yīng)，在此過程中會受到結(jié)構(gòu)振動特性的影響。浙江某大學(xué)對液壓挖掘機(jī)工作裝置結(jié)構(gòu)建立了相應(yīng)的有限元模型，當(dāng)確定模態(tài)頻率和工作裝置特性時，使用自由模態(tài)解析方法，影響工作裝置動態(tài)性能的主要模態(tài)頻率決定了結(jié)構(gòu)每個變量的敏感性，從而有利于動態(tài)優(yōu)化工作的進(jìn)行[2]。

2.2 瞬態(tài)動力學(xué)分析

結(jié)構(gòu)承受載荷的能力，隨著時間的變化而有不同的響應(yīng)，在對其進(jìn)行確定時，可以使用瞬態(tài)動力學(xué)進(jìn)行分析。結(jié)構(gòu)承受可以隨著時間的變化出現(xiàn)應(yīng)力、位移、以及應(yīng)變，在此過程中，瞬態(tài)動力學(xué)分析能夠在靜載荷、瞬態(tài)載荷、以及正弦載荷的情況下進(jìn)行分析。安徽某大學(xué)對旋耕園盤進(jìn)行了研究，在進(jìn)行瞬態(tài)動力學(xué)分析時使用了運動學(xué)規(guī)律和 ANSYS Workbench，從而有效的得出了旋耕刀片的變形和所受應(yīng)力的情況，從而有助于對相關(guān)技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)。

3 結(jié)語

文章主要對 ANSYS Workbench 的各種分析功能進(jìn)行了探討，由以上可知，在對工程進(jìn)行實際的應(yīng)用時，該技術(shù)被廣泛使用。目前，在CAD 技術(shù)得到廣泛應(yīng)用和推廣的同時，有限元法也得到了相關(guān)企業(yè)和部門的重視。ANSYS 在有限元分析軟件中，屬于一個新的仿真環(huán)境平臺，并且對機(jī)械設(shè)計行業(yè)產(chǎn)生了一定的作用和影響，可以說它很好的推動了有限元仿真的應(yīng)用，并且很好的解決了在生產(chǎn)過程中所遇到的一些基礎(chǔ)問題。