本文探討了裝配體結構分析中的Pro/MECHANICA與ANSYS應用比較相關內容。

　　首先以一個形狀簡單且受簡單約束和外力的裝配體為例，分別利用ANSYS和Pro/MECHANICA進行分析，從而說明Pro/MECHANICA在裝配體結構分析中比ANSYS更簡便高效。

　　ANSYS是融結構、熱、流體、電磁及聲學于一體的大型CAE通用有限元分析軟件，該軟件是當前結構分析中使用最為頻繁的軟件。

　　Pro/ENGINEER Wildfire是美國PTC公司推出的一整套CAD/CAM/CAE集成解決方案，它主要包括Pro/ENGINEER和Pro/MECHANICA。Pro/ENGINEER是當今世界上擁有用戶最多的三維CAD軟件，而Pro/MECHANICA是強大的有限元軟件，它可以實現和Pro/ENGINEER的無縫集成，即完全實現幾何建模和有限元分析的集成。其主要模塊可以分為Pro/MECHANICA STRUCTURE(結構分析)、Pro/MECHANICA THERNAL(溫度分析)和Pro/MECHANICA MOTION(運動分析)。

　　本文以兩個裝配體為例，分別使用ANSYS和Pro/ENGINEER的Pro/MECHANICA 模塊對它們進行結構分析，并對分析結果進行比較。

　　一、簡單裝配體的結構分析

　　簡單裝配體是指組成裝配體的零件形狀比較簡單，且零件個數較少。

　　以常見的軸、鍵、轉輪的裝配體為例。轉輪與鍵是過盈配合裝配。在軸上施加約束，并在轉輪上施加載荷，如圖1所示。

圖1 簡單裝配體及其約束和受力

　　1.利用ANSYS軟件進行分析

　　對單一零件，可以利用ANSYS自身的建模工具，建立實體模型或有限元模型，但ANSYS不能直接建立裝配體模型，只能在其他三維造型軟件中建好后導入。若利用Pro/ENGINEER建模，可以有兩種方法導入：第一種是將裝配體另存為后綴為IGES的文件，打開ANSYS，點擊“File”→“Import”→“IGES”將數據文件導入。第二種是利用Pro/ENGINEER與ANSYS 的接口，由Pro/ENGINEER直接進入ANSYS界面。

　　本文是將Pro/ENGINEER Wildfire 2.0與ANSYS 8.0連接，將裝配體導入ANSYS進行分析。具體步驟如下。

　　(1)在Pro/ENGINEER建立三個零件的零件圖，并利用Mate(匹配)。Align(對齊)等指定零件間的裝配關系，形成組件。

　　(2)單擊Pro/ENGINEER界面的“ANSYS 8.0”→“ANSYS Geom”。在窗口下方出現提示“Begin transfer of Pro/E geometry to ANSYS”，并顯示轉換進程。轉換結束后，進入ANSYS界面。

　　(3)定義單元類型、實常數、材料屬性、網格尺寸，劃分網格。

　　(4)添加DOF約束、設置集中載荷和重力載荷。這里值得注意的是：ANSYS的重力載荷依靠ACEL命令來實現，該命令會對物體施加一加速度場(非重力場)，因此若要施加負y方向的重力，應指定一個正y方向的加速度;ANSYS只顯示施加的約束和外載荷，不顯示重力。

　　(5)單擊“Solution”→“Solve”→“Current LS”進行求解。

　　(6)顯示結果，可以依次單擊“General Postproc”→“Plot Results”→“Contour Plot”→“Nodal Solu”來進行。然后選擇“Stress”和“Von Mises SEQV”，以Def + undeformed 形式顯示等效應力值，如圖2所示。

圖2 ANSYS得到的等效應力云圖

　　利用ANSYS的縮放工具將應力云圖放大，發現在零件的裝配接觸面應力云圖斷裂，且零件分開。實際上，它們已經裝配為一體，裝配接觸面應力應是連續的。這說明ANSYS對裝配體不能識別，認為裝配后的零件是互不影響，互相獨立的。

　　(7)解決辦法：在上面的步驟2完成后，首先用布爾運算的VADD命令將三個體加到一起，成為一個體，然后可以用NUMCMP命令壓縮實體編號，再進行后面的操作。圖3所示是布爾運算后的裝配體等效應力云圖。

圖3 布爾運算后ANSYS得到的等效應力云圖

　　由圖可知，最大應力值為1.02E+6。

　　2.利用Pro/MECHANICA模塊進行分析

　　Pro/MECHANICA有兩種工作模式：集成模式和獨立模式。前者在Pro/ENGINEER環境界面下工作，可以直接利用Pro/ENGINEER模型進行網格劃分工作。后者在Pro/MECHANICA界面下工作，有限元模型可以由Pro/MECHANICA直接創建，也可以從其他CAD系統中輸入幾何模型數據。

　　本文采取集成模式。具體分析步驟如下。

　　(1)安裝好Pro/ENGINEER與Pro/MECHANICA后，進行一定的連接操作，完成兩者的匹配，使Pro/MECHANICA以集成模式工作。

　　(2)在Pro/ENGINEER下建立三個零件的零件圖，指定零件間的裝配關系，形成組件。

　　(3)在Pro/ENGINEER主菜單上選擇“Applications”→“Mechanica”，單擊“Continue”，使系統進入“Pro/MECHANICA”環境，然后在MECHANICA菜單管理器中選擇“Structure”，系統進入結構分析主界面。

　　(4)定義材料屬性(可以在材料庫中直接選擇“STEEL”)、約束和載荷。其中重力載荷就是習慣的方向，即若施加負y方向的重力，即指定負y方向的加速度。為避免應力集中，外載荷和約束不要加在單點上，應將它平均分配到整條邊或整個面上。

　　(5)單擊“Analyses”→“Mechanic Analyses/Studies…”彈出“Analyses and Design Studies”對話框，建立新的分析任務，進行有限元計算。

　　值得注意的是，我們并沒有人為地進行劃分網格的操作，但若在“Analyses and Design Studies”對話框點擊“Info”→“Status”進行查看，可以發現有這樣一段話:

　　...Checking the model before creating elements...These checks take into account the fact that AutoGEM will automatically create elements…

　　這表示，雖然網格沒有被顯示，但Pro/MECHANICA軟件內部已經自動劃分了網格。除了自動劃分網格外，也可以對網格進行人為控制，不過一般情況下自動劃分的網格精度已經能很好地滿足要求。

　　(6)點擊“Analys”→“Results…”顯示計算結果，仍然選取“Stress”→“von Mises”，得到等效應力云圖，如圖4所示。

圖4 Pro/MECHANICA得到的等效應力云圖

　　最大值是1.113E+6，與圖3的結果1.02E+6很接近，相差8.356%。

　　3.比較結果

　　通過上面的比較，我們可以發現在進行簡單裝配體機構分析時，ANSYS有以下不足：(1)沒有單位提示，即若輸入長度100它不識別是100 還是100 ，因此在輸入數據時要特別小心，一定要采用封閉的整套單位，否則會帶來結果錯誤;(2)載荷更改不方便;(3)重力加載與習慣方向不同;(4)若要得到較好結果，需對網格尺寸進行人為控制;(5)裝配體不識別，必須用布爾運算對裝配體操作后，才可以計算。

　　與此相比，Pro/MECHANIC有單位提示，并且在在窗口直接顯示約束和載荷名稱，更改時只需選中名稱，選擇相應的Edit definition或其他操作即可，而且可以不用人為控制，就能得到較好的網格劃分，另外在零件裝配后，無需任何操作即可直接分析。

　　二、復雜裝配體的結構分析

　　復雜裝配體指裝配體的零件形狀復雜或零件個數較多。

　　下面以SGA3550礦用汽車整車滿載靜止于水平路面時，驅動橋橋殼和A形架的裝配體應力分析為例，比較ANSYS和Pro/MECHANICA在分析復雜裝配體結構時的不同。

　　1.利用ANSYS軟件對復雜裝配體進行分析

　　用Pro/ENGINEER建好模型后，如果不做任何簡化，向ANSYS導入時，系統會提示模型有1000多個面，這是因為ANSYS軟件對造型軟件的一些處理方法無法識別，模型又過于復雜致使導入失敗。因此必須對模型進行簡化，例如刪除倒角及非承載部分等，這一過程需要大量反復的修改嘗試，同時也是目前對橋殼分析時常采用的方法。在模型導入成功后，也會出現因ANSYS無法對模型的一些特征進行網格劃分，網格劃分失敗的現象，使后續工作無法進行下去，因此，只能對模型再次簡化(在多數情況下，模型的簡化工作將占總工作量的50%以上)。顯然，這種反復修改工作量大，效率低。而且最后簡化的模型與原模型相差比較大，計算結果精度不是很理想。

　　2.利用Pro/MECHANICA模塊對復雜裝配體進行分析

　　無需對模型做任何簡化處理，也無需人為劃分網格(自動劃分的網格精度較高)，只需要按照2.2的分析步驟，設置約束和載荷即可，載荷的大小可以由力學方程計算得到。

　　最后得到的應力云圖，如圖5所示。

圖5 驅動橋殼與A形架裝配體等效應力云圖

　　如圖5所示，最大應力值為6.672E+7Pa。

　　用同樣的步驟，可以對驅動橋殼和A形架的裝配體在其他典型受力工況下(例如最大牽引力、最大測向力等)的應力狀態進行分析，從而找到危險點，對結構進行改進設計。

　　3.比較結果

　　可見對于復雜裝配體，若利用ANSYS軟件，需要進行大量的簡化工作，且要得到理想的結果還需要人為控制網格劃分。而利用Pro/ENGINEER軟件的Pro/MECHANICA模塊，則無需對模型進行簡化，而且能很方便地得到較好的結果。

　　三、結論

　　通過上面的應用比較，我們可以發現：

　　1.ANSYS無法直接建立裝配體模型，需由其他造型軟件導入，導入后要對裝配體進行布爾運算，否則ANSYS將認為零件是未經裝配的。

　　2.對形狀簡單的裝配體進行結構分析，ANSYS與Pro/MECHANICA都能得到較理想的結果。

　　3.對形狀復雜的裝配體進行結構分析，必須對模型進行大量的簡化和修補工作，才可以利用ANSYS作為分析工具，而Pro/MECHANICA則無需這些操作，它與Pro/ENGINEER的無縫連接使其對復雜裝配體的分析比利用ANSYS更加簡便快捷。

　　4.ANSYS在結構非線性分析等方面具有明顯優勢，故在實際應用中可以將Pro/MECHANICA與ANSYS結合起來，使兩者各自的優勢得以充分發揮，從而得到更加理想的分析結果。