變形較大用什麼模組workbench

這個案例演示ANSYS WORKBENCH 14。0機械設計模組中靜力分析模組，透過對一個焊接機器人手臂模型進行模擬其工作狀態下的受力分析來演示此模組的功能。

1。5。1案例介紹

此次使用某焊接機器人迴轉手臂模型進行靜態力學分析。透過施加一個拉力模擬其迴轉時外部零件對其產生的應力效果以及一個重力。同時透過加細應力相對集中區域的網格來增加應力計算的精度。

1。5。2匯入模型

（1） 首先開啟ANSYS WORKBENCH 14。0 。單擊Toolbox（工具箱）→Static Structural（靜力分析模組）。開始此次分析過程。如圖-1所示。

圖-1 開啟靜力學分析模組

圖-2 匯入模型

（2）在材料屬性定義方面，由於此次僅僅是對ANSYS WORKBNCH 14。0進行操作演示，故暫不修改，而使用預設的“不鏽鋼”材質的材料引數。

（3）下面匯入模型檔案。雙擊專案A3項進入DM模組。

（4）進入DM模組後單擊選單欄上的File（檔案）→Import External Geometry File（輸入模型檔案）。如圖-2所示。

（5）找到模型檔案後單擊→單擊“開啟”按鈕。如圖-3所示。

圖-3 開啟模型檔案

圖-4 重新整理模型檔案資訊

（6）模型匯入DM模組後會在其Outline（分析樹）產生一個Import 1 的圖示。

在圖示前方有一個小的黃色閃電符號，這說明這裡的資訊需要更新，向上單擊Generate（重新整理）按鈕。 如圖-4所示。

（7）經過幾分鐘後，模型重新整理完畢。如圖-5所示。

圖-5 匯入後的模型

圖-6 儲存並退出DM模組

（8）完成模型檔案匯入後我們儲存專案檔案並退出DM 模組。

單擊File（檔案）→Save Project （儲存專案檔案）如圖-6所示。這時程式會自動彈出一個“另存為”對話方塊。如圖-7所示。

在合適的資料夾處將此次分析的專案檔案命名為“1”→單擊“儲存”按鈕。然後回到DM模組繼續單擊File（檔案）→Close Design Modeler（關閉Dm 模組）。如圖-6所示。

圖-7 儲存專案檔案

圖-8 劃分網格

1。5。3劃分網格

（1）回到專案管理區。雙擊A4 項Model（網格）。如圖-8所示。

（2）在機械設計模組開啟過程中程式會自動出現 Attach Status（連線狀況）對話方塊顯示執行進度。此為自動執行過程，不需要其它操作。當連線執行完畢後此對話方塊也會自動消失。如圖-8所示。

圖-8 連線狀況

圖-9 自動劃分網格

（3）進入機械設計模組後我們首先執行自動化網格劃分。透過檢視網格質量以及數量來決定是否進行網格控制操作。

單擊Outline（分析樹）→Mesh（網格）→Update（重新整理網格）。如圖-9所示。

（4） 大約10分鐘後網格劃分完畢。如圖-10所示。

由此可見，由於模型曲面較多，自動化的網格劃分較為粗糙。這裡使用邊線網格控制功能。

單擊Details if “Mseh”（網格的詳細資訊）→Use Advanced Size（先進網格尺寸控制）→下拉選單裡面選擇第二項On：Proximity and Curvature（在邊及線上）。如圖-11所示。

然後單擊

（重新整理網格）按鈕。重新整理網格需要消耗接近一個小時時間，請耐心等待。

注意：使用此種網格控制會極大的增加網格的數量，同時帶來分析規模的大幅度增加。如果模型較為複雜或者零件較多，建議使用盡量高階的電腦。

圖- 10自動劃分後的網格

圖-11 使用網格控制

（5） 執行網格劃分操作時程式會自動出現ANSYS Workbench Update Model Status（網格重新整理情況）對話方塊，顯示並可監視網格劃分的進度。在網格劃分完畢後其回自動消失。

圖-12 網格重新整理情況

圖-13 劃分後的網格

（6）圖-13為網格劃分後的情況，對比第一次圖10的網格，此次更加細緻並相對更為規整，基本都是四面體網格。當然網格數量也隨之大幅度增加。單擊Details of “Mesh”（網格的詳細資訊）在最下面的Statistics（網格統計）裡面可以看見此次節點數暴增至2222384個，單元數1455163個。大約145萬節點需要相當多的運算時間。如圖-14所示。

圖-14 網格的詳細資訊

圖-15 施加固定位移約束

1。5。4施加約束及荷載

（1）首先施加一個固定位移約束模擬模型底部固定時的狀態。

單擊Outline（分析樹）→Static Structural （A 5）→Supports（支撐）→Fixed Support（固定位移約束）→回到模型空間在下方圓環面上單擊。如圖-15所示。

（2）回到Details of “Fixed Support”（固定位移約束的詳細資訊）在→Geometry（模型）中單擊Apply（確定）按鈕。如圖16所示。

圖-16 確定約束面

圖-17施加力荷載

（3）單擊Loads（荷載）→Force（力）→回到模型空間單擊上方相對較小圓環面。如圖-18所示。

（4）回到Details of “Force”（力荷載的詳細資訊）→Geometry（模型）→單擊Apply（確定）。如圖-19所示。

（5）向下在Magnitude（數量）裡面輸入1000牛頓。如圖-20所示。

圖-19 確定荷載施加面

圖-20 設定荷載的大小

（6）再向下回到圖-19的Direction（方向）單擊以下然後回到模型空間單擊其上方的小圓環面這時程式會自動在被選擇面出現向外的紅色圓柱狀箭頭預覽力的方向，由於實際的力的方向為向模型外側我們需要更改一下方向。

（7）在模型空間左下角的紅黑雙色箭頭處單擊右邊的黑色箭頭會更改力的作用方向，如圖-21所示。

（8）更改後的荷載方向如圖-22所示。再回到Details of “Force”（力荷載的詳細資訊）單擊Direction（方向）右邊的Apply（確定）按鈕。如圖-20所示。

圖-21 更改前的方向

圖-22更改後的方向

（9）下面施加重力加速度荷載，模擬其受到的重力作用影響。單擊Inertial（加速度）→Acceleration （加速度）。

注意：由於每次模型建立時候的座標方向不同，筆者每次都是使用Acceleration （加速度）功能並且輸入當地重力加速度值來模擬重力加速度。如果模型建立時統一成其重力方向與系統座標軸方向一致，這裡也可以直接單擊Standard Earth Gravity（地球重力）按鈕。

同時，在各個版本的ANSYS中施加的重力加速度的方向與其產生重力效果的方向是相反的，故當需要模擬向下的重力時，在程式中的箭頭方向應該是向上的。

圖-23 施加加速度荷載

圖-24 輸入加速度的值

（10）在Details of “Acceleration”（加速度的詳細資訊）中的Magnitude（數量）裡面輸入9800。然後單擊下面黃色的Direction（方向）這時需要設定重力加速度的方向。如圖-24所示。

（11）回到模型空間單擊下部突檯面，會出現向上的紅色圓柱狀箭頭。圖如-25所示。

圖-25設定加速度的方向

圖-26確定方向

（12）在Direction（方向）右邊單擊Apply（確定）。以完成對等效工作力荷載以及機械手臂自身重力荷載的載入過程。（13）圖-27為施加後的重力加速度的方向。

圖-27 加速度的方向

圖-28變形結果後處理

1。5。5求解及後處理

（1）我們需要獲得總的以及三個方向上的變形結果同時輸出等效應力結果。

首先單擊Deformation（變形）→Total（全變形）並且連續單擊三次Directional（方向）。如圖-28所示。

（2）由於我們需要分別輸出X、Y、Z三個方向上的變形在連續單擊三次Directional（方向）程式會預設為X Axis（X軸向結果），我們需要分別設定Outline（分析樹）→Directional Deformation 2以及Directional Deformation 3中的Orientation（方向）下拉選單中分別選定Y Axis（Y軸向結果），Z Axis（Z軸向結果）。如圖-29所示。

其中X、Y、Z方向遵循預先設定的區域性座標系或者系統座標系。系統座標的方向如圖-30所示。

圖-29 設定變形輸出方向

圖-30 系統座標軸

（3）下面輸出等效應力結果。單擊Stress（應力）→Equivalent （等效應力）。如圖-31所示。確定各個引數輸入正確後單擊

（求解）按鈕。

圖-31 等效應力結果

圖-32 求解進度

（4）在計算機求解過程中程式會彈出 ANSYSWorkbench Solution Status（ANSYS求解進度）對話方塊。顯示求解進度。如圖-32所示。由此可見，CPU以及記憶體使用都接近滿負荷。

注意：新版本的ANSYSWORKBENCH 14。0 相對稍微老一點的12。1版此處有個改進。原來12。1版的對話方塊僅僅有Stop Solution（停止分析）按鈕，14。0新版增加了一個Interrupt Solution （暫停分析）按鈕。這樣我們可以在求解過程中暫停分析。但是在劃分網格時彈出的進度對話方塊中沒有此暫停功能。

（5）求解結束後，單擊Outline（分析樹）→Solution Information（分析資訊）在右邊的Worksheet（工作表）下拉到最下方可見，此次分析使用了1727秒完成，接近半個小時時間。如圖-33所示。

圖-33 分析時間

圖-34 全變形結果

（6）下面察看分析結果。單擊Outline（分析樹）→Total Deformation（全變形）。可見變形為0。31886毫米。如圖-34所示。

同樣操作可見X方向變形為0。31674毫米，對比全變形的0。31886毫米，可見其X方向變形在整個中所佔比例很大，這時由於施加的等效工作荷載1000牛為 X方向所致。

圖-35 X方向變形

圖-36 Y 方向變形

圖-37為Z方向的變形結果，變形的數值為0。011488毫米。相對較小。

圖-37 Z方向變形

圖-38 等效應力

圖-38為等效應力結果。其數值為42。421兆帕。我們對此應力較為感興趣，由於有限元分析結果與網格密度相關，為了獲得相對更為精確的應力結果我們嘗試使用細化網格的網格控制方法。

注意：網格的細化不是提高分析精度的決定性因素。並且過於細化的網格有時甚至會導致錯誤的結果，請使用者辯證判斷。

（7）單擊Outline（分析樹）→Mesh（網格）→Mesh Control（網格控制）→Refinement（細化）。然後回到模型空間選定應力集中區域的曲面，由於曲面較多請先按住鍵盤Ctrl（控制）鍵並單擊需要選擇的面。如圖-38所示。

注意：網格細化功能僅僅減小網格尺寸，對其規則性並沒有實質性變化。

圖-39為選取細化的面。我們要在左右兩邊同樣位置執行同樣的細化操作。

圖-38 細化網格控制

圖-39 選取目標面

（8） 我們可以設定網格細化的程度。單擊Details of “Refinement”（網格細化的詳細資訊）中在Refinement（細化程度）後輸入3。如圖-40所示。

注意：Refinement（細化程度）共有1、2、3級，其中3級最細。

使用此功能會大幅度增加網格數量，同時帶來運算規模的大量增加，故如果不是應力，變形等變化梯度較大或較為重要的區域，一般不需要使用3級細化網格控制。

圖-40 細化設定

圖-41 重新整理網格

（9） 回到Outline（分析樹）在Mesh（網格）下面出現了Refinement以及Refinement 2 兩個圖示。

回到模型空間放大細化的網格區域會發現，網格確實比其他區域更加細小。如圖-42所示。

圖-42 細化後的網格

圖-43 網格統計

（10）單擊Update（重新整理網格）。此次需要更多時間。網格重新整理後單擊

（求解）按鈕。執行新的求解。

（12）單擊Details of “Mesh”（網格的詳細資訊）→Statistics（統計）中可以看出節點數為2580786個 ，單元數為1708677個，較第一次的數量大概增加了15%。而這僅僅是細化如此小範圍呢的網格帶來的增加。如圖-43所示。

（11） 開啟“任務管理器”檢視執行狀況。如圖-44所示。

圖-44 分析進度

圖-45細化網格後的等效應力結果

（12）經過漫長的等待完成了分析。從等效應力結果的最大值上看起從42。421兆帕增大為42。462兆帕。 變化較小，說明網格已經足夠細化，其尺寸大小對結果影響不大了。如圖-45所示。

（13）檢視第二次分析的求解時間。單擊Outline（分析樹）→Solution Information（分析資訊）右邊的Worksheet（工作表）最下方可見求解時間為2337秒，比第一次增多了大概30%，而網格數量僅僅增加了15%，這說明計算機遇到了效能瓶頸。

圖-46 分析資訊

圖-47 求解時間

1。5。11儲存並退出

（1）單擊File（檔案）→Save Project（儲存專案檔案）→Close Mechanical（關閉機械設計模組）。如圖-46所示。

圖-46 儲存專案檔案

圖-47 退出程式

（2）回到專案管理區。單擊File（檔案）→Exit（退出）。退出程式，完成此次分析。

作者：劉笑天，模擬秀專欄作者。

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