ProE装配体导入ANSYS时应注意的问题.doc

Pro/ E装配体导入ANSYS时应注意的问题 10
Pro/ E装配体导入ANSYS时应注意的问题
李育文，刘傲鹏　作者简介: 李育文 (1961—) , 女,郑州轻工业学院教授,主要研究方向: 机械CAE、工程力学、流体力学.

（郑州轻工业学院 机电工程学院, 河南郑州450002）
摘要:通过汽车车架实例，对将Pro/E中的装配体模型导入到ANSYS时出现的问题进行分析，提出了导入模型应该遵守的方法，以使在ANSYS分析中得到准确的结果。
关键词:Pro/ E;ANSYS; Boolean;装配体;模型损失;单位制;干涉
中图分类号: TP311　　文献标识码:A 　
On precautions in importing the Pro/ E assembly into ANSYS
LIU Ao-peng , LI Yun-wen
(College of Mech. and Electr. Eng. , Zhengzhou Univ. of L ight Ind. , Zhengzhou 450002, China)
Abstract: Through the frame instance, the problems in importing the Pro / E assembly model into ANSYS is analyzed, proposed method of importing model should be observed, so as to get the accurate results.
Key words: Pro/ E; ANSYS; Boolean; assembly; model loss; units; interference
0 引言
Pro/E和ANSYS在工程结构分析中使用得非常广泛。但是这两种软件各有不足，单独使用其中的一款软件很难完成复杂模型结构的分析，比如在ANSYS中建立复杂的模型将会是十分困难的工作，而Pro/E在一些高级结构分析中又存在明显的不足，所以结合两者的长处进行复杂结构的分析是工程人员普遍采用的方法。但是在这两款软件之间进行数据交换时就会发现有很多问题，并且有些问题是不容易察觉的。目前对这种导入而引起的问题的研究还比较少，尤其是在Pro/E中使用镜像命令和干涉而引起的问题还没有人涉及。由于导入装配体模型出现的问题较多，本文通过一装配体车架的建模和分析，得到了一些将Pro/E模型导入ANSYS时应该遵循的方法。
本文结合的实例是一款边梁式车架的建模和分析，该车架由8根横梁、2根外纵梁、2根内纵梁及一些附属零部件组成。建模全部在Pro/E中完成，分析全部在ANSYS中进行。车架是汽车的核心部件，不仅其上面是车身和驾驶室的支撑，下面还装有动力传输装置、油箱、蓄电池、备用胎等部件。受载十分复杂，所以对车架的受载分析要十分严谨，在其导入时不允许出现大的问题。下面结合实例，分析导入时出现的问题并给出解决方法。
1 镜像命令引起的模型损失问题
1.1模型损失问题的描述
在车架的建模过程中，由于左右纵梁完全一样，所以为了节约时间和精力而使用镜像命令是一种常见的做法。例如对于外纵梁的建模，我们只建立了右纵梁，然后使用镜像命令建立左纵梁。但是使用这种方法建立的纵梁来装配车架，并将该车架导入时，软件会弹出警告框，警告内容：“Multiple volumes found in part waizongliang. No volumes defined. 在纵梁上发现了多个体，软件没有对这些体进行定义。选择Plot—Volumes，发现ANSYS的图形显示窗口中纵梁消失了，再选择Plot—Areas后，纵梁又出现在了图形窗口中，如图1和图2：
这说明左右纵梁导入ANSYS时只是导入了面，而体元素丢失了。如果使用这种导入的车架做分析，由ANSYS的分析原理可知会出现以下问题：
（1）纵梁不能使用三维实体或壳单元划分网格。
（2）分析结果严重失真。比如在模态分析中，主要考虑的因素有密度，如果这些零件只有面，那么分析得出的各阶频率和振型自然不对。而模态分析又是其他动力学分析的基础，所以后续的分析也是不对的。
1.2 镜像命令引起的模型损失问题的解决方法
解决的方法有：
（1）在ANSYS中修复这些损失的体。修复的方法有很多，但目的都是通过元素面建立体。
（2）在Pro/E中不使用镜像命令建立类似的零部件。
2 Boolean运算
对于装配的实体模型，往往会认为装配体中的各个零件已经全部约束，所以将此装配体模型导入ANSYS后，很多人不进行Boolean运算就划分网格、求解等操作，这样就会得出非常失真的结果，比如有些零件受力后根本就没有发生变化，甚至有时候由于求出的结果跟实际值差不太多而没有发现自己的失误等等情况。图3为车架左纵梁部分，该部分由弹簧板支架和纵梁组成，纵梁部分有两层，分别为内纵梁和外纵梁。
定义完属性和划分网格后，由于施加约束位置的不同，出现上面提到的问题会有一些差别，这里就以在弹簧板支架附近的外纵梁上施加约束来分析。
2.1 未进行Boolean运算的分析结果
施加约束并在外纵梁上翼缘的中部施加一集中力载荷。为了比较清楚的查看并对比各个零件的变形情况，现分别将内外纵梁的变形分别列于图4和图5 。
由图4、5可看出，内纵梁并没有变形，通过查看内纵梁的节点应力等值线图也可以看出其没有受到载荷的作用。如果通过Boolean运算中的一些命令后再分析，结果正常，这就证明了该问题的产生确系为没有对车架Boolean运算所致。因此可得到以下经验：在Pro/E环境下装配的实体模型，虽然对各个零件进行了完全约束，但是导入ANSYS后，ANSYS并不认为这些零件之间有约束关系，载荷并不能在各个体之间传递，所以在分网之前必须对装配体进行Add 、Glue 、Overlap之类的Boolean运算。
2.2 Boolean运算命令的选择
在对装配模型进行Boolean运算时，是使用Add 、Glue 还是Overlap呢？下面对这些命令做一下介绍。
Add是加运算，相加的结果是多个相同维数的几何元素被合并成一个新的几何元素，但是如果是接触分析或者各个零部件要定义的材料属性不同等情况时，这个命令是不能使用的。Glue是粘接运算，相同维数的几何元素在边界上存在位置重叠，即各图元之间有公共部分粘接运算结果为重合边界部分产生它们之间公共的新几何元素连接参与运算的几何元素，但参加运算的几何元素之间仍然相对独立，粘接操作没有新的图元产生，就通过合并关键点获得粘接效果，只有公共区域的维数低于粘接图元的维数，粘接操作才有效[1]。Overlap为交迭运算，交迭的结果是生成多个相对简单的子区域(为参与运算几何之间的彼此求交结果)，但是要求搭接部分与原图元的级数必须相同，交迭运算除了在交迭域周围生成多个边界外，与加运算非常类似。对于导入的装配体模型，如果使用Add命令，则所有零部件将会变成为一个大的零件，否则就使用Glue和Overlap，到底是使用Glue还是Overlap命令，最简单的办法就是去试，因为同时有且只有一个命令可以成功。
3 干涉
对于在Pro/E中装配的实体模型，经常会忽视干涉检查，如果使用发生干涉的装配体在ANSYS作分析，就会发生很多问题，而对于这些问题的出现却不知如何解决，甚至有人怀疑是这两种软件的接口有问题，还有人认为这只是一个无关紧要的警告等。其实不然，如果这样的干涉发生在施加边界的地方，就会影响到计算结果的准确性。
在车架装配体中，第三根横梁（发动机后悬置梁）与纵梁发生干涉。将此车架导入到ANSYS，为其划分网格时，*err文件中将会出现类似“Area 209 has no nodes associated with it. Constraint not transferred.”的警告
这个错误记录的意思是没有与这些面相关联的节点，所以加在这些面上的约束会被忽略。下面我们分别列出使用Boolean运算（这里使用的是Overlap）前后的第三根横梁的模型，如图6、7所示。
第三根横梁被分成了三部分， Overlap操作的含义是零件间的相交处新生成一个个体，原来的各少一块，这样就可初步判断这根梁和其他零部件发生了干涉。现在我们进入Pro/E环境下检查全局干涉的情况，结果发现确实是这一部分与纵梁发生了干涉，修改后再次导入到ANSYS，*err文件中没有再发现这样的问题。这样就证明了该问题为零件间的干涉所致。
如果第三根横梁被分成了三个独立的结构，那么这三部分将是单独受力，这样分析得到的结果将是不准确的。所以在将装配体导入到ANSYS之前必须进行干涉检查。
4 单位制问题
4.1 单位制问题出现的原因
在Pro/E中无论是出零件还是装配体，所采用的单位基本上都是公制，即mmns 。而在ANSYS中分析时，往往不注意单位。当结合这两款软件作分析时就会发现分析的结果严重失常。究其原因，ANSYS中原来并没有单位，只要把单位统一就不会出现问题。比如长度为mm，时间为sec时，那么输入重力加速度g就只能是9800了，而如果输入9.800，其分析的结果可想而知了。再比如在Pro/E里面采用的长度单位是米，那么弹性模量的单位就是Pa ，如果在ANSYS中再把弹性模量的单位当做MPa ，结果肯定偏离的厉害，其它物理量也是类似情况。
4.2 单位制问题解决的办法
所以为了保证分析得到的是正确的结果，有下面2中方法：
（1）建模时只确定几个物理量的单位，在ANSYS中输入参数的时候，将所有物理量的单位都依照确定量的单位做相应转化。这里简称这种方法为统一法。
（2）建模时就使用国际单位，在ANSYS中输入参数的时候，所有物理量的单位都按照国际单位。这里简称这种方法为标准法。
由于标准法简单、工作量小、易于读懂结果数据而且不易出错，所以该分析采用这种方法。具体步骤为在Pro/E中选择“编辑—设置—单位”，然后新建单位制，全部采用国际标准单位制，即长度：m ；质量：kg ；时间：sec ；温度：k 。导入模型后，首先运行“/units,si”，把系统单位制切换到国际单位制。运行“/status,units” 可查看单位情况。
至此，将在Pro/E中所装配的车架导入ANSYS分析时，出现的由于单位制而导致分析结果异常问题已经解决。
5 结论
通过装配体车架实例分析，可以得到以下结论：
（1）Pro/E中使用镜像命令建立的不连续体导入ANSYS时会有模型损失。
（2）对于装配体，ANSYS会把各个零件当成相互独立的模型，必须对其进行Boolean运算。
（3）在ANSYS中对装配体进行分析时，应避免零件间的干涉。
（4）在使用Pro/E和ANSYS联合分析时，单位必须统一。
参考文献
[1] 邓凡平.ANSYS10.0有限元分析自学手册[M].北京:人民邮电出版社,2007.1
[2] 张朝晖.ANSYS8.0结构分析及实例解析[M].北京:机械工业出版社,2005.3
[3] 王大镇,弓清宫.精通Pro/ENGINEER Wildfire 4.0产品设计[M].北京:电子工业出版社,2008,9

附图：

图1 ANSYS只显示体时的车架
Fig.1 The frame when ANSYS show only volumes

图2 ANSYS只显示面时的车架
Fig.2 The frame when ANSYS show only areas

图3 车架左纵梁及附属件模型
Fig.3 The frame of longitudinal beam and attachments model

图4 外纵梁受载后的变形图
Fig.4 The deformation of Outer longitudinal beam under load

图5 内纵梁受载后的变形
Fig.5 The deformation of interior longitudinal beam under load

图6 Boolean运算前显示的第三根横梁
Fig.6 The third beam before Boolean operations

图7 Boolean运算后显示的第三根横梁的一部分
Fig.6 The part of third beam before Boolean operations