基于Pro/Mechanica提高分析準確度的應用

袁平定，甘雄濤，方春陽，龐江濤

（許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000）

隨著我國工業深入發展，先進的設計工具得到了廣泛的使用。基于3D軟件Pro/E建模，用其無縫集成的Pro/Mechanica做結構分析，不需第三方軟件進行模型轉換和修補，方便快捷。在其集成模式上，經Pro/Mechanica優化分析,其結果可直接反映到原設計模型上，其過程反應了真實的設計過程，節省了不必要的重復設計，提高設計效率，使設計工作大為簡化。

本文主要介紹通過絕對精度進行零件建模，提高模型的自身精度，并在網格創建時，通過多種措施提高網格劃分（細分）品質，提高分析準確度。

1 模型精度設置

基于Pro/Mechanica分析的模型創建是指：用Pro/E進行零件建模（及簡化模型），增加像坐標系和區域這類必要元素，添加材質、載荷、約束等屬性，實施理想化模型簡化（構建彈簧、梁、抽殼元素）和網格創建。其目的是：達到用最簡單的模型，花費最少的資源（計算機硬件配置要求最低和計算求解時間最短），并給予足夠可靠的分析結果。

在Pro/E零部件建模中，系統默認的精度為相對精度，并非絕對精度。提高零件的絕對精度值不僅對單個零件的分析至關重要，而且對組件影響更為明顯。在裝配體中，裝配模型精度可確定是合并處理還是單獨處理，以及在網格創建時，兩個元件網格創建的成功程度，進而影響到分析結果的準確度。

（1）模型建模精度設置原則

在模型創建之前，系統設置為絕對精度。避免在裝配體中網格化時，兩個零件的成功程度問題和單個零件精度不足造成網格精度失真。由于兩零件的相對精度差異導致網格劃分品質欠佳，進而犧牲了分析結果的準確度。其關系為：

絕對精度（α)=相對精度（β）×零件尺寸（δ）。

在β一定的情況下，提高α精度值，δ精度值才會高。絕對精度的設置方法：在Pro/E的配置文件中（config.pro），添加 Enable_sbsolute_accuracy 值 yes。

（2）模型精度設置原則

零件建模的絕對精度設置在0.01 mm～0.001 mm是一個相對合適值。精度越高，在求解器求解運算過程中，就需要消耗系統較多的資源。在裝配體中，零件尺寸相差不大情況下，精度值設置稍大些（0.01 mm）；若零件尺寸相差較大，則精度值設置的就偏小些（0.001 mm）。

（3）零件建模順序設置

依據設計分析目的，用最簡單、最直接的方法，把模型信息表現出來。分析模型能直接反應設計目的信息。如果建模方法不當，或順序復雜，就會在分析過程中找不到需要的模型特征信息，最終導致建模無法繼續進行，進而導致在優化分析時，出現過程中產生的模型特征變化非設計預期，甚至與設計初衷背道而馳的現象。如在優化分析時，需直接選中目的設計變更量，而在模型中，此特征為間接形成，導致分析時過程復雜，不可控制。另外，由于累加精度的影響，導致網格劃分擬合精度的降低現象，影響了分析結果的精確度。在草繪設置中，使用約束不當，在優化分析時，造成模型特征變化范圍窄，達不到設計預期目的。

2 模型網格劃分評價準則

零件的網格劃分越好（細膩、逼真），分析結果就越準確。在創建網格時，應設法提高網格劃分品質，提高分析的準確度。

（1）奇點。奇點會導致應力集中和位移的無窮大。在網格劃分時，應設法消除，以提高分析的可信度。通過使用分布的載荷和約束，避免可能會造成結果失真的單一應力或位移集中。在網格劃分前，通過創建隔離區域，使網格劃分能精確控制。在AutoGEM控制排除的隔離，以圍繞單個點、邊或凹角創建小過度元素為目標。在定義分析時，選中“排除的元素”，在計算收斂性和測量時，忽略所選過渡元素，以最小化降低奇點對分析結果的影響，如表1所示。

表1 約束和載荷分別對產生奇點的影響[1]

（2）根據研究項目的重點不同，區別對待研究區域，細分局部網格。在研究關注的重點區域，細化局部網格，提高關注點分析結果精確度。在分析時，通過創建特定區域，使現有的網格再細化，能更加逼真地模擬真實條件。在一般情況下，通過增加局部曲面區域或局部體積快區域影響網格的劃分細膩程度。

圖1 奇點消除、曲面區域和體積塊區域網格劃分、應力分析圖

在圖1中，左側模型應用硬點分布載荷到兩條線中間的曲面區域，以消除奇點的影響；中間模型通過曲面區域（兩條線中間部分）和體積塊區域（圓孔周圍）后細分網格；右側圖形顯示靜態分析的應力分布。

（3）整體提高零件網格劃分細膩程度[2]。當零件網格劃分顯得粗糙時，可通過AutoGEM設置項，更改邊、面最大值和最小值，以及最大邊翻轉角度值，使其生成的網格整體更加細膩，更加逼真地模擬真實條件。同時可以附加AutoGEM控制下的“最大長度元素尺寸”、“邊分布”和“最小邊長度”控制網格的生成細膩程度。殼元素網格在自動創建時，顯得粗糙，表2為殼元素缺省值和推薦值的設置。

表2 殼元素缺省設置和推薦設置

3 結束語

從設計的源頭入手，提高其模型自身的設計精度，為分析提供了一個良好的基礎。再通過區別對待研究對象，影響局部網格劃分品質或提高模型網格整體劃分品質，使其更加逼真地模擬真實條件，提高分析的精確度。Pro/E的分析模塊Pro/Mechanica是一個非常方便的設計工具。其良好的易操作性，提供了更多網格控制設置空間，能顯著提高設計師工作效率。