基于Pro/E模塊Mechanica分析及工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

徐桂旭， 聶萬芬

（1.中國電波傳播研究所，河南 新鄉(xiāng)453000；2.河南省經(jīng)濟(jì)貿(mào)易高級(jí)技工學(xué)校，河南 新鄉(xiāng)453000）

1 引 言

Pro/E 是目前在設(shè)計(jì)領(lǐng)域中功能比較強(qiáng)大的三維軟件，其完善的設(shè)計(jì)模塊已在工程設(shè)計(jì)中得到了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，尤其在一些復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、曲面設(shè)計(jì)中，更是體現(xiàn)了其設(shè)計(jì)的優(yōu)越性。但在一些專業(yè)的領(lǐng)域，如石油測(cè)井儀器方面，在完成外形尺寸的設(shè)計(jì)后，更重要的是考慮到井下復(fù)雜的壓力、溫度等條件，需對(duì)設(shè)計(jì)的零件進(jìn)行強(qiáng)度方面的校核。目前由于受ANSYS 等專業(yè)分析軟件的影響，Pro/E 中分析模塊Mechanica 分析的局限性和可靠性一直受著工程設(shè)計(jì)人員的質(zhì)疑，所以，常常在Pro/E中建模，再導(dǎo)入到ANSYS 中進(jìn)行分析，由于在不同軟件中進(jìn)行模型轉(zhuǎn)換，會(huì)帶來不同程度的失真，這使設(shè)計(jì)分析的可靠性大大降低，而如果采用Pro/E 內(nèi)置分析模塊Mechanica，會(huì)很好地將設(shè)計(jì)模塊和分析模塊有機(jī)地結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度分析對(duì)模型設(shè)計(jì)的指導(dǎo)。

本文主要針對(duì)某一具體的石油儀器零件，分別在Pro/E 和ANSYS 中建模、分析。通過分析結(jié)論的對(duì)比，證明在軸對(duì)稱這一類圖形的受力分析中，通過適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格劃分，Mechanica 的分析結(jié)論可靠，同時(shí)能夠滿足工程設(shè)計(jì)的精度要求。

2 Pro/E 與ANSYS 建模分析

以圖1 石油測(cè)井儀器的鋼筒作為實(shí)例，做以下分析。

環(huán)境條件：外壓50MPa，內(nèi)壓0MPa；材料：05Cr17Ni4Cu4Nb；彈性模量：E=2e11；泊松比：ξ=0.3；屈服應(yīng)力：σs=920MPa。

對(duì)模型做以下簡化：鋼筒是回轉(zhuǎn)體，軸是對(duì)稱圖形，可簡化為一截面受力分析，在測(cè)井過程中，隨著深度的不斷增加，外界壓力也在增大，為保證儀器能安全地進(jìn)行測(cè)井，需對(duì)儀器的薄弱處進(jìn)行強(qiáng)度校核，由鋼筒下接頭簡圖2 可知，螺紋退刀5×φ80.5 處是設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)著重考慮的。

圖1 測(cè)井儀器鋼筒

2.1 Pro/E 分析模塊Mechanica 中的分析過程

本文著重分析鋼筒下端的受力。

圖2 鋼筒下接頭簡圖

第一步：建模。以Front 面作為草繪平面，Top 面作為頂部參考，按照簡化圖的尺寸，創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)特征，在第一象限旋轉(zhuǎn)90°。對(duì)于軸對(duì)稱圖形的分析，為了便于坐標(biāo)以及參考面的選擇，一般將1/4 模型創(chuàng)建在第一象限。

第二步：定義材料屬性。進(jìn)入Mechanica，選擇類型：2D Axisymmeric，定義材料屬性（彈性模量、泊松比以及屈服應(yīng)力），也可以任意選擇一種結(jié)構(gòu)鋼材料，如Steel，然后點(diǎn)擊編輯，在彈出的對(duì)話框里修改相關(guān)的參數(shù)。

第三步：網(wǎng)格劃分。通過對(duì)邊節(jié)點(diǎn)的控制，劃分網(wǎng)格如圖3。在此可以為每條邊設(shè)置不同的節(jié)點(diǎn)數(shù)，使劃分的網(wǎng)格足夠均勻，同時(shí)對(duì)關(guān)鍵部位進(jìn)行細(xì)化。這里重點(diǎn)說明一下設(shè)置里的幾個(gè)參數(shù)：

在網(wǎng)格劃分時(shí)，可以調(diào)整各個(gè)具體參數(shù)的數(shù)值，使網(wǎng)格劃分到理想的程度。

圖3 Pro/E 網(wǎng)格劃分

第四步：定義約束及加載。Dx:- Dy.0 Dz.0 表示X 軸平移自由度不進(jìn)行約束，Y 軸、Z 軸平移自由度完全約束；Rx:0 Ry.0 Rz.0 表示X 軸、Y 軸、Z 軸旋轉(zhuǎn)自由度完全約束。此例對(duì)螺紋處采用完全約束，其他兩處根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行約束，如圖4。

圖4 載荷約束

第五步：定義一個(gè)靜態(tài)分析，運(yùn)行，通過信息窗口察看當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，直至運(yùn)行結(jié)束。

2.2 ANSYS 中的分析過程

第一步：建模。計(jì)算簡化圖中各點(diǎn)的坐標(biāo)值，在XY平面內(nèi)建立截面模型。

第二步：單元類型選擇。Solid Triangle 6node 2，option中的element behavior 選擇Axisymmetric，定義材料屬性，采用自由網(wǎng)格劃分，smart size 設(shè)置為2，形狀選擇為三角形，在螺紋退刀處細(xì)化網(wǎng)格，如圖5。

圖5 ANSYS 網(wǎng)格劃分

圖6 載荷約束

第三步：定義約束及加載方式。如圖6，與在Pro/E中完全相同。

第四步：運(yùn)行［1］。

3 Pro/E 與ANSYS 分析對(duì)比

Mechanica 中整個(gè)截面應(yīng)力分布云圖如圖7。

圖7 Pro/E 分析云圖

ANSYS 中整個(gè)截面節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分布云圖如圖8。

由二者的云圖可見，螺紋退刀處及周圍的應(yīng)力分布趨勢(shì)及應(yīng)力值的大小相當(dāng)吻合。

為準(zhǔn)確對(duì)比二者的分析結(jié)果，我們?nèi)÷菁y退刀處（去除兩邊圓角的長度）的應(yīng)力值進(jìn)行對(duì)比。

Mechanica 中退刀槽處（去除兩邊圓角的長度）應(yīng)力隨長度的變化曲線如圖9。

ANSYS 中退刀槽處（去除兩邊圓角的長度）應(yīng)力隨長度的變化曲線如圖10。

圖8 ANSYS 分析云圖

圖9 Pro/E 中應(yīng)力曲線

圖10 ANSYS 中應(yīng)力曲線

由圖9 和圖10 可見，螺紋退刀槽上各點(diǎn)的應(yīng)力值，二者的分析結(jié)果相當(dāng)吻合，由此證明Mechanica 分析結(jié)論可靠。

4 注意事項(xiàng)

（1）由于Mechanica 采用有限的幾種單元類型，包括2D 單元類型：三角形、（三角形和四邊形）混合類型。3D單元類型：四面體、（楔形和四面體）混合類型、（長方體、楔形和四面體）混合類型，所以在網(wǎng)格劃分的過程中，常常需要通過設(shè)置節(jié)點(diǎn)來控制網(wǎng)格劃分的精度，確保網(wǎng)格劃分的均勻一致，對(duì)于單一零件分析推薦使用一種單元類型。在Pro/E 分析過程中，并不是網(wǎng)格劃分的單元越多越好，而是劃分網(wǎng)格越均勻，分析的可靠性越高。

（2）在約束時(shí)首先分析采用何種約束形式，除一些焊接或者螺紋連接采用完全約束外，其他的一些要分清在哪一個(gè)方向留有自由度，這對(duì)分析的結(jié)論會(huì)有不同程度的影響。總之，約束時(shí)，參照零件工作時(shí)的狀態(tài)，做到準(zhǔn)真實(shí)模擬。

（3）以上的分析結(jié)論是通過多次的網(wǎng)格劃分，在多次分析的基礎(chǔ)上，當(dāng)分析結(jié)論幾乎不發(fā)生變化時(shí)，認(rèn)為是最終的分析結(jié)論。

5 結(jié) 論

通過對(duì)石油儀器零件在Mechanica 與ANSYS 中進(jìn)行分析對(duì)比，充分說明了在線性領(lǐng)域的工程設(shè)計(jì)中，只要網(wǎng)格劃分得足夠均勻，當(dāng)計(jì)算的最大應(yīng)力值不超過屈服應(yīng)力時(shí)，Mechanica 分析結(jié)論的精度可以滿足設(shè)計(jì)要求，對(duì)工程設(shè)計(jì)有充分的指導(dǎo)意義。

［1］ 紹蘊(yùn)秋.ANSYS 8.0 有限元分析實(shí)例導(dǎo)航［M］.北京：中國鐵道出版社，2004.

［2］ 王國強(qiáng). 實(shí)用工程數(shù)值模擬技術(shù)及其在ANSYS 上的實(shí)踐［M］.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2004.