基于Hypermesh和Workbench的鉆機平臺模態分析

李　茂，劉桓龍，于蘭英，柯　堅

(西南交通大學機械工程學院，四川成都610031)

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基于Hypermesh和Workbench的鉆機平臺模態分析

李茂，劉桓龍，于蘭英，柯堅

(西南交通大學機械工程學院，四川成都610031)

利用Hypermesh中ABAQUS模板對復雜裝配體進行網格自動劃分，省略了ANSYS模板對格式轉換的過程，隨后導入到Workbench進行計算分析，得到了復雜裝配體的靜力、模態分析結果。聯合仿真快捷高效，可以大幅減少產品開發的時間和費用。該方法也可用到其它有限元分析過程中。

有限元HypermeshWorkbench鉆機平臺模態分析

0　引言

有限元法作為一種數值計算方法，在工程分析領域中得到了廣泛的應用。自20世紀中葉以來，它以獨有的計算優勢得到了快速地發展，已出現了不同的有限元算法，并由此產生了一批非常成熟的通用和專用有限元軟件[1]。其中以ANSYS、Workbench、ABAQUS等優秀軟件為代表，在國內得到了越來越廣泛的應用。

一般來說，有限元分析80%的時間都用在有限元模型的建立和修改上。在現代機械研發中，有限元模型的網格越來越精細，規模越來越大，已從早期的單一零件分析發展到現在的大型裝配體分析，而激烈的市場競爭迫使研發周期越來越短，結果越來越精確。單一的有限元軟件絕不可能又快又好的完成這一任務，如何利用各個軟件的優勢進行聯合仿真，提高精度和效率成為當務之急。本文以設計的鉆孔平臺為例，利用多個軟件聯合仿真，進行模態分析。

1 SolidWorks、ANSYS、Workbench、Hypermesh聯合仿真基礎

ANSYS進入中國市場較早，功能強大，應用領域廣，是目前國內應用人數最多的有限元分析軟件，然而學習使用該軟件需要較多的精力和時間，其建模功能欠佳，建立復雜結構或裝配體時十分繁瑣。

SolidWorks軟件功能強大，易學易用，使近年來成為使用較廣的三維建模軟件。現在SolidWorks已可以進行有限元結構、流體仿真，然而其分析精度有待商榷，并且ANSYS等軟件進入中國市場較早已成為大部分國人的習慣，所以絕大部分人只用SolidWorks進行三維建模、出圖，很少用其進行有限元分析。

Workbench是ANSYS開發的新一代系統仿真環境，具有復雜裝配體接觸關系自動識別功能，界面友好，人機交互能力強，操作簡單，但網格劃分功能較差。

對于復雜的模型，ANSYS、Workbench、ABAQUS等有限元分析軟件雖然也具有網格劃分功能，但其對劃分網格的控制能力不強、速度較慢。在CAE分析中，網格劃分的好壞對最終的結果影響極大。質量較差的網格會使結果產生較大的誤差甚至無法收斂以致不能得出結果。

Hypermesh具有強大的網格劃分功能，可以對劃分的網格進行控制和優化，占用內存少，運行速度快，用戶界面易于使用。它不僅可以讀取step、igs、parasolid等中間轉換格式的文件，還可以直接讀取SolidWorks、Proe等建立的幾何模型，從而能避免數據丟失或幾何缺陷。另一方面，Hypermesh擴展了對已有的很多求解器的支持，如ANSYS、ABAQUS等，包括單元類型、求解方法和文件格式。這樣就可以在Hypermesh劃分網格后，直接把模型轉換成不同的求解器格式文件，從而利用相應的求解器進行計算。

在有限元分析中，可以用Hypermesh劃分網格，再將模型導入到Workbench中，通過Hypermesh和Workbench的聯合使用達到事半功倍的效果?；贖ypermesh求解器模板及輸出文件的不同，Hypermesh和Workbench的聯合仿真有圖1、圖2兩種方法。第一種方法必須在Hypermesh中定義單元類型和材料，并且還需要調用ANSYS經典轉換格式，過程繁瑣，這是目前使用較多的一種方法。第二種方法可以在人機交互界面比較好的Workbench中定義材料，并且不用ANSYS轉換格式，Hypermesh劃好網格后直接導入Workbench。相比較而言，第二種方法更加方便快捷。本文就采用第二種方法進行鉆機平臺模態分析。

圖1　求解方法1

圖2　求解方法2

2　模態分析理論簡介

模態分析可用來計算結構的振動特性，即固有頻率和振型。

無阻尼多自由度系統的自由振動微分方程為[2]：

(1)

式(1)對應的特征值方程為：

([K]-ω2[M]){q}={0}

(2)

式中：ω為系統的固有頻率。

求解式(2)就可以得到ω和{q}，即系統的固有頻率和主振型。

本文利用Workbench軟件進行模態分析時采用的是Block Lanczos法，它是軟件默認的求解方法，采用稀疏矩陣方程求解器。

3　三維建模和網格劃分

3.1設備簡介

1-鉆機；2-鉆機平臺骨架；3-直線光軸；4-直線軸承；5-下骨架；6-電動缸圖3　鉆機平臺

該設備是鉆機安裝平臺，三維模型如圖3所示，下骨架上安裝了前法蘭型電動缸，骨架四個角是塑料直線軸承光軸導軌副，起導向作用，可承受徑向力和轉矩。電動缸上部球鉸于鉆機安裝骨架下面。鉆孔機安裝平臺由電動缸推進，一次性鉆多個孔。鉆孔機安裝平臺以型鋼為骨架，上面安裝有一排相同間距的矩形空心型鋼，鉆孔機安裝底板開有兩道槽以安裝螺栓，因此4個或多個鉆孔機可在平臺上實現XY位置無級調節，一次性鉆多個孔。該設備大部分采用標準件，選型時采用了較高的安全系數，但仍需要進行強度、模態仿真分析。

3.2裝配體模型的簡化

圖4　鉆機平臺簡化模型

電動缸工進到孔頂部時，是最危險工況，此時電動缸起支撐作用，4個直線軸承承受徑向力和轉矩，以此工況進行分析。有限元理論證明對模型局部細節的簡化并不影響整體仿真結果，并且有助于提高求解速度。所以把圓孔、圓角、倒角等小細節去掉。雖然Hypermesh可以簡化模型，去除倒角、圓孔，但最好在三維建模時直接去除小特征，這樣更加方便快捷。將其它輔助零部件簡化，平臺受電動缸支撐處、直線光軸受直線軸承約束處均使用位移約束。簡化模型如圖4所示。

3.3Hypermesh網格劃分和清理

將step文件導入Hypermesh，進行拓撲檢查， 清理自由邊、T形邊。影響計算精度的主要原因是網格質量，和網格形式關系不大。一般來說，結構網格比非結構網格收斂更容易, 能在較少網格的情況下得到較高的精度，更有利于計算機存儲數據，然而在復雜裝配體中結構網格劃分困難。四面體自動網格劃分可以快速自動生成網格，對于較復雜的模型，這種方法能很快且容易創建高質量的網格。雖然非結構網格劃分得到的網格數較多，但在當今計算機性能日益提高的情況下，大數量的非結構網格仍可以快速的得出結果，得到的結果和結構網格相差無幾。

網格的質量十分重要，質量不好的網格會使計算機求解時出現錯誤，故對劃分好的網格要進行單元質量檢查。在有限元模型中對于翹曲度、縱橫比、扭曲角、雅克比等都有嚴格的限制，但是還是允許有一些不合格的單元，不過其與總單元的比例必須要低于某值[3]。

表1　零部件、節點、網格的數量

由表2可以看出，四面體自動網格劃分得到的網格質量較高，尤其雅克比矩陣全部為1，達到理想狀態，而如此快的速度和優秀質量用Workbench自動化分網格幾乎是不可能的。

表2　網格質量

3.4模型輸出

將Hypermesh劃分好的網格模型輸出為inp格式文件。

4　Hypermesh和Workbench聯合仿真

4.1模型導入

打開Workbench界面，拖入Component中的Finite Element Modeler模塊，通過add input mesh輸入inp文件。這樣在Hypermesh中劃分好的網格便導入到Workbench中[4]。Finite Element Modeler模塊無法進行特征編輯，只能識別多數基本特征，分割面特征無法識別。加載載荷的面可用一個小凸臺代替。

4.2模塊耦合

本文為預應力模態分析，必須先進行靜力分析，得出的結果作為模態分析的參數。先在Finite Element Modeler中生成三維幾何模型。再與Static Structural連接。注意這里也可以用Static Structural(ABAQUS)(Beta)模塊做有限元分析，但必須安裝ABAQUS軟件。模態分析模塊耦合與此類似。

4.3定義材料、接觸、載荷、邊界條件

圖5　載荷、約束施加圖解

鉆機設備各零部件材料及其參數見表3所示。本設備是用螺栓連接、焊接方法將安裝平臺各個零部件連為一體的，雖然Workbench中有點焊(spot weld)、螺栓預緊載荷(bolt pretension)模擬，但設置求解繁瑣復雜。本文重點是對鉆機安裝平臺除螺栓外的整個模型進行分析，就可以不用考慮螺栓的接觸及預緊力等情況[5]。所以對螺栓連接、焊接部位用綁定接觸(bonded)模擬，實際上在這些地方變形極小，在工程應用中設備多是因為塑性變形大而不能使用，極少是因為螺栓斷裂、焊縫裂開。根據計算所得，工進鉆孔時鉆具受軸向力為1 060 N，根據工作經驗，一般鉆具所受反作用力矩為40 N·m。鉆具所受軸向力和反作用力矩主要影響因素有鉆具大小、鉆具鋒利程度、鉆具旋轉速度、工進速度、混凝土硬度、冷卻液等。其實際情況是極其復雜多變的，只能通過有限的理論和經驗來確定。直線軸承處使用位移約束限制XY位移。載荷、約束施加如圖5所示。

表3　各零部件材料

4.4靜力分析

圖6　總變形圖解

仿真計算可得位移、應力、應變結果見圖6-圖8。

結果顯示最大變形量為0.03 mm，并且主要是鉆機受壓力產生的向下位移，對鉆孔精度和質量影響較小，

圖7　應力圖解　　　　　　圖8　應變圖解

最大應力14.33 MPa，遠小于相應材料屈服強度，最大應變0.007%。由此可知本設備的鉆機安裝平臺完全滿足強度要求。

4.5模態分析

在理論與實踐中均發現，結構的低階模態對結構的振動影響較大，在進行結構模態分析時，常常只需要知道前幾階固有頻率和振型，而不必求出全部固有頻率和振型。所以在本次計算中只提取了前10階模態。

振型的大小只是一個相對的量值(位移相對值)，它表征的是各點在某一階固有頻率上振動量值的相對比值，反映該固有頻率上振動的傳遞情況，并不反映實際振動的數值[6]。

表4　計算結果

圖9-圖14給出了第1階到第6階頻率下對應的振型圖。通過振型圖可以看出H鋼骨架四周邊緣或對角易產生變形，是鉆機平臺的薄弱環節，然而H鋼翼緣若焊接肋板容易產生熱變形，并且此處不是設備承載的關鍵部分，所以此處的變形可以忽略。鉆機平臺的關鍵部位矩形管、鉆機、直線光軸變形不大，符合設備設計要求。

圖9　第1階振型　　　　　圖10　第2階振型

圖11　第3階振型　　　　　圖12　第4階振型

圖13　第5階振型　　　　　圖14　第6階振型

5　結束語

本文通過對多個軟件的學習分析，充分利用了各個軟件的優點，揚長避短。用Hypermesh中ABAQUS模塊對模型進行網格劃分，再導入到Workbench中定義材料、接觸、約束、載荷，得到了鉆機平臺的靜力、模態分析。通過聯合仿真提高了速度和精度，并為其它有限元分析提供借鑒。

[1]陸爽，孫明禮，丁金富,等. ANSYS Workbench13.0有限元分析從入門到精通[M].北京：機械工業出版社，2012.

[2]舒彪，喻道遠，王燈,等.采用 UG、HyperMesh 和 ANSYS 的齒輪軸模態分析[J].現代制造工程, 2012(2)：71-73,121.

[3]王磊,吳新躍.基于Hypermesh 和 ANSYS 的輪胎式聯軸器的強度分析[J]. 機械工程師, 2011(12)：47-49.

[4]朱峰，李書曉.基于Hypermesh和Workbench的排氣系統模態分析[J].機械工程與自動化, 2014(1)：62-64.

[5]熊珍兵,羅會信.基于HyperMesh的有限元前處理技術[J].排灌機械, 2006, 24(3):35-38.

[6]袁安富，陳俊.ANSYS在模態分析中的應用[J]. 中國制造業信息化, 2007，36(11):42-44.

Modal analysis of the rig platform based on Hypermesh and Workbench

LI Mao, LIU Huanlong, YU Lanying, KE Jian

In this study, we used the ABAQUS template in Hypermesh to automatically draw the grid for a complex assembly, which replaced the format conversion process in ANSYS. Then we used Workbench for calculation and analysis, and obtained the static and modal analysis results of the complex assembly. Such method is fast and efficiency, and can greatly reduce product development time and cost. It can also be applied to other finite element analysis projects.

finite element，Hypermesh，Workbench，rig platform，modal analysis

TP391.7

A

1002-6886(2016)04-0013-05

李茂(1988-)，男，碩士研究生，研究方向機電液一體化、流體傳動及控制。

2015-08-26