ANSYSWORKBENCH在工程中的应用

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1、ANSYS亞瓜ANSYS WORKBENCH在工程中的应用胡金华燕山大学机械工程学院塑性成形系，066004摘要有限元软件先驱之一 ANSYS公司的ANSYS WORKBENCH 革新性地引入了项目示意图概念来捆绑各核心应用， 是目前世界上多物理场分析流程最为清晰、最易于工程应用的软件之一。近期典型工程应用有：车轮径向疲劳试验有限元分析及排气歧管流固耦合热应力分析等。对于多物体接触问题，ANSYS WORKBENCH 可以比较有效地控制物体间曲线边界网格的匹配， 从而实现求解问题的快速收敛。对于流固耦合问题，ANSYS WORKBENCH 分析流程清晰、易于使用，具有广阔的工程应用前景。关键词

2、ANSYS WORKBENCH 有限元车轮排气歧管流固耦合热应力Application in Engineering of ANSYS Workbe nchHu Jin huaYan shan Uni versity, 066004Abstract ANSYS, Inc. is one of the pioneers of the finite element software. ANSYS WORKBENCH,which innovatively introduced the concept of project schematic diagram to bundle various cor

3、e application, is one of the clearest and user friendly softwares with regard to the multi-physical field analysis flow in the world. The FE analyses of the wheelradial fatiguetesting and the fluid-solid coupling thermal-stress of the exhaust manifold are the recent classical engineering application

4、s. For a multi-object contact problem, ANSYS WORKBENCH is able to effectively control the matching of the curvature boundary meshes between different objects. Therefore, a quick convergence may be obtained for a problem.For a fluid-solid coupling problem, the analysis flow of ANSYS WORKBENCH is clea

5、r and user friendly. In summary, ANSYS WORKBENCH has a wide prospect with regard to the engineering application.Keyword ANSYS WORKBENCH FEM Wheel Exhaust manifold Fluid-solid coupling Thermal-stress1 刖言本文作者自1995年以来一直致力于有限元分析，擅长应用ANSYS、ANSYSWORKBENCH、ANSYS LSDYNA、ANSYS CFX、FE-SAFE、ABAQUS、FORGE、DEFORM

6、、PROCAST及HYPERWORKS等软件进行板料成形、体积成形、结构优化设计、铸造工艺以及材料蠕变和疲劳等方面的分析。这些年来，应用ANSYS WORKBENCH/LSDYNA 解决了不少工程实际设计问题。典型工程应用有：1)1999年，应用于中信戴卡轮毂制造股份有限公司的轮毂疲劳寿命有限元预测。该问题采用ANSYS进行了轿车轮毂弯曲疲劳分析，取得了较好的效果；2)2000年，与一重集团合作的核电筒体翻管锻造成形数值模拟。 该问题采用ANSYS/LSDYNA进行了核电筒体接管锻造成形过程的三维数值模拟；3)2000年，应用于北京北开电气公司的80KA真空开关温度场有限元分析及其结构设计，该

7、问题采用ANSYS进行了真空开关三维热电耦合分析；4) 2004年利用ANSYS/LSDYNA通过对网格重划分进行二次开发建立了特大型船用曲轴曲柄锻造工艺优化模型，对曲柄毛坯形状进行了优化；5)2007年，应用ANSYS WORKBENCH 建立了车轮冲击强度有限 元分析模型；6) 2008年，对某混凝土泵车液压缸结构进行了有限元分析；7)2009年，应用ANSYS建立了加热炉钢结构优化设计分析系统，同年，对某风力发电机械装置进行了结 构有限元分析；8)2010年，基于VC#将ANSYS作为子程序调用初步完成了车轮结构优 化设计软件的开发工作；9)2011年，应用ANSYS WORKBENCH

8、 进行了某液压机结构有 限元分析，解决了某车轮径向疲劳试验有限元分析难以收敛问题，近期实现了排气歧管流场-热应力耦合分析。下面仅以2011年两个工程分析实例进行简要介绍。2车轮径向疲劳试验有限元分析2.1 问题背景车轮径向疲劳试验主要用于检验车轮与轮胎配合性能、轮辋和轮辐的连接强度和结构 强度，使用的试验设备为转鼓式动态径向疲劳试验机，如图1、图2所示。径向负荷车轮图1车轮径向疲劳试验原理图图2车轮径向疲劳试验图该问题最初采用 ABAQUS软件进行分析，但是对于此问题 ABAQUS计算难以收敛， 采用ANSYS WORKBENCH 进行分析，顺利得到了收敛解。下面分别对该问题的具体模型 及分析

9、过程进行简要介绍。2.2 模型建立考虑对称性，建立图3所示一半模型，该分析模型包括轮胎、钢丝、外轮圈、内轮圈、法兰盘、螺栓。图4为其有限元模型，共划分为184945个单元，334761个节点。轮胎内的钢丝与轮胎之间建立粘接接触关系，其余物体之间建立摩擦接触关系，摩擦系数取为0.1。轮胎采用2参数Mooney-Rivlin超弹性材料，钢丝、螺栓与法兰盘为钢质材料、外轮圈与内轮圈为铝合金材料。法兰盘端面位移约束为零。分为三个载荷步加载，第1个载荷步施加初始螺栓预紧力，第 2个载荷步每个螺栓施加指定20000 N预紧力并分别在轮胎内表面与轮辋外表面施加气压 0.5 MPa，第3个载荷步锁死螺栓并在轮

10、胎表面15度范围内施加径向载荷40000 N。分别采用2种方案进行计算，每个方案在本项目组现有的普通计算机上计 算约需4.5小时。图3几何模型图4有限元模型2.3 计算结果A： Statk Structurali rnum Ftincipal Stress Type Maximum Prircipal Uhlt: NPaTime： 32011-6-30 8:5088.61 Max412.96337.32261.67196.03110.39M.742-43.902-116,35-192.19 Mln210.21 Max171 22132.239323654.2415.253-23739-62.7

11、310172-140,71 MinA: Static StructuralMaximum PrincipalType； Maximum PrincipdUnit;沁Time: 32011-6-30 g：绸图5方案1外轮圈局部第1主应力分布图图6方案2外轮圈局部第1主应力分布图方案1为初始设计方案，方案 2为改进设计方案。由图 5可见方案1计算得到的外轮 圈最大主应力达到 488MPa，超过其抗拉强度 375MPa。方案2加大了外轮圈厚度尺寸，经 计算最大主应力降低到 210MPa。多物体接触计算难以收敛的主要原因之一是由于两物体间 曲线边界网格划分不一致而导致接触面初始侵入。利用ANSYS W

12、ORKBENCH 可以尽可能减小初始侵入量，从而使问题计算易于收敛。3排气歧管流固耦合热应力分析排气歧管结构比较复杂，某公司提供的原始模型包括刻字等细节几何信息，首先利用UG简化模型，并生成空气域几何模型，将处理后的模型导入 ANSYS WORKBENCH 。图7为流场分析几何模型。图 8为热应力分析几何模型。图9为整个分析过程流程图。ANSYS图7流场分析几何模型图8热应力分析几何模型巴 GeometryjguWd严北W帀- JH-I. 3.1 J.lui5)Gsamriry3夕两V丿严3国 GeonwtryV w-鬥 苗 Gwnetry* *瓯隔”MtKtei“ J4 巴 Motto5 g

13、) SflUton7 d4 -sI Setup八1 5 管 59W6 拿 ISt5U i 冉乙住八 包此忌律声5 t=.阳*右图11流场分析设置344,15 Max299.37251.58209.7916501120,2275.43130.644-14.14358.93 Min图12排气歧管第一主应力分布图D: Slatk SWc rural (ANSYSJMaximum Principal Sires 2 Tjpe: Nt&:imum frinciral Sires Uhli： w-aTime: 1 2011-7-14 7:47图10为流场分析模型有限元网格图。共划分为577004个四面体单

14、元，155024个节点。图11为ANSYS CFX流场分析设置界面。分析类型设置为稳态热流场分析，进气温度为 1000C，进气口还需设置气体流速。通过流场分析，可以得到排气歧管与热空气接触界面 温度分布。在此基础上进行热应力分析（其几何模型如图10所示）中的温度场分析及结构应力分析。图12为排气歧管最大主应力分布图，由该图可以判断该排气歧管是否满足设计要求并确定热疲劳危险区。4结论本文介绍了 ANSYS WORKBENCH 应用于两个不同领域实际工程分析实例。有限元应用于工程中可以指导产品设计，缩短产品设计制造周期，减少产品研发费用，从而给企业 带来巨大经济效益。对于多物体接触问题，关键之一为接触的处理，尤其是有一般曲线形 接触面之间由于网格划分而引起的初始侵入应尽可能小。采用ANSYS WORKBENCH 进行流固耦合分析流程清晰、易于用户学习使用，具有较大的工程应用前景。参考文献1 ANSYS Manuals, ANSYS 公司,1999 年.2浦广益.ANSYSWorkbench12基础教程与实例详解.中国水利水电出版社.2010年10月.