基于Pro/E模块Mechanica分析及工程设计中的应用

2013-12-31徐桂旭聂万芬

机械工程师 2013年4期

徐桂旭，聂万芬

（1.中国电波传播研究所，河南新乡453000；2.河南省经济贸易高级技工学校，河南新乡453000）

1 引言

Pro/E 是目前在设计领域中功能比较强大的三维软件，其完善的设计模块已在工程设计中得到了相当广泛的应用，尤其在一些复杂的内部结构设计、曲面设计中，更是体现了其设计的优越性。但在一些专业的领域，如石油测井仪器方面，在完成外形尺寸的设计后，更重要的是考虑到井下复杂的压力、温度等条件，需对设计的零件进行强度方面的校核。目前由于受ANSYS 等专业分析软件的影响，Pro/E 中分析模块Mechanica 分析的局限性和可靠性一直受着工程设计人员的质疑，所以，常常在Pro/E中建模，再导入到ANSYS 中进行分析，由于在不同软件中进行模型转换，会带来不同程度的失真，这使设计分析的可靠性大大降低，而如果采用Pro/E 内置分析模块Mechanica，会很好地将设计模块和分析模块有机地结合起来，实现强度分析对模型设计的指导。

本文主要针对某一具体的石油仪器零件，分别在Pro/E 和ANSYS 中建模、分析。通过分析结论的对比，证明在轴对称这一类图形的受力分析中，通过适当的网格划分，Mechanica 的分析结论可靠，同时能够满足工程设计的精度要求。

2 Pro/E 与ANSYS 建模分析

以图1 石油测井仪器的钢筒作为实例，做以下分析。

环境条件：外压50MPa，内压0MPa；材料：05Cr17Ni4Cu4Nb；弹性模量：E=2e11；泊松比：ξ=0.3；屈服应力：σs=920MPa。

对模型做以下简化：钢筒是回转体，轴是对称图形，可简化为一截面受力分析，在测井过程中，随着深度的不断增加，外界压力也在增大，为保证仪器能安全地进行测井，需对仪器的薄弱处进行强度校核，由钢筒下接头简图2 可知，螺纹退刀5×φ80.5 处是设计时应着重考虑的。

图1 测井仪器钢筒

2.1 Pro/E 分析模块Mechanica 中的分析过程

本文着重分析钢筒下端的受力。

图2 钢筒下接头简图

第一步：建模。以Front 面作为草绘平面，Top 面作为顶部参考，按照简化图的尺寸，创建旋转特征，在第一象限旋转90°。对于轴对称图形的分析，为了便于坐标以及参考面的选择，一般将1/4 模型创建在第一象限。

第二步：定义材料属性。进入Mechanica，选择类型：2D Axisymmeric，定义材料属性（弹性模量、泊松比以及屈服应力），也可以任意选择一种结构钢材料，如Steel，然后点击编辑，在弹出的对话框里修改相关的参数。

第三步：网格划分。通过对边节点的控制，划分网格如图3。在此可以为每条边设置不同的节点数，使划分的网格足够均匀，同时对关键部位进行细化。这里重点说明一下设置里的几个参数：

在网格划分时，可以调整各个具体参数的数值，使网格划分到理想的程度。

图3 Pro/E 网格划分

第四步：定义约束及加载。Dx:- Dy.0 Dz.0 表示X 轴平移自由度不进行约束，Y 轴、Z 轴平移自由度完全约束；Rx:0 Ry.0 Rz.0 表示X 轴、Y 轴、Z 轴旋转自由度完全约束。此例对螺纹处采用完全约束，其他两处根据实际情况进行约束，如图4。

图4 载荷约束

第五步：定义一个静态分析，运行，通过信息窗口察看当前的运行状态，直至运行结束。

2.2 ANSYS 中的分析过程

第一步：建模。计算简化图中各点的坐标值，在XY平面内建立截面模型。

第二步：单元类型选择。Solid Triangle 6node 2，option中的element behavior 选择Axisymmetric，定义材料属性，采用自由网格划分，smart size 设置为2，形状选择为三角形，在螺纹退刀处细化网格，如图5。

图5 ANSYS 网格划分

图6 载荷约束

第三步：定义约束及加载方式。如图6，与在Pro/E中完全相同。

第四步：运行［1］。

3 Pro/E 与ANSYS 分析对比

Mechanica 中整个截面应力分布云图如图7。

图7 Pro/E 分析云图

ANSYS 中整个截面节点的应力分布云图如图8。

由二者的云图可见，螺纹退刀处及周围的应力分布趋势及应力值的大小相当吻合。

为准确对比二者的分析结果，我们取螺纹退刀处（去除两边圆角的长度）的应力值进行对比。

Mechanica 中退刀槽处（去除两边圆角的长度）应力随长度的变化曲线如图9。

ANSYS 中退刀槽处（去除两边圆角的长度）应力随长度的变化曲线如图10。

图8 ANSYS 分析云图

图9 Pro/E 中应力曲线

图10 ANSYS 中应力曲线

由图9 和图10 可见，螺纹退刀槽上各点的应力值，二者的分析结果相当吻合，由此证明Mechanica 分析结论可靠。

4 注意事项

（1）由于Mechanica 采用有限的几种单元类型，包括2D 单元类型：三角形、（三角形和四边形）混合类型。3D单元类型：四面体、（楔形和四面体）混合类型、（长方体、楔形和四面体）混合类型，所以在网格划分的过程中，常常需要通过设置节点来控制网格划分的精度，确保网格划分的均匀一致，对于单一零件分析推荐使用一种单元类型。在Pro/E 分析过程中，并不是网格划分的单元越多越好，而是划分网格越均匀，分析的可靠性越高。

（2）在约束时首先分析采用何种约束形式，除一些焊接或者螺纹连接采用完全约束外，其他的一些要分清在哪一个方向留有自由度，这对分析的结论会有不同程度的影响。总之，约束时，参照零件工作时的状态，做到准真实模拟。

（3）以上的分析结论是通过多次的网格划分，在多次分析的基础上，当分析结论几乎不发生变化时，认为是最终的分析结论。