装配体静力学仿真中的零件隔离分析法

随着机械产品结构的日益复杂化，用 CAEComputer AidedEngineering技术进行强度计算得到了广泛的应用，也引起了很多 CAE研究者的关注1司。在进行装配仿真时，设计人员关心的往往只是其中某几个特殊零件。以往的仿真方法-般是首先对整个装配体进行仿真，然后对感兴趣的零件进-步加密网格，再次对整个装配体进行仿真；逐次加密单个零件的局部网格并对整个装配体反复仿真后，最后得到所关注零件的比较精确的计算结果。

上述方法需要对整个装配体进行多次仿真，计算效率较低。

而在有限元法中，为了对复杂结构的局部区域进行高精度仿真，采取了子模型法。该法在对整个机构进行-次粗略仿真后，就取出以高应力区为核心的-片小区域，而用插值的方式把边界节点的位移映射到该区域边界以作为边界条件，此后对于局部该区域进行反复的网格加密以得到更加精确的计算结果。

把子模型的思想引入到装配体的零件高精度分析中。通过在对整个装配体做-次粗略网格划分并进行强度仿真后，隔离所研究的零件，而该零件的边界条件则用上次仿真中周围节点的位移来替代，从而形成-个力学中独立的受力分析体。然后可以对该受力分析体进行网格加密并反复仿真以得到更精确的计算结果。由于该法只对装配体进行了-次粗略仿真，而后续的仿真则只对-个零件进行，这使得计算效率大大提高。研究发现，该法也与整个装配体仿真保持了相同的计算精度。

下文首先对子模型法做-个简要介绍，然后通过-个连杆系统的例子以详细阐述提出的零件隔离法。

2子模型法简介子模型法也称为切割边界位移法 cut-boundary displacementmethod，它基于 St.Venant原理，即：如果-种实际分布的力可以被统计等效系统所替代的话，那么这种替代对应力和应变的影响仅局限在施加在载荷的周围。下面通过-个例子来说明子模型法。

如图 1a所示的-个滑轮有限元模型，该模型在远离拐角的地方网格划分合理，可以得到较为准确的计算结果。而在拐角处，由于存在应力集中，导致此处的应力急剧变化，而此处的网格则比较粗糙，从而并不能准确反映该处的应力变化。为了得至U该来稿 日期：2012-1 1225基金项目：湖北侍育厅科技项目Q20101701；武汉工业学院2012Y09作者简介：宋少云，1972-，男，副教授，博士，主要研究方向：CAE，有限元，机械系统仿真，多学科集成
226 机械设计与制造No.9Sept.2013上同-边线的 Von Mises应力，并把该数据与装配体仿真中同-边线上的Von Mises应力进行对比，并绘制曲线，如图4所示。

蓦譬董0 50 100 150 20oLinm图4连杆 口6边的应力图线Fig.4 Connecting Rod ab Stress Curve图4中，横坐标是从杆件的起点到终点的距离，起点是。，终点是b，单位是 mm；而纵坐标是路径上各点的应力，单位是 MPa。

图中有两组 曲线 ，其中 ASSEMBLY-是装配体分析的结果 ；SOLATOR-是对隔离体分析的结果。按照上述方式，依次取bc，cd，e ，肮为研究对象，如图3所示。并把相关的圆柱销与之放在-起，然后导入相关的位移设置命令流文件，仿真后得到对应边线的Von Mises应力，并与处理 ab杆类似的方式绘制各边的应力对比曲线，得到的曲线，如图5～图9所示。

350300墨250§200§150董g 100> 50O4O0重300200宝10000 50 100 15O 200/Aam图5连杆6c边的应力图线Fig.5 Connecting Rod bc Stress Curve0 50 10o 150 200mm图6连杆cd边的应力图线Fig.6 Connecting Rod cd Stress Curve3503oo重250200§150g 10050O0 50 100 150 200Lmm图 7连杆 e边的应力图线Fig.7 Connecting Rod eh Stress Curvemm图 8连杆后边的应力图线Fig.8 Connecting Rod唐 Stress Curve0 20 40 60 8U l00 120 140Lmm图9连杆 边的应力图线Fig.9 Connecting Rod hi Stress Curve从图4～图9可以发现，使用零件隔离分析法得到的各零件的应力分布，与装配体总体仿真得到的应力分布。从图线上是完全重合的。对比了二者的数据，发现最大的误差不到千分之-，在有限元仿真里面，这已经是相当精确的结果了。

5结束语装配体仿真已经成为 CAE在机械设计中应用的-个热点。

相对以往的单个零件仿真而言，装配体仿真的最大特点是节点数目庞大而计算量惊人。但是对于装配体，我们所关注的往往只是其中某几个零件的强度问题，所以如何对这些零件进行高效而精确的强度分析就成为-个重要的任务。 下转第230页-日 -嚣占∞∞譬-暑 E0230 机械设计与制造 No.9Sept.2013结构系数1-3分别为OtlOl3与卢2关系曲线图7托架载荷系数 与 关系Fig.7 Relationship of Bracket Loading Coeficient and与1-3分别为 q 与 关系曲线图 8托架载荷系数 与 关系Fig.8 Relationship of Bracket Loading Coeficient and与4结论1根据架车机同步工作的偏载工况，建立了架车机托架作用力求解的力学模型，导出传动机构以及机架对托架作用力求解的计算公式。2在力学模型基础上，以典型产品的结构参数为依托
，进行托架的结构因子以及托架滚轮的等效摩擦系数对托架受力影响进行定性分析，并给出托架的结构因子确定的方法
。3托架力学模型、计算公式以及托架的结构系数和摩擦系数对托架力学性能影响的分析结果可为架车机优化设计和力学分析提供理论基础
。