到今天,在機械工程領域,越來越多的場合需要使用有限元軟體來計算強度,剛度問題,而且我們發現,所出現的問題,絕大部分屬於裝配體的分析。但是如果我們在市面上尋找WOKRBNCH做裝配體分析的書籍,我們恐怕會大失所望。專門談裝配體分析的書籍相當少。這兩年,關於WOKRBNCH的書倒是有了一些,但是大多傾向於把傳統經典介面的一套直接移植過來,就是用WOKRBNCH來分析經典介面中做了一些例題,而對於我們實踐中急需的裝配體分析的專門技術,卻很少涉及。實際上,別說書籍,就連學術文獻,如果我們到資料庫中去搜索裝配體分析方面的學術文獻的話,我們也會無功而返。

於是出現了這樣的現實,一方面,在工程實踐中大量的裝配體需要模擬,從而大量的CAE工程師急需理論指導;而另一方面,在學術界對於裝配體分析方面的研究,文章和書籍卻很少,這不能不讓人感到困惑。

在這裡,筆者打算拋磚引玉,先丟擲一些裝配體研究的基本問題,以後,請感興趣的朋友加以研究。在ADAMS的書寫完以後,筆者也會把精力轉移到此方向上來。

裝配體的模擬所面臨的問題包括:

(1)模型的簡化。這一步包含的問題最多。實際的裝配體少的有十幾個零件,多的有上百個零件。這些零件有的很大,如車門板;有的體積很小,如圓柱銷;有的很細長,如密封條;有的很薄且形狀極不規則,如車身;有的上面鑽滿了孔,如連線板;有的上面有很多小突起,如玩具的外殼。在對一個裝配體進行分析時,所有的零件都應該包含進來嗎?或者我們只分析某幾個零件?對於每個零件,我們可以簡化嗎?如果可以簡化,該如何簡化?可以刪除一些小倒角嗎?如果刪除了,是否會出現應力集中?是否可以刪除小孔,如果刪除,是否會剛好使得應力最大的地方被忽略?我們可以用中面來表達板件嗎?如果可以,那麼,各個中面之間如何連線?在一個杆件板件混合的裝配體中,我們可以對杆件進行抽象嗎?或者只是用實體模型?如果我們做了簡化,那麼這種簡化對於結果造成了多大的影響,我們可以得到一個大致的誤差範圍嗎?所有這些問題,都需要我們仔細考慮。

(2)零件之間的聯接。裝配體的一個主要特徵,就是零件多,而在零件之間發生了關係。我們知道,如果零件之間不能發生相對運動,則直接可以使用繫結的方式來設定接觸。如果零件之間可以發生相對運動,則至少可以有兩種選擇,或者我們用運動副來建模,或者,使用接觸來建模。如果使用了運動副,那麼這種建模方式對於零件的強度分析會造成多大的影響?在運動副的附近,我們所計算的應力其精確度大概有多少?什麼時候需要使用接觸呢?又應該使用哪一種接觸形式呢?

(3)材料屬性的考慮。在一個複雜的裝配體中所有的零件,其材料屬性多種多樣。我們在初次分析的時候,可以只考慮其線彈性屬性。但是對於高溫,過載,高速情況下,材料的屬性不再侷限於線彈性屬性。此時我們恐怕需要了解其中的每一種材料,它是超彈性的嗎?是哪一種超彈性的?它發生了塑性變形嗎?該使用哪一種塑性模型?它是粘性的嗎?它是脆性的嗎?它的屬性隨著溫度而改變嗎?它發生了蠕變嗎?是否存在應力鋼化問題?如此眾多的零件,對於每一個零件,我們都需要考察其各種各樣的力學屬性,這真是一個豐富多彩的問題。

(4)有限元網格的劃分。我們知道,通過WORKBENCH,我們只需要按一個按鈕,就可以得到一個粗糙的網格模型。但是如果從HYPERMESH的角度來看,ANSYS自動劃分的網格,很多都是不合理的,質量較差而不能使用。那麼對於裝配體中的每個零件,我們該如何劃分網格?對於每一個零件,我們是否要對之進行切割形成規則的幾何體後,然後儘量使用六面體網格?如果我們這樣做的話,那麼單單劃分網格這一項,就要消耗我們大量的時間。而且,當這種網格劃分完以後,我們還需要反覆加密網格,反覆計算,直到結果的收斂。就如同減速器這樣的一個裝配體,稍微粗略的劃分網格,都是10萬多個節點,如果我們網格劃分得細密一些,很容易上百萬個節點。這麼大量的節點,一般的筆記本和桌上型電腦計算起來都很困難。這給我們的模擬工作帶來了極大的困擾。

這些問題都是前處理中出現的。如何解決這些問題,恐怕要我們廣大的CAE工程師和CAE研究人員共同努力,從各個側面進行研究,得到一些個別的成果,然後在某些時候,再整合起來,得到具有普遍指導意義的方法和結論