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CAE中的单位协同及其在刚柔耦合多体动力学分析上的应用


CAE中的单位协同及其在刚柔耦合多体动力学 分析上的应用
何灿峰 (华南理工大学机械与汽车工程学院,广东广州510641)
Systems of Units Coordination about CAE and Its Application Dynamic Analysis
HE Can—feng (School of on

Rigid—-flex Muhibody

Mechanical and Automotive Engineering,South China University of Technology。Guangzhou 510641。China)

摘要:在研究CAE中不同单位制之间的相互 关系的前提下,通过ANSYS和RecurDyn联合分 析,验证两者间的单位协同机制,从而找出各自在参 数输入输出方面应遵循的准则。给国内CAE技术 人员在单位管理方面提供借鉴,特别地,对ANSYS 和RecurDyn间的数据交换提供示范。 关键词:CAEIANSYS;RecurDyn;单位协同l 数据交换 中图分类号THll3 文献标识码:B 文章编号:1001—2257(2011)03—0075—03
Abstract:This paper studies the relationships
on

CAE软件,联合各种软件的优势完成工作。 正因为存在联合多种软件解决问题的需要,各 种软件间的数据交换就显得尤为重要。而不同软件 之间的单位协同在数据交换中起着决定性的作用, 有必要进行探讨。本文阐述了CAE软件中的单位 问题。研究了常用单位制及其相互之间的转换,并介 绍了单位设置在ANSYS…和RecurDyn[23刚柔耦合 多体动力学分析上的应用。 本文着重论证ANSYS和RecurDyn的单位协 同,得出各自在参数输入输出方面应遵循的准则: 不同单位制的数据转换应以单位制下的单位量纲为 基准,参数输入输出根据不同软件在不同单位制下 普通单位的不同而有所差异。 1
1.1

between different systems of units

CAE

field,

verifies the units coordinating mechanism between ANSYS and RecurDyn by union test,and find out the rule that must be follow while inputting
or

ANSYS和RecurDyn的单位协同
CAE中的材料性能单位[31 大多数CAE软件都不规定所使用的物理量的

Out-

putting data finally.This paper provides reference
on

units

management for domestic people.Espe—

单位,不同问题可以使用不同的单位,只要在一个问 题中各物理量的单位统一就可以。如果单位不统 一,容易在计算过程中出现奇异或数据溢出,从而导 致不收敛。但是,由于在实际工程问题中可能用到 多种不同单位的物理量,如果只是按照习惯采用常 用的单位,表面上看单位是统一的,实际上单位却不 统一,从而导致错误的计算结果。

cially,it shows how to exchange data between AN- SYS and RecurDyn. Key words:CAE;ANSYS;RecurDyn;systems of units coordination,database exchange



引言
随着计算数学理论和计算机技术的发展。出现

比如,在结构分析中分别用如下单位:长度,ml 时间,s;质量,kg;力,N;压力、应力、弹性模量,Pa 等,此时单位是统一的。但是如果将压力单位改为 MPa,保持其余单位不变,单位就是不统一的f或者 同时将长度单位改为mm,压力单位改为MPa,保持 其余单位不变,单位也是不统一的。由此可见.对于
?

了一大批成熟的CAE软件。由于各种软件均有其 局限性,为了解决工程问题。往往要同时用到多种
收稿日期。2010一09—02

‘机械与电子)2011(3)

75?

万方数据

实际工程问题,不能按照手工计算时的习惯来选择 各物理量的单位,而是必须遵循一定的原则。 物理量的单位与所采用的单位制有关。所有物 理量可分为基本物理量和导出物理量,在结构和热 计算中的基本物理量有:质量、长度、时间和温度。 导出物理量的种类很多,如面积、体积、速度、加速 度、弹性模量、压力、应力、导热率、比热、热交换系 数、能量、热量和功等,都与基本物理量之间有确定 的关系。基本物理量的单位确定了所用的单位制, 然后可根据相应的公式得到各导出物理量的单位。 本文只对与结构有关的物理量进行讨论。 实际上,单位制的统一并不是表面上的单位统 一,而是各物理量在量纲上的统一。例如: a.静力问题。基本物理量是长度、力和质量。 如果长度用m,力用kN而质量用g,那么应力的单 位就是kN/m2,而不是N/m2。 b.动力问题。基本物理量是长度、力、质量和时 间。如果长度用mm,时间用s,质量用kg,而力用N 是有问题的。根据牛顿第二定律,所有单位均按标 准单位时,N=kg?m/s2。但如果长度为mm,质量 为kg,时间用s,则有mN=kg?mm/s2。所以,正确 的基本单位组合应该是mN,mm,kg,s。 总之,要做到单位制统一,具体做法是:首先确 定各物理量的量纲,再根据基本物理量单位制的不 同得到各导出物理量的具体单位。 在选定基本物理量的单位后,可导出其余物理 量的单位,可以选用的单位制很多。 常用单位制的物理量单位及其相互之间的转换 关系如表1和表2所示。
襄1 常用单位制的物理■单位

裹2不同单位制的物理■与 I【g一111一s单位制的换算因子

表2中,第4列中给出的是将kg—m—s单位制 中的数值转换到其它单位制时(在准备输入数据 时)所乘的因子;如果需要将其它单位制中的数值 转换到kg—m—s单位制(在分析计算结果时),则 应该除以该因子。
1.2

ANSYS和RecurDyn单位协同 ANSYS作为通用有限元分析软件,其所有运

算同样是不带单位的。用户可自定义单位.但必须 统一。统一自定义单位,其实就是如果把某个SI基 本单位替换为自定义的单位,那么所有推导出的单 位中用到那个Sl基本单位都得用自定义的单位换 算过来,例如长度Sl单位是m.如果换成弘m,那么 所有推导出来的单位中含有长度的都得换成弘m。 需要特别指出,ANSYS中的/UNITS命令只 起到标记系统所采用单位制的作用,而对实际的分 析结果和数据结构是没有影响的。就是说./UNITS 命令没有任何单位转换的功能,它不会将数据从一 个单位制转换到另一个单位制。单位制设置可通 过/STATUS命令查询。 对于RecurDyn软件来说,不需要在生成模态 中性文件时指明ANSYS所采用的单位制,Recur- Dyn会默认其所输入的模态中性文件采用与其相同 的单位制。所以,只需要将ANSYS和RecurDyn统 一单位制就可以了。 另外,在ANSYS中导人几何模型时需要注意 模型尺寸的转换,使用VLSCALE命令,可以比例 放大或缩小模型.这样可以完成模型尺寸单位转换。 例如,导人的几何模型为米制.但在ANSYS中需要

?76?

‘机械与电子}2011(3)

万方数据

采用MMKS单位制时,则需要将几何模型在尺寸 数值上放大1 000倍。在ANSYS命令输入窗口输 入“VLSCALE,1 2
000,1 000,1

mm3,泊松比v=0.285,弹性模量EX待确定。 根据材料力学理论‘利,可得四方体X方向即横 截面平均应力为。 以=E/a一2.5 MPa 四方体X方向即长度方向的变形量为:
lTlm (1)

000”即可实现。

ANSYS和RecurDyn单位协同验

利用ANSYS生成模态中性文件,然后导入

Al,=R×Z/E×A=O.005

(2)

分别取EX等于2E11,2E8,2E5,并利用AN— SYS和RecurDyn分别作验证,结果如表3和表4 所示。
裹3 ANSYS验证结果

RecurDyn中生成RFlex柔性体,以生成的柔性体 替换多刚体动力学模型中对应的零部件,从而建立 刚柔耦合多体动力学模型,这是利用ANSYS和 RecurDyn进行刚柔耦合动力学仿真的一个途径。 本部分将根据模态中性文件和RFlex柔性体的生 成过程中涉及到的单位协同问题进行验证。 令ANSYS和RecurDyn采用统一的单位制kg —mm—s(MMKS)。ANSYS应取以下单位量纲:力 (mN).应力/弹性模量(kPa),长度(mm),质量 (kg)。虽然ReeurDyn在MMKS单位制下的具体 单位是,力(N),应力/弹性模量(MPa),长度(mm), 质量(kg),但RecurDyn在实际的运算和数据转换 的时候依然严格恪守MMKS单位制下各单位量 纲。具体的做法是: a.在ANSYS中生成模态中性文件时,按照 MMKS单位制输入输出实常数、材料参数和载荷 等,例如在输入力载荷时应该以mN为单位,而输 出应力结果的单位应该是kPa。 b.在RecurDyn中创建RFlex柔性体模块时, 按照RecurDyn在MMKS单位制下的具体单位添 加载荷及进行后处理操作,例如在输入力载荷时则 应该以N为单位,而输出应力结果的单位应该是
MPa。

RecurDyn中柔性体的弹性模量继承自AN— SYS,且无法在RecurDyn中再修改。 2.3应力不随EX变化的原因分析 变形量随着EX变化而变化,两者作用相互抵 消,致应力无变化。理论分析过程如下:
们=El£l 0"2=E2e2


(3)
(4)

2.1创建一个力学模型 力学模型信息: a.四方体,尺寸为200 mm,用solid45单元mesh。 b.在四方体两端面正中心外侧创建关键点,用 mass21单元mesh,作为外部节点。
c.用Rigid Region将端面上的节点与对应的外 2.4
mm×200 mm×400

△=I口l—cr2 I=÷l El△zl—E2△厶l
/'0

(5)

取RecurDyn验证得到的2组数据,E1=2E8,
All一0.004 91和E1—2E5,A12-----4.91,代人上式可

得血=0。
因此应力不随EX变化是合理的。 以变形量为主要依据确定EX输入值 比较材料力学分析结果和验证结果可知,在 EX=2E8时。ANSYS和RecurDyn得到的变形量 结果一致,且与材料力学理论分析结果相近,故在 MMKS单位制下,应取普通结构钢的弹性模量EX 为2E8 kPa作为生成模态中性文件时的输入值。
?77?

部节点约束起来。 d.一端固定,另一端施加力,大小为108 mN。方 向沿X轴。 2.2力学分析 确定普通结构钢的密度DEN=7.85E一6 kg/
《机械与电子2}201l(3)

万方数据

基于SolidWorks平台的 糕点切片机设计
刘源1,吴海涛1,刘泓滨1,付骏字2 (1.昆明理工大学机电x-tO.学院,云南昆明650500;2.昆明理工大学应用技术学院,云南昆明650500)
Design According
LIU (1.Faculty of to

the Pastry Slice

Machine

of

SolidWorks

Terrace

Ynanl,wu

Hai—ta01,LIU Hong—binl,FU Jan—yu2

Mechanical and Electrical Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China; Technology,Kunming 650500,China)

2.Faculty of Applied Technology,Kunming University of Science and

摘要:利用SolidWorks软件,根据糕点切片机 的设计要求进行了三维建模,进行了设计零件的装 配,验证了设计方案的正确性,模型使用棘轮机构实 现了切片厚度可调的功能。使用该软件进行三维建 模,节省了设计工作时间,节约了设计经费,做到了 一次设计成功。 关键词:SolidWorks;糕点切片机;棘轮;机架; 切刀 中图分类号:THl22 文献标识码:A 文章编号:1001—2257(2011)03—0078—03
Abstract:The design that makes
use

the software of platform up carried

on

the assemble

of designing the spare parts,verified the accuracy of designing the

project,the model used ratchet
out

wheel the organization carried
ness

the slice thick—
to car-

adj ustable function.Used that software


ry

on

3D model to


save



design working time,e—
SUC—

conomi杰ed
cess

design budget,attained to design

at



time.

Key

words:SolidWorks;pastry

slicer;ratchet

wheel;frame;cutter

of Solid-

Works

to

cut

into slices machine according to the
on a




引言
计算机的三维图形设计是近30年快速发展起

pastry requests to carry

3D model,provide in

收稿日期:2010一11—09 基金项目:教育部第三批高等学校特色专业建设点(TSlll37)

来的,使用SolidWorks三维工程软件可以直接从三

总之,如果采用MMKS单位制,在ANSYS中 生成模态中性文件时,普通结构钢的材料参数应取: 密度DEN=7.85E一6 kg/mm3,泊松比口=0.285, 弹性模量EX一2E8 kPa。验证结果证明,不同单位 制的数据转换应以单位制下的单位量纲为基准,参 数输入输出根据不同软件在不同单位制下普通单位 的不同而有所差异,这一准则是正确的。 3

位制‘5。。 参考文献:
[1]段进,等.ANSYSl0.0结构分析从入门到精通[M]. 北京:兵器工业出版社/:11:京科海电子出版社.2006. [2]黄运琳.RecurDyn在多体动力学上之应用[M].台北: 五南文化出版社。2009. [3]邹正刚.有限元分析中的材料性能单位[J].中国仿真

结束语
论证了MMKS单位制下ANSYS和RecurDyn

科技论坛电子期刊.2004。(1):l一4. [4]Hibbeler
2006. R

C.材料力学[M].北京:电子工业出版社.

的单位协同。推而广之,可将其应用于ANSYS和 ADAMS,或者其它CAE软件之间的单位协同,但 是要因应不同软件在具体单位上的特殊性作出改 变。注意,如果要从ANSYS的ADAMS接口输出 ADAMS所需的模型信息,则需要指定所采用的单
?78?

[5]李增刚.ADAMS入门详解与实例[M].北京:国防工 业出版社,2006.

作者简介:何灿一(1982--).男,广东广州人.壤士研究生.
研究方向为结构有限元分析和多体动力学.

‘机械与电子)2011(3)

万方数据

CAE中的单位协同及其在刚柔耦合多体动力学分析上的应用
作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 何灿峰, HE Can-feng 华南理工大学机械与汽车工程学院,广东,广州,510641 机械与电子 MACHINERY & ELECTRONICS 2011(3)

本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_jxydz201103023.aspx


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