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摘要：在产品校核与设计中，模拟分析软件Ansys通过对三维模型添加受力和约束条件，使得软件模拟出接近真实的使用情况，从模拟结果中可以得到危险区域受力情况，如果强度不够，则需要进行设计调整，加强该危险区域的强度；反之，强度过饱和，则需要利用模拟软件进行结构优化设计，即简化结构适当降低强度，减少材料等浪费。所以，本文就以转运胎架及吊耳为例，为大家介绍模拟分析软件Ansys在校核与设计中的具体应用。
关键词：有限元模拟分析；软件Ansys；校核与设计；结构优化
1.引言
目前许多企业的产品设计还依靠个人的经验积累设计而成，即由个人的经验做出初步的设计，再由此制作出成品，成品完成以后，进行试用以确保产品的可靠性，如果不能满足使用要求，则回去修改初始设计图，再制作样品进行试用，这种方法基本上称为试错法[1]。但这种方法存在一定的不确定性，会造成费时且成本升高的情况，这与公司推行的精益制造的宗旨相违背，不利于降本增效的实现且限制产品设计能力的提升。若在产品设计完成后，使用模拟软件进行各式各样的分析，可以在较短的时间内得到最佳化设计[2]，且成本极低。例如：产品的受力情况可以借助稳态结构模拟软件来模拟产品受力的情况及变形；机构动力的传动可以借助机构系统模拟软件来模拟各原件之间的动力传送，以及原件之间可能产生的摩擦力或接触力[3]。
2. Ansys模拟分析软件简介
Ansys模拟分析软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件[4]。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发。 它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, I-DEAS, AutoCAD等， 是现代产品设计中的高级CAE工具之一。
软件主要包括三个部分:前处理模块，分析计算模块和后处理模块。Ansys软件前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；Ansys软件分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；Ansys软件后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出[5]。
3. Ansys软件在产品及工装校核与设计中的应用
3.1 Ansys软件在产品及工装校核中的应用
3.1.1 Ansys软件对转运胎架的模拟校核分析
首先，需在三维软件中将转运胎架进行初期设计。
将初期设计好的三维图形导入到模拟软件Ansys中的静态结构模块中，然后将产品上一些受力面再次进行编辑绘制，以便于后期施加外力时使用。
前期工作完成后，便可进行下一步：分割网格，这一步是将工程模型转化为数学模型的过程，一般的模型直接进行自动网格划分即可。
网格划分结束后，再给胎架模型增加所需的外界条件：固定端、外力（16t*4）等。
外界条件增加完毕后，进行自动计算，在结果中显示整体变形及整体受力情况。
从图1整体受力图中可以看出，最大的应力值为187MPa，且区域较少，一般金属在达到此应力值时，只产生弹性形变不会发生塑性变形，即不会对此结构造成损伤，所以此胎架结构符合强度要求。在后期设计改进中可朝着轻量化方向进行，以达到降本增效的目的；胎架整体变形图中可以看出，最大的变形量为6.7mm，且为中间区域，这样可直观看出胎架变形情况，有助于产品梁结构挠度的设计来抵消其受力变形。
3.1.2 Ansys软件对吊耳的模拟校核分析
在吊耳的设计及验证强度的过程，与转运胎架方法及步骤基本一致，这里就不赘述。
此吊耳在54.2t承重的情况下，产生的最大变形量为0.08mm、最大应力值为195MPa，不超过一般金属材料的弹性极限，即吊耳不会产生永久性损伤，所以此尺寸的吊耳在承受54.2t的力时满足使用要求。
3.2 Ansys软件在产品及工装设计中的应用
3.2.1对转运胎架的轻量化设计分析及改善
首先导入初期胎架设计图到此软件结构优化模块中，前面施加外界载荷、网格分割与前面模块步骤方法一致，这里就不赘述，在最终结果导出时，会显示可移除区域（红色）、边界区域（黄色）和不可移除区域（灰色），如图2所示。
从图2可以看出此胎架上梁中的所有横向加强肋板（红色标识）可以去除，卷筒支腿下面的几个小加强肋板（红色标识）也可适当去除，从而使设计的产品达到最佳的经济使用价值。
3.2.2对吊耳的设计分析及改善
对吊耳结构的设计优化过程则与前面的类似，去除区域（红色）较少，所以此吊耳前期设计已经较为精简无需再减量。
4.结论
通过对以上胎架和吊耳的模拟分析，可以发现：
1.模拟软件Ansys对产品的校核有着较大的帮助，不仅能指导产品的危险区域位置，也能知道危险区域是否出现失效等意外情况，避免了生产工作不断试错的困境，真正能够起到提质增效的效果。
2.模拟软件Ansys对产品的设计有着指导性意义，其结构优化模块针对强度饱和现象，直接显示和加亮出受力很小且对强度影响不大的可移除区域，降低结构设计难度，大大增加工作效率。
3.以上方法还停留在纯理论的阶段，还需要积极与生产现场实际的数据进行匹配，不断缩小设计模拟过程中与实际使用过程中的误差，最终形成一套更加完善的产品校核与设计的方法体系。
参考文献
[1]陈精一. ANSYS 工程分析实例教程.中国铁路出版社,2007.5(1).
[2]张朝晖. ANSYS12.0 结构分析工程应用实例解析[M].北京:机械工业出版社,2010(1).
[3]王新敏. ANSYS 工程结构数值分析.人民交通出版社,2011.
[4]S Moaveni. Finite Element Analysis Theory and Application with ANSYS.Prentice-Hall, Inc. , 1999 , 9 (1) :136-41.
[5]赵恒华, 高兴军.制造业自动化.2004, 26 (5) :20-23.
论文作者:钱永海,贾艺
论文发表刊物:《基层建设》2017年第11期
论文发表时间:2017/8/9
标签：软件论文; 结构论文; 产品论文; 区域论文; 模块论文; 受力论文; 强度论文; 《基层建设》2017年第11期论文;