基于Catia建模Workbench仿真的水杯自由落体显示动力学分析.docx

基于 Catia 建模 Workbench 仿真的水杯自由落体显示动力 学分析 邓晓龙;冯国胜;李鹏飞 【摘 要】 水杯是日常生活的必需品,跌落碰撞是导致水杯损坏的重要原因之一.在满 足静态强度和刚度的前提下,还应对水杯做动态分析.采用三维软件 CATIA 进行水杯 实体建模,再利用 ANSYS Workbench 软件解决内外壁不同材料间拓扑关系的有限 元网格划分,模拟仿真水杯自由落体与地面碰撞的过程,得出动态过程中产生的最大 应力和位移,为产品的设计开发提供参考,大大降低研发成本,减少实验次数,缩短研发 时间,提高产品质量. 【期刊名称】 《承德石油高等专科学校学报》 【年(卷),期】 2015(017)005 【总页数】 4 页(P39-42) 【关键词】 CATIA;Workbench;拓扑关系;碰撞分析 【作 者】 邓晓龙;冯国胜;李鹏飞 【作者单位】 石家庄铁道大学机械工程学院,河北 石家庄 050043;石家庄铁道大学 机械工程学院,河北 石家庄 050043;石家庄铁道大学机械工程学院,河北 石家庄 050043 【正文语种】 中 文 【中图分类】 O313 水杯是我们日常用来盛装液体的容器，水杯的损坏很大程度是由于跌落碰撞，导致 金属材料出现凹坑，塑料材料出现裂痕等等。跌落试验分析参数可由试验测得，但 碰撞时间短，过程复杂，不易控制，不能完整的展现跌落碰撞全过程，因此对于跌 落碰撞中受力变形很难得到全面而精确的评定。但在许多发达国家中，传统的产品 跌落冲击试验已经逐渐由计算机模拟仿真来完成[ 1 ]。跌落仿真的出现很好的解 决了这一问题。 1 软件介绍 Catia V5 软件是一款功能强大应用范围广泛的 CAD/CAE/CAM 集成化三维软件， 可以对产品整个开发过程的各个方面进行仿真，包括概念设计、工程分析、成品定 义及产品制造等[ 2 ]。 Workbench 是 ANSYS 公司开发的新一代协同仿真环境，与传统 ANSYS 相比， Workbench 有利于协同仿真、项目管理功能，可对复杂的几何模型进行高质量的 网格划分，自带可定制的工程材料数据库，方便操作者进行编辑、应用，并且支持 几乎所有的有限元分析功能[ 3 ]。 本文利用 Catia 建立三维模型，导入到 ANSYS Workbench 中，对水杯的跌落试 验进行有限元仿真分析。分析水杯在自由落体碰撞的动态过程中所产生的应力，为 水杯的设计、几何参数、材料厚度等提供参考。大大地缩短产品的研制周期，降低 研发费用。 2 Catia 三维建模 水杯外壁多为金属材料，有很好的延展性和强度，使水杯跌落时不易碎裂。内壁多 为隔热保温的陶瓷材料，这样避免了金属材料强的传热性，当杯中盛装热水时不易 烫手，且保温时间更长。本文建立的三维模型的几何参数如表 1 所示，对水杯在 距离地面 1 m 的高处自由落体碰撞模拟仿真。 在 Catia 机械设计—零件设计模块中建模分析与注意事项 :1)内外壁具有不同材料， 应在不同几何体中分别建模。 2)外壁轮廓旋转处理，内壁旋转后进行抽壳处理。 3) 复制外壁的草绘图粘贴到内壁的几何体中，对草图添加约束和修改实现内壁的建模。 水杯的三维模型如图 1 所示。为了便于观察，设置内外壁颜色和透明度。将模型 另存为.igs 格式，为导入 Workbench 软件做好准备。 表 1 水杯的几何参数名称 尺寸/mm 外壁底面外径 28 外壁底面外径/内壁底面内 径 26 水杯总高 120 水杯内壁厚 1 水杯外壁厚 2 3 显示动力学分析模块 Explicit Dynamics 是 Workbench 的显示动力学分析模块，主要基于 Autodn 产 品的拉格朗日算子部分，是 workbench界面下新的显示计算软件，可充分利用 workbench 快速高效的前处理技术，能更方便地实现与其他模块数据共享，实现 如电子产品跌落、高速冲击碰撞等显示动力学分析问题[ 4 ]。因此，我们选用 Workbench 软件工具箱中的 Explicit Dynamics 模块来进行跌落碰撞分析。 3.1 定义材料属性 在 Engineering Data 中选择三维模型的材料， Workbench 自带了材料库，也可 自定义材料。本文选用 Workbench 自带材料库中的 AL2O3CERA(陶瓷)材料和 Aluminum Alloy(铝合金)材料。地面的材料在 Engineering Data 中自定义，地 面材料属性如表 2 [ 5 ]所示。 表 2 地面材料属性名称 密度/(kg/m3) 弹性模量 E/MPa 泊松比刚性墙 4 167 2.0