基于ANSYS Workbench與Simsolid VR四人座時空穿梭機機架計算對比

第1章 分析范圍

1.1項目背景

該項目是廣州某VR設備生產廠商給國外提供的一款產品，項目中分析對象為四人座時空穿梭機機架，其三維模型如圖1.1.1所示，該四人座時空穿梭機機架采用三個電缸升降機構。動力輸出由三個電缸提供。時空穿梭機機架主要受力結構包括上架、電缸、下支撐架等零部件，也是時空穿梭機機架結構的主要分析對象，該分析對象共有118個零件。

                                           圖1.1.1  VR四人座時空穿梭機整體效果圖

1.2 分析目的

在四人座時空穿梭機以最大工作載荷工作時，根據時空穿梭機的實際工況進行分析，分析機架結構受力情況，根據計算結果判斷各零部件的結構安全性，并提出改進或優化建議。

1.3 分析方法

基于此次分析目的，擬采用準靜態的分析方法，分別使用分析軟件ANSYS Workbench和Simsolid 對結構進行分析，并對結果進行對比，其中ANSYS Workbench需要對模型進行簡化以及劃分網格。

第2章 基于ANSYS Workbench與Simsolid結構分析

2.1 兩種軟件前處理

ANSYS Workbench考慮到分析模型的網格劃分情況，將實體模型中的倒角，小孔等對分析影響不大的特征去掉，簡化完成的分析模型如圖2.1.1A所示。

                                           圖2.1.1A VR四人座時空穿梭機機架簡化模型

Simsolid模型無需簡化，保留實體模型中的倒角、小孔，分析模型如圖2.1.1B所示。

                                          圖2.1.1B VR四人座時空穿梭機機架未簡化原模型

ANSYS Workbench需要網格劃分而Simsolid則無需劃分，根據圖2.1.1A建立的簡化模型，導入Ansys Workbench中進行網格劃分，大量采用六面體網格劃分，網格質量優秀，完全適應Ansys對網格的約束條件，如圖2.1.2所示，網格數量176077個。

                                          圖2.3.1  VR四人座時空穿梭機機架有限元網格模型 

2.2 分析工況

工況一：三個電缸處于水平位置時，進行仿真模擬計算；

工況二：前電缸處于最高位置，后面兩個電缸處于最低位置；

工況三：前電缸處于最低位置，后面兩電缸處于最高位置；

工況四：右側電缸處于最低位置，左側電缸處于最高位置。

2.3 仿真分析中采用的材料參數及采用的材料模型

表2.3.1  有限元模型參數

模型名稱		材料	彈性模量    GPa		泊松比	密度(kg/m3)
時空穿梭機		Q235	210		0.3	7850

2.4 仿真分析的單位

表2.4.1  模型單位設置

	長度	時間	質量	力	壓力
單位	mm	s	T/kg	N	MPa

2.5 仿真分析中的載荷信息

如圖2.5A/2.5B中每個U形折彎梁施加75KG的力，總計600KG

                             圖2.5A  ANSYS Workbench環境下VR四人座時空穿梭機機架載荷設置

                                    圖2.5B  Simsolid環境下VR四人座時空穿梭機機架載荷設置

2.6 仿真分析中的約束

四人座時空穿梭機機架底座十二個支撐位置施加固定約束，見圖2.6A/2.6B

                        圖2.6A  ANSYS Workbench環境下VR四人座時空穿梭機機架約束設置

                                圖2.6B  Simsolid環境下VR四人座時空穿梭機機架約束設置

第3章 工況一分析結果及對比（三個電缸處于水平位置）

工況一采用ANSYS Workbench用時14分鐘，計算最大位移5.38mm，見圖3.2A，工況一采用Simsolid用時56秒，計算最大位移5.09mm，見圖3.2B，兩者誤差5.4%，這里需要注意，由于該結構薄壁件較多，Simsolid導入模型時一定要勾選Adapt to thin solid，否者計算精度較差。

                                           圖3.2A  ANSYS Workbench工況一位移云圖

                                                 圖3.2B  Simsolid工況一位移云圖             

 由于在ANSYS Workbench分析時采用了模型簡化，因此與Simsolid計算得到的最大應力位置會有些不同，為了準確的對比計算精度，選取一個在ANSYS Workbench簡化較少的位置同時網格精細度良好的位置提取應力然后對比，見圖3.3A/3.3B，兩者計算誤差2.6%。

                                              圖3.3A  ANSYS Workbench工況一應力云圖

                                                   圖3.3B  Simsolid工況一應力云圖                                                                         

第4章 工況二分析結果及對比（前電缸處于最高位置，后面兩個電缸處于最低位置）

                                           圖4.1  VR四人座時空穿梭機機架工況二示意圖

工況二采用ANSYS Workbench用時14分鐘，計算最大位移4.8mm，見圖4.2A，工況一采用Simsolid用時22秒，計算最大位移4.12mm，見圖4.2B，兩者誤差14.2%，此時誤差較大，暫時沒有發現模型哪塊有問題，這里需要注意，由于該結構薄壁件較多，Simsolid導入模型時一定要勾選Adapt to thin solid，否者計算精度較差。

                                          圖4.2A  ANSYS Workbench工況二位移云圖

                                                    圖4.2B  Simsolid工況二位移云圖

由于在ANSYS Workbench分析時采用了模型簡化，因此與Simsolid計算得到的最大應力位置會有些不同，為了準確的對比計算精度，選取一個在ANSYS Workbench簡化較少的位置同時網格精細度良好的位置提取應力然后對比，見圖4.3A/4.3B，兩者計算誤差41.5%，誤差較大，沒有發現模型有問題。

                                           圖4.3A  ANSYS Workbench工況三應力云圖

                                                    圖4.3B  Simsolid工況三應力云圖

第5章 工況三分析結果及對比（前電缸處于最低位置，后面兩個電缸處于最高位置）

 

工況三采用ANSYS Workbench用時14分鐘，計算最大位移5.62mm，見圖5.2A，工況三采用Simsolid用時22秒，計算最大位移5.11mm，見圖5.2B，兩者誤差9.1%，這里需要注意，由于該結構薄壁件較多，Simsolid導入模型時一定要勾選Adapt to thin solid，否者計算精度較差。

                                        圖5.2A  ANSYS Workbench工況三位移云圖

                                                      圖5.2B  Simsolid工況三位移云圖

由于在ANSYS Workbench分析時采用了模型簡化，因此與Simsolid計算得到的最大應力位置會有些不同，為了準確的對比計算精度，選取一個在ANSYS Workbench簡化較少的位置同時網格精細度良好的位置提取應力然后對比，見圖5.3A/5.3B，兩者計算誤差20%。

                                        圖5.3A  ANSYS Workbench工況三應力云圖

                                                    圖5.3B  Simsolid工況三應力云圖

第6章 工況四分析結果及對比（左側電缸處于最低位置，右側電缸處于最高位置）

                                            圖6.1  VR四人座時空穿梭機機架工況四示意圖

工況四采用ANSYS Workbench用時14分鐘，計算最大位移5.62mm，見圖6.2A，工況四采用Simsolid用時22秒，計算最大位移4.42mm，見圖6.2B，兩者誤差21%，誤差較大，這里需要注意，由于該結構薄壁件較多，Simsolid導入模型時一定要勾選Adapt to thin solid，否者計算精度較差。

                                           圖6.2A  ANSYS Workbench工況四位移云圖

                                                    圖6.2B  Simsolid工況四位移云圖

 由于在ANSYS Workbench分析時采用了模型簡化，因此與Simsolid計算得到的最大應力位置會有些不同，為了準確的對比計算精度，選取一個在ANSYS Workbench簡化較少的位置同時網格精細度良好的位置提取應力然后對比，見圖6.3A/6.3B，兩者計算誤差32.8%，誤差較大。

                                           圖6.3A  ANSYS Workbench工況四應力云圖

                                                   圖6.3B  Simsolid工況四應力云圖

第7章 總結

通過前面的仿真計算，將結果繪制表7.1

表7.1 計算結果對比

計算工況	ANSYS Workbench	Simsolid	計算誤差
工況一	位移mm	5.38	5.09	5.4%
	應力MPa	76	74	2.6%
工況二	位移mm	4.8	4.12	14.2%
	應力MPa	68.4	39.6	41.5%
工況三	位移mm	5.62	5.11	9.1%
	應力MPa	68	54	20%
工況四	位移mm	5.62	4.42	21%
	應力MPa	64.5	43.2	32.8%

從表7.1可以看出：工況一兩種軟件計算結果最接近；位移誤差要小于應力誤差；某些工況簡化后的模型與實際模型存在較大的計算誤差。

由于本計算項目存在大量的桿類和薄壁件，為了加快求解速度，ANSYS Workbench中網格尺寸較大（網格10mm，壁厚2mm），因此計算精度也較低，通過兩種軟件的對比發現Simsolid在處理這種有大量的薄壁（桿類也可以處理成薄壁模型）件有明顯的優勢，首先不需要劃分細密的網格，其次不用采用混合單元（殼單元、梁單元、實體單元），計算精度基本可以滿足工程應用同時求解效率是傳統有限元的數十倍，為了更直觀的了解Simsolid和ANSYS Workbench計算精度，這里再做一個簡單的方管（方管40mm*2mm，長度400mm；載荷200N）懸臂梁對比測試，直接給出計算結果。

ANSYS Workbench兩種尺寸網格對應位移：

 

                                    圖7.1A  ANSYS Workbench網格尺寸10mm位移云圖

                                    最大位移：0.307mm

                                     圖7.1B  ANSYS Workbench網格尺寸1mm位移云圖

                                     最大位移：0.308mm

ANSYS Workbench兩種尺寸網格對應應力：

 

 

                                      圖7.2A  ANSYS Workbench網格尺寸10mm應力云圖

                                      最大應力：28.07MPa

 

                                       圖7.2B  ANSYS Workbench網格尺寸1mm應力云圖

                                       最大應力：51.41MPa

Simsolid對應位移與應力：

                                                       圖7.3A Simsolid  6階位移云圖

                                                       最大位移：0.294mm

                                                      圖7.3B Simsolid  6階應力云圖

                                                      最大應力：25.2MPa

通過以上仿真對比得出結論：網格的細密程度對位移影響很小，但對應力影響較大，尤其是應力集中的位置；而兩種軟件在位移分析當中幾乎沒有太大差距，而在提剔除局部的應力集中后，兩軟件應力結果差距也不大，再一次證明了Simsolid的精度完全滿足工程需求，不過目前該軟件分析設置只能做到8階，對于需要考慮應力集中的位置就會顯現出一定的弱點，希望以后進一步改進。