装配建模 装配建模概念 I-DEAS 设计包的装配模块是把建模模块中建造的零件装配成配件。装配件用于观察零件装配情况，检查零件干涉，计算质量特性，动画演示装配方案等。 在装配程序中，同一零件可以使用多次，但并不需要在数据库中建立许多零件副本。也就是说，如果零件要进行多种组合（零件定向），这些组合方案可以全部存贮起来，并不需要存贮重复的零件几何体。当开始一种新的设计方案时，零件的相互关系及功能常常在该零件细节建立之前就被确定了，在这种情况下，可以建立简单的零件模型将它送入装配关系中。以后为了使这种装配更完美，可以把修改后的物体替换原来的简单模型。 为了有效的使用装配功能，了解装配层的概念，引用概念及子装配是非常重要的。 引用（Instance） 当把一个零件调入装配中，就称为该零件的一次引用。如果该零件的一个副本再次调入装配中，软件并不真正建立该几何体的副本，而只建立该零件的又一次引用。每个零件的引用把零件几何体从 bin 中读出来，并且增加了零件在装配中的定向信息。这种设计使装配过程在磁盘空间利用上效率很高，因为无论零件在装配中使用多少次，零件几何体实际只存贮了一次。如果零件在建模程序中改变了，零件的所有引用也会跟着改变。 装配层 装配的层次结构可以用一棵倒置的树来描述。父装配含有装配件的零件引用，树上的每个装配件也可以含有零件的引用或其它装配件，这样就依此构成了层次结构，一直延续到树上每个分支的最底层。如果需要的话，层次结构可以建许多级。 子装配 建立一个零件装配关系后，它可以作为另一个装配的子装配。引用的概念也适应于装配，如果一个子装配被调用许多次，就有多个引用指向存贮的子装配，但并不在数据库中制作子装配的副本。因此说，装配是零件引用或装配引用的集合。 例如某水泵模型的整个装配层次如下: Pump Assembly Hierarchy Pump Assembly Link Assembly Offset Link（part） Offset Link（another instance of same part） Piping Assembly Well Casing Well Seal Tee Guide Pipe Output pipe（optional） Elbow（optional） Base（optional） Pad（optional） Handle Assembly Handle（part） pivot Block（part） Pivot Support Slroke Slide 装配层次可以用 Hierarchy 命令显示和修改。 该命令以表格形式显示装配层次，可以自上而下或自下而上来建立装配关系。如果你以空表开始，则先加上一个父装配并且必须给该装配取一个名字，虽然此装配内容是空的，但如果用 Manage Bins 命令从 bin 中可以看到这个装配项。 用 Add Parent 命令可以向上发展建立装配关系，用 add To , Add Empty part,Add Empty Assembly 可以向下扩展建立装配关系。Add To 命令从 bin 中,Library 中或Catalog 中取出零件或装配件送到装配操作中。 装配管理 装配件与零件一起存在 bin ，Manage Bins 表格的每行列出了各项的类型，注明了是零件还是装配件。 装配约束 Constrain Instance 图标使用户能在两个引用之间建立永久性关系。它很象建模程序中的关系操作。使用约束而不是用 Translate 和 Rotate 把零件在空间定位，这样的操作在零件引用间建立了永久关系。如果一个零件位置改变了，相连的零件也会自动修改。这些关系规则包括 Face_To_Face 和Line_To_Line等约束类型。 如果装配中使用约束，一般也应将不运动的零件引用固定，使它不乱动。不然的话，零件尺寸改变时，会很难控制整个装配关系。 组合（Configurations） 建立不同的装配组合，然后显示它们可以产生零件运动效果，也可以由此观测不同位置零件是否有干涉存在。组合中涉及到装配中每个零件引用的方向问题。建立组合和选择使用哪种组合的图标是 Manage configurations 。 第一次建立起装配方案时，会缺省生成一个名叫“Config1”的组合。为了建立新的组合，可以用 Manage Configurations对话框中的 Copy 图标拷贝。选中新拷贝的组合，在用Move 和 Translate 等命令改变零件引用的方向，就产生了一种不同的装配组合。 如果用移动或旋转命令改变零件引用的方向时，仅仅是零件引用发生变化，并没有改变零件本身。如果在 Master 建模程序中改变零件方向，则会使所有的零件引用都反射出这种变化。从库中取出作为参考的零件用任何方法都不能修改，包括改变零件的位置。而装配中的零件引用则能被去掉。 序列（Sequences） 序列是一个组合表。序列可以动画演示。在机构设计程序中，系统会根据运动机构的步数自动生成序列。 动画（Animation） I-DEAS系统提供两种动画。一种是序列动画，它改变每个动画装配帧的零件装配组合图，使其连贯起来产生动画。另一种动画是改变每帧图画的视点和显示参数以及组合状况而产生动画效果。为了采用这种动画方法，要用 Manage View 命令建立一张表，存放每帧动画的视点参数，这使动画类型不受装配限制。当启动 Animation 命令时，确省情况是挑选出一组预先定义的动画序列演示。 列出某一系统信息（Listing Information for a System） 在装配中可以进行几种类型的分析: 它们是质量特性计算，干涉检测，距离测量，坐标位置分析。干涉检测能列出哪个零件产生干涉，哪个零件刚刚接触，或哪些零件没有干涉等。 物理特性（Physical Properties） 列出的物理特性反映出当前系统方位每个零件的物理性质，相对于系统图形原点或任意点的性质都可以计算和列出来。由于可以在 Master 建模程序中确定每个零件的材料，因而每个零件的质量特性也可以计算出来。 有时对零件或子装配的质量特性比建模程序用几何体属性计算出来的更精确（比如已称出了子装配的重量），在这种情况下，可以越过零件质量特性计算而用 Attributes 命令输入质量特征。 装配模型构造操作（Assembly Modeling Construction Operations） 装配包中的构造操作使你能用平面或别的“引用”（instance）来切割“引用”。这些操作对于建立剖视图（cut - away）,使用引用来切割系统中的其它零件，以及建立用于公差分析的“轮廓（profile）”都是很有用的。构造切割操作改变了系统原来的定义，当零件改变时，bin 中会增添一些新的项目。 注意: - 使用 Libraries ，使各成员工作成果共享。单个零件或全部装配零件都能存入库中。 - 学会使用多个引用和正确运用子程序装配，简化装配操作，压缩存贮空间。 - 不要把运动副和装配约束搞混淆，装配约束是装配程序装配时建立的一种相互关系，这种关系在装配过程中起作用。但并不定义一种用于机构分析那样的运动副。在装配程序中用转动副或者移动副建立起的绞接关系，是将机构分析和装配两种绞接关系都建立起来的。 机构设计 机构设计程序 机构是一种零件之间具有某种约束规则，按一定规则运动的装配组合。在 I-DEAS 的机构设计中，你能指定一种机构运动，计算出某种时间函数下的力和运动状况。 零件装配工作由装配建模模块完成，机构设计模块在装配基础上增加了运动副，确定了机构输入函数，并求解机构运动状态。 当机构被求解时，装配组合图形序列根据指定的运动步长被自动记录下来。这些组合可以用于装配检测，包括干涉检测。求解出来的运动与力的结果作为一种时间函数可以用 X Y 格式绘出图形来。 机构能在 I-DEAS 内部定义求解，也可以用外部求解器求解，譬如 ADAMS 。内部求解器不能求解使机构产生加速度的力的驱动问题。内部求解器所求解的力仅仅是施加到机构上的反作用力。 机构概念 机构中每个连接件称为“刚体”，刚体可以是装配中的任一种引用。若子装配作为一个刚体，它的所有孩子都作为一个整体一起运动。内部求解器至少要求一个刚体固定。不是所有外部求解器都这样要求，但许多求解器都有这种约定。 一个“参考三元组”被设置在刚体上，用于定义位置，运动副方向和负载。参考三元组的定义包括它的位置，方向和它所属的刚体。（参考三元组被称为“marker”。） 刚体通过运动副连接起来，典型的运动副是轴绞接（转动副）或移动绞接（移动副），它们定义了相连接的刚体之间的自由度。 运动副 一个运动副连接不同刚体上的两个参考元组，一个运动副的层次结构显示如下: Hierachy of Joint Joint Referance Triad 1 Location Orientation Rigid Body Instance(part or assembly) Referance Triad 2 Location Orientation Rigid Body Instance(part or assembly) 除非正在建立含有齿轮或复杂约束的机构，否则没有必要明显地定义刚体和参考三元组。用 I-DEAS 图标命令建立运动副时，系统自动建立起参考三元组并定义刚体。 在约束其它节点的同时，每种运动副类型允许有一个或多个运动自由度，每个运动自由度有一运动副变量，如果机构中每个运动副变量的值被确定，则每个刚体的位置也就确定了。机构求解后它的运动副变量可以画出来。 根据运动副类型，特定的约束会施加到两个参考三元组的坐标系统方位上。运动副的合法性由系统提供的校验选件检验。 运动副类型 运动副包括转动Revolute Joint（轴绞接），滑动Transtlational Joint（移动副），球绞Spherical Joint和圆柱运动副Cylindrical Joint,能及Fixed Joint,Planar Joint,Universal Joint,Constant Velocity Joint,Rack and Pinion Joint,Screw Joint,Cam-Cam,Cam-Follower等。转动副绕一根轴旋转。转动副的运动副变量是旋转角。移动副的运动副变量是移动自由度方向的运动。球运动副有绕 X ,Y , Z 三轴旋转的三个运动副变量，要避免出现第三个运动副变量接近 0 或 180 的情况。这种情况会使运动副变量 1 和 2 的转轴共线，且出现数字问题（numerical problems）。圆柱运动副有两个运动变量: 移动和旋转。 函数 函数是将力或运动做为时间函数送入机构或者作为负载情况中的运动副运动函数。在运动副中的运动函数对于驱动即构运动是很必要的。 函数可以用表达式（如，SIN（2 * T））表达，或从键盘输入常数值，或用光标从数字化仪输入，或选送一个三次样条到已有函数中。函数送进去后，可以画出它的曲线或列出函数值来检查。画出曲线的时间范围在确省情况下可能比你解算机构使用到的小些或大些，不要着急，解算机构的终止时间没有必要与函数表达式的范围相同。 一个定义运动输入的函数的初值，应该与施加了运动输入的运动副的第一幅组合图的运动副变量的值相同。 函数的横坐标可以是时间或者运动副变量。如果你准备在运动副上建立一个驱动机构运动的函数，应建立以时间为横坐标的函数。如果建立一个定义运动副运动的力函数，则应把运动副变量作为横坐标单为。用函数表达式定义的函数，在表达式中可以含有一个以上的运动副变量。 为了方便，函数也可以分组，缺省情况下，定义的所有函数都放在一个组里，称为“用户定义组”。函数可以绘出图形，也能进行数学操作，比如，积分，微分，加法，减法。 运动和力运动和力是由上面介绍的函数图标来创建。这两个图标的功能是把运动和力施加到指定的运动副变量上。 引用固定（Ground Instances） 求解前用Attach Ground至少把一个引用（零件或子装配）固定。 机构求解Solution 荷载类型在添加运动副时可确定，也可用LOADS图标组来设定。缺省的情况下把负载定为 Motion。 运动输入集可以用 Manage Loadcases 存贮管理。 缺省情况下，解算的全部结果都保留下来，包括刚体运动函数等。 检验机构 Verify Mechanism 按钮检测机构中的运动副，并在 List 窗口列出每个运动副的类型及与其相连的引用。 结果显示 求解完成后，求解结果用响应函数方式存放起来，可以输出它的函数曲线。求解结果也能用动画演示，或者用作干涉检测。 求解后，还可以用 Solution 的 Motion Analysis 图标计算两个不同点之间的运动参数，比如，参考三圆组之间的位置，速度，加速度等。 机构设计步骤 Master 建模程序 建立零件 Master 装配程序 按层次装配系统 机构设计程序 建立用户定义函数 定义运动副 固定引用（至少一个引用） 求解 机构设计或者 Master 装配程序 动画演示组合图 干涉检测 建议 - 选择运动输入（主运动）和最初组合图，避免不明确的位置。 - 确保你建好了一个机构而不是一个结构。节点运动不成直线 会使建立起来的是一个结构而不是机构。 - 运动输入数目要与可能存在的运动一致。 - 仔细考虑和选择绞接类型及自由度。 - 不要使用多余的运动副。例如一个叉架机构从表面上考虑很 像两个轴。液压驱动器和冲击减震器都有类似问题。基于实 际考虑，这些设备常常存在运动多余情况。 - 求解器错误可能使人迷惑不解，如果出现错误，可以对照上 面的条件分析。

　　有限元仿真介绍 1 有限元建模与分析 有限元分析（FEA）是一种预测结构的偏移与其它应力影响的过程，有限元建模（FEM）将这个结构分割成单元网格以形成实际结构的模型，每个单元具有简单形态（如正方形或三角形）。这样有限元程序就有了可写出在刚度矩阵结构中控制方程方面的信息。每个单元上的未知量就是在节点上的位移，这个点就是单元元的连接点。有限元程序将这些单个单元的刚度矩阵组合起来以形成整个模型的总刚度矩阵，并给予已知力和边界条件来求解该刚度矩阵以得出未知位移，从节点上位移的变化就可以计算出每个单元中的应力。 有限单元由假定的应变方程式导出，有些单元可假设其应变是常量，而另外一些可采用更高阶的函数。利用给定单元的这些方程和实际几何体，则可以写出外力和节点位移之间的平衡方程。对于单元的每个节点来说，每个自由度就有一个方程，这些方程被十分便利地写成矩阵的形式以用于计算机的演算中，这个系数的矩阵就变成了一个显示出力对位移的关系的刚度矩阵： {F}=[K]、{d} 尽管求知量处于离散的自由度，内部方程仍被写成表述为连续集的应变函数。这就意味着如果选择了正确单元的话，纵然这个有限元模型有一组离散的方程，只要用有限的节点和单元也可以收敛出正确的答案。 有限元模型是解决全部结构问题的完全理想的模型。这些问题包括节点的定位，单元 ，物理的和材料的特性，载荷和边界条件，根据分析类型的不同，如静态结构载荷，动态的或热力分析，这个模型就确定得不同。 一个有限元模型常常由不止一种单元类型来建立，有限元模型是以结构的偏移来建立成数学模型，而不只是在外观上象原结构。也许某个零件用梁单元最好，而另外的零件则可能用薄壳单元最理想。 对于给定的问题来讲，求解结果的准确性将取决于结构建模的好坏，负载和边界条件的确定，以及所用单元的精度。 一般来讲，如模型细分更小的单元，则求解将更准确。了解你在最终的求解结果上有充分收敛的唯一确信的方法是用更细网格的单元来建立更多的模型，以检查求解结果的收敛性。 新的有限元用户经常产生想象上的错误，即建立一个有限元模型的目的是建立一个看起来象这种结构的模型。有限元建模的目的是建立一个从数学意义是“相似”的模型，而不是一个外观相似的模型。一个有经验的使用者学会了怎样选择单元的正确类型，和在模型的不同区域中怎样来细分网格。 一个经常忽略的错误根源是在一个模型中的负载和边界条件上进行了错误的假设。同时也很轻易地相信一个有限元模型的每个十进位的结果。以及忘掉了在负载和边界条件上粗糙的假设。如果有一个关于怎样建立边界条件模型的问题的话，宁可用你的模型以不同的方法去测试其灵敏度，而不是仅遵循一种方法，得出一种答案，这就是说：“分析的目的在于洞察力而不是数量”。 有限元步骤 三个步骤：前处理（PREPROCESSION），求解（SOLUTION），后处理（POSTPROCESSION） 前处理包括产生一个有限元模型的几何体的全过程，输入物理特性，描述边界条件和载荷，以及检查模型。 求解过程在I-DEAS SIMULATION的模型求解模块中进行，或在一个外部有限元分析程序中进行。I-DEAS求解能够解答线性和非线性的，静态的，动态的，屈曲，热传导和势位能分析问题。至于其它类型的分析，有限元模型信息 对于一个外部有限元求解问题可写成所要求的格式，如MSC。NSATRAN，ANSYS，ABAQUS等。 后处量包括标绘出偏移和应力，利用失效准则，诸如允许的最大偏移，材质的静态和疲劳强度等等来比较这些结果，假如我们仅仅想知道零件是否能经受住载荷试验。所有我们需要看到的只是一个是或否的答案，这不是通常那种情况。我们喜欢有能力去看到不同形式显示的结果，这样我们以判断力来判断为什么零件失效和怎样去改进设计。有两个问题在后处理阶段必须作出解答，那就是：模型准确吗？结构满意吗？ 在你的模型中，可能有许多错误的根源，例如，有限元网格的粗糙，所用单元的类型，或材料性质的不准确性。这就是为什么后期处理将包括检查那些在建立模型时不可能发觉的错误。你必须进行的一个基本的检查是用某些人工的计算法使你确信在譬如在输入材料性质时，小数点的位置不会发生任何显著的错误，也建议你在观察应力前标绘出位移，因为位移通常比应力更为直观。在继续程序前确认变形的形态正确无误。边界条件中常的错误可通过细心观察变形形态检测出，诸如某点该动而不动，或被约束的点有不合适的斜度等，在你建模的结构方面作出判断之前确保你的模型免除错误。 有限元仿真介绍 2 几个名词 “节点”是在三维空间中连接“单元”的坐标点，在它之上将施加载荷，施加边界约束，其位移数据将被计算出来。在其它有限元程序中，有时将节点称为“网格点”，每个节点具有6个自由度，其自由度的多少取决于连接在这个节点上单元的类型。在I-DEAS数据库中节点是一个几何实体，这个实体可通过显示过滤开关“Display Filter"控制它显示与否。节点的标号也由一个显示开关控制。 运用“解算集”就可进行分析，这个解算集中有一个包含“约束”和“载荷”的“边界条件”集。 为协助简化一个模型的创建及显示其结果，可组成一个节点和单元的“组”，该组能被用来显示和处理模型的子集合。 分析的结果可存储在“分析数据集”一样的模型文件中，每个数据集包含一个能被显示的位移或应力集。在Ｉ－ＤＥＡＳ中应力可储存在一个象整体应力传感器的数据修集中，这样在后处理中任何特性能被显示出来。｜ 单元类型 在建立一个有限元模型是二个极为重要的问题是单元类型的选择。大多数有限元程序包括一个可供选择单元类型的信息库。在I-DEAS中单元按单元族，阶数和拓朴结构分类。 单元族归因于几何体的特性以及单元柳暗花模型的位移。一般来说。你可选择最简单的单元类型来为你问题建模，考虑你需要的输出形式也是一个很重要的问题。 用于典型的结构模型的最常用的单元族有：梁，平面应力，轴对称实体，薄壳，以及实体。梁单元用来确定一个非常有效的有限元模型以预测出全部偏移和弯曲力矩，但不能预测出载荷作用点或铰接点上的局部应力集中。薄壳单元能有效地用于相当薄的墙面的结构中，诸如塑料模板，钣金零件，在这些板中弯曲和内平面力是重要的。然而，这种类型的单元不能够预测由于局部载荷作用而使应力的作用变化很大的应力。大部分一般的单元是实体族。但这种模型用实体看起来最逼真，但当使用省略时，较简单的单元可以简化更多的无效计算。 单元也可按阶数来分类，单元的阶数依赖于节点的应变插值方程的阶数，如线性的抛物线状的或三阶的单元。线性单元沿每边有2个节点，抛物线单元有3个，三阶单元则有4个。 单元的拓朴结构归因于单元的一般形态。例如三角形或四边形。拓朴结构取决于单元的族类。一般来说，对于结构模型来说，你更多地选择四边形，而不是三角形。因为四边形具有更多的自由度，能更准确地匹配实际的位移函数。 在每个节点上的单元也包括不同数量自由度。例如，某些单元指令仅给二维问题建模，每个节点仅包含2个自由度。一般来说，每个节点上的最多自由度为6个，三个为平移，三个为旋转，虽然不是所有的单元都使用全部6个自由度。 I-DEAS提供的单元类型如下： 1D: -梁单元 （beams）， - 杆单元rods -管单元 pipes - 轴对称壳单元axisymmetric thin shell 2D： -平面应力单元 plane stress - 平面应变单元plane strain -轴对称实体单元 axisymmetric solids -薄壳单元 thin shell -膜membrance 3D - 实体单元solids 其它 - 约束单元constraint elements - 集中质量单元lumped mass - 间隙单元gaps -刚体单元 rigid -弹簧（Spring) 几何零件上划分单元 在网格划分模块中，节点和单元被自动地建立在零件的边界，表面或体积上，梁单元可产生在边上，薄壳单元在面上。零件在它们用以划分网格前必须命名。划分网格操作分2个步骤，第一步确定单元的大小和类型参数，以及定义在零件上的特殊边，面或体积上的其它属性。第二步在这个几何实体上建立网格。 有限元建模的零件模型分离 对于有限元建模，模型几何实体通常与最初的三维零件模型稍微不同。有时仅在一个外表面建成网格，有时可能需要产生一个新的横截面，以将3维模型化为2维模型。 删除和抑制特征 另一种普通的实体模型提取法是抑制和删除设计内容，对一些不感兴趣的或者是对分析问题影响不大的特征，在有限元建模时不考虑。 非集合零件几何实体 有时候有限元模型将组合单元类型，例如，有限元模型的零件用实体单元模型化，但可用薄壳单元来模型化一个薄的梁。MASTER MODELER零件模型的结构数据允许几何实体以这种方法模型化。 在一条边上结合着不止一个表面的实体模型称之为“非集合型”零件。这在物理实际中不可能发生，但允许在MASTER MODELER中存在，为诸如联合单元形式的有限元建立特殊情形的几何实体。在MASTER MODELER中的零件能包含实体，开放的表面，以及线框的几何实体。这就允许你为有限元网格去建立任何特殊的几何实体。 多体积的分割 另一种普通的有限元分析情况是一个模型包括不止一种材料。当你网格化一个零件体积时，在这个体积中所有的单元将与体积所确定的材料性质一道被确定。为了以不同的材料性质在不同的区域来自动地建立一个模型。该区域必须分割成不同的体积，执行分割的指令是MASTER MODELER中的PARTITION。 面插入 在薄板有限元模型中，理想的单元位于被描述的物理零件表面之间的中间面。通常，在仅仅模型化单元表面上的一个面进只有较小的误差，此时零件必须足够薄以容许用薄壳单元来建模的假设。然而，在某些情况下，你可能想模型化那些实际归属的地方中的单元。特别是如果零件相当厚，或者两个面不平行时，可用INTERPLATE在2个面之间插入一个新的面。 一些建议： ---在建立一个模型之前，将考虑：将要进行的分析形式是什么？互表达什么样的结果？此模型解答什么样的问题？ ----如无需要，不必将模型搞得过于复杂。最好能从几个简单的模型中获得透彻的理解，而不是花费你全部的时间去建立一个复杂的模型。 -----使用你的模型去解答有关载荷，边界条件等假设的效果 -----避免使用畸变单元，避免相邻单元大小相差太大 ------大纵横比单元（长边被短边所除的比）应避免使用。当角度超过90时它们是更坏的了 ------在设想的较高应力程度的地方应使用较小的单元 ----所选的单元能够充分地表述模型所期望的特性曲线吗？是梁单元？还是薄壳单元？或是实体单元？你的解算集能容纳所选的单元类型吗？ ------不同类型的单元已合适地连接起来了吗？ -----如果几何实体来自一个详述的模型零件，它已经完全简化了吗？（不包括实体中的小特性，因它不包括在FE模型中） -------使用组来帮助组织模型，对其它单元而言使之较容易地理解