ANSYS Workbench轮椅静力学仿真

1 有限元分析基本理论

1.1 有限元法简介

在工程科技的不断进步中，固体力学作为核心学科，对于飞行器、船舶、车辆、机械装备、水坝、桥梁和建筑物等工程结构的设计分析具有至关重要的作用。自20世纪40年代以来，科研人员已经提出并发展了多种理论方法，包括变分法、差分法和松弛法等，为简单结构模型的分析提供了精确的解析解或数值解。然而，面对日益复杂的实际工程结构，这些传统方法往往难以提供足够精确的分析结果。

在实际工程应用中，设计者通常会通过近似分析对具体工程结构进行初步设计，然后结合经验与已建工程的类比来确定最终设计方案。为确保结构的安全性，还会依据模型实验结果适当提高安全系数。

随着20世纪40年代中期大型计算机的出现，科研人员开始利用计算机对杆件结构力学中的力学和变位法的基本方程进行解析，推导出了矩阵力法和矩阵位移法。在此基础上，20世纪50年代中期，有限单元法（FEM）应运而生。

有限单元法将连续介质离散成一系列单元格，将无限自由度问题转化为有限问题，并利用计算机进行求解。这种方法适用于分析形状复杂的结构，因此迅速受到科研界的广泛关注，并迅速拓展到固体力学的各个分支领域，如流体力学和热传导学等。如今，有限元法已成为工程计算中的重要方法。

有限元法是一种高效且实用的计算方法。在工程计算领域，通常需要求解各种微分方程，但大多数微分方程的精确解并不容易获得。通过有限元法将微分方程离散化后，可以编写相应程序并通过计算机进行求解，从而得到微分方程的近似解，其精度可在一定程度上无限接近于精确解。这为微分方程的求解提供了一个高效率、高精度的计算方法。

最初，有限元法的理论发展基于变分理论，因此更多地应用于物理场中。然而，到了20世纪60年代，科研人员在流体力学中通过对余数法中的迦辽金法（Galerkin）进行加权运算或最小二乘法运算时也得到了有限元方程。这使得有限元法能够应用于任何由微分方程描述的各类物理场中，而不再要求这些物理场必须与泛函的极值问题有联系。

1.2 有限元法的特点

有限元法（FEM）已成为解决工程和科学问题的主流数值分析工具。相较于其他数值方法，有限元法展现出多个显著优势：

（1）对于实际工程中遇到的各种复杂形状和非均质材料构成的实体结构，有限元法能够提供精确的分析。这意味着，无论是流体动力学中的复杂流场，还是复合材料的应力分布，FEM都能够有效地模拟和预测。

（2）FEM能够模拟复杂的材料本构关系、施加的荷载以及边界条件。例如，岩土工程中的渗流问题、初始应力和应变场，以及混凝土结构中的不均匀温度场等，这些在实际物理模型中难以模拟的现象，都可以通过有限元法得到有效处理。

（3）有限元法在结构动态分析方面具有独特优势。在过去，科研人员主要针对静力学问题进行精确求解，而对动力学问题的处理则相对困难。有限元法的出现极大地改善了这一状况，使得结构动力学问题的精确求解成为可能。

（4）随着预处理和后处理技术的不断进步，FEM能够对多种设计方案进行比较分析，并通过图表及时展示计算结果。这不仅有助于优化设计方案，还提高了工程设计的效率和准确性。

1.3 有限元法分析过程

有限元分析的求解过程可概括为三个主要步骤：

步骤一：网格剖分（Meshing） 在这一步骤中，待求解的连续体区域被划分为有限数量的元素，形成一个离散的集合。理论上，这些元素可以采取任意形状。对于二维问题，常用的元素类型包括三角形和矩形；而在三维问题中，则通常采用四面体或多面体元素。每个元素的顶点称为节点（或结点）。

步骤二：元素分析（Element Analysis） 在此阶段，进行局部的分片插值。这意味着在每个离散元素内，利用特定的形状函数和节点上的函数值，对元素内任意点的未知函数进行插值展开。这可能涉及建立线性或非线性插值函数，以便在局部层面上近似真实的物理行为。

步骤三：方程求解（Solution of Variational Equations） 将连续体离散化为一系列元素后，这些元素被进一步组织成组，并赋予相应的函数值。这样，可以解决实际工程和物理问题。通过这种方式，连续体被转化为一个代数方程组，其中包含了有限个能量方程和加权余量方程。这个方程组的解即是有限元法的解。

有限元法的核心在于将整个连续体离散化，将其分解为有限的单元集合。例如，对于一个杆系结构，离散化后的每个单元代表一个单独的杆件。类似地，对于一个连续体，离散化最终产生的单元可能包括三角形、四边形、六面体等各种形状。每个单元的物理场函数由简单的场函数组成，这些场函数仅依赖于有限个节点参数。当这些单元场函数组合在一起时，它们能够近似表示整个连续体的物理场函数。

最终，通过求解由能量原理和加权残差法导出的代数方程组，获得了有限元法的数值解。这个解是对原始连续体问题的近似，其精度取决于网格剖分的细密程度和所采用的插值函数的类型。

2 Ansys workbench有限元分析软件

在ANSYS 7.0版本问世之前，ANSYS公司致力于研发其核心产品ANSYS。这一版本通过其仿真效果的卓越和效率的显著，赢得了工程界的广泛赞誉。然而，尽管取得了如此成就，该版本在仿真模拟操作方面存在明显的不足，即用户必须通过编写复杂的程序才能进行仿真，这限制了其在工程领域的普及应用。

随着ANSYS公司成功推出ANSYS Workbench这一新型号，局面发生了转变。ANSYS Workbench以其创新的用户界面和工作流程，简化了仿真过程，极大地提升了用户体验，因此迅速被广泛应用，其普及程度甚至超越了传统的ANSYS经典版本。目前，ANSYS Workbench已经发展到24.0版本，继续引领着行业的进步。

ANSYS Workbench作为一个先进的仿真平台，具备分析和模拟复杂机械系统的能力。它涵盖了结构静力学、结构动力学、刚体动力学、流体动力学、结构热力学、电磁场分析以及多物理场耦合分析等多个领域。这些功能使得工程师能够对机械系统进行全面的性能评估，从而优化设计，提高产品的可靠性和性能。

在结构静力学方面，ANSYS Workbench能够模拟材料在静态载荷下的响应，包括应力、应变和位移等参数。在结构动力学分析中，该平台可以模拟结构在动态载荷下的行为，如振动和疲劳。刚体动力学分析允许工程师研究物体在受到力和扭矩作用时的运动情况。

流体动力学模块使工程师能够模拟液体或气体在各种条件下的流动行为，这对于设计高效的流体传输系统至关重要。结构热力学分析则关注材料在热载荷下的行为，包括热膨胀和热应力。

电磁场分析功能为电气和电子系统的设计和优化提供了强大的工具，而耦合场分析能力则允许工程师研究多个物理场之间的相互作用，这对于解决实际工程问题尤为关键。

总之，ANSYS Workbench通过其强大的仿真功能和用户友好的界面，已经成为工程领域中不可或缺的工具，帮助工程师在设计、分析和优化复杂机械系统时做出更加精确和有效的决策。

3.%2.%3 Ansys workbench软件特点

ANSYS Workbench作为一种集成仿真平台，其功能和特性体现在以下几个方面：

（1）项目流程的组织与管理：

ANSYS Workbench通过将结构设计的初步阶段和最终优化阶段整合于单一项目框架内，实现了各分析步骤之间的有机连接。这种集成化的方法确保了分析过程的连续性和一致性，同时，通过对整个项目的集中管理，提高了工作效率和结果的准确性。

（2）与其他建模软件的兼容性：

ANSYS Workbench具备与其他计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助工程（CAE）软件的兼容性，支持模型的导入与导出。这一特性允许工程师利用多种软件的优势，进行更为复杂的设计和分析，同时保持数据的完整性和准确性。

（3）高效的网格划分能力：

对于结构复杂的实体模型，ANSYS Workbench提供了高效的网格划分工具，能够生成精细且平滑的网格。这确保了仿真分析的精确性，尤其是在处理具有复杂几何形状或边界条件的结构时。

（4）全面的计算分析功能：

ANSYS Workbench涵盖了工程实践中的绝大多数分析类型，包括结构静力学、动力学、流体动力学、热分析和电磁场分析等。这些功能使得工程师能够对各种物理现象进行全面的模拟和分析。

（5）材料属性的自由定义：

与某些仿真软件不同，ANSYS Workbench允许用户自由定义材料属性。当材料库中不存在特定材料时，工程师可以根据实际情况自定义材料参数，从而提高分析结果的精确度和实用性。

（6）用户友好的操作界面和低入门难度：

ANSYS Workbench在Windows操作系统下运行，拥有直观明了的用户界面，极大地方便了设计人员的操作。尽管有限元仿真分析的原理和技术要求较高，但ANSYS Workbench通过提供更加管理和用户友好的方法，降低了软件的使用难度。即使是对有限元仿真不熟悉的用户，也能够较容易地对简单结构进行仿真分析。

4.%2.%3 Ansys workbench具体运行过程

ANSYS Workbench的仿真分析流程可以概括为以下四个主要步骤：

（1）前处理阶段：

这一阶段的核心任务是为仿真分析设定基础。首先，需要确定分析类型，这可能包括静力分析，用于评估结构在恒定载荷下的行为，或模态分析，用于确定结构的自然频率和振型。接下来，选择合适的单元类型是至关重要的，例如壳单元适用于薄壁结构，而实体单元适用于三维实体。此外，模型类型的选择也在此阶段进行，区分零件和组件有助于管理复杂的装配体。

（2）建模与网格划分阶段：

在这个阶段，将创建或导入几何模型，这是仿真的基础。几何模型的准确性直接影响到分析结果的可靠性。随后，定义材料属性是确保仿真反映真实情况的关键一步。材料的性质，如弹性模量、泊松比和热膨胀系数等，需要根据实际应用场景进行设置。最后，网格划分是将连续的几何模型离散化为有限元模型的过程，网格的质量直接影响到求解的精度和效率。

（3）荷载与约束施加以及求解阶段：

在这个阶段，工程师需要在模型上施加相应的荷载和约束条件，这些条件模拟了实际工作环境中结构所承受的外部影响。荷载可以是力的分布，约束可以是固定支撑或滑动界面。施加完这些条件后，进行求解运算，软件将使用有限元方法计算结构的响应。

（4）后处理与结果验证阶段：

最后阶段涉及对求解结果的分析和验证。工程师将检查各种物理量，如应力、应变、位移等，以评估结构的性能和安全性。结果的可视化呈现对于解释数据至关重要。此外，结果的正确性需要通过与实验数据或其他仿真工具的结果对比来验证，以确保仿真分析的可靠性。

具体运行过程如下图所示：

在机械工程领域，有限元分析（FEA）是一种重要的数值计算方法，用于预测复杂实体模型的行为和性能。这一过程通常涉及以下三个主要步骤：

（1）前处理（Pre-processing）：

前处理阶段是有限元分析的基础，它为后续的模拟计算做准备。在这一阶段，工程师首先需要构建或导入几何模型，这是对实际物理对象的数字表示。几何模型可以通过三维CAD软件创建，或者从其他来源导入。接下来，必须定义材料属性，如弹性模量、泊松比、密度等，这些属性将影响模型的响应。然后，进行网格划分，即将连续的几何模型离散化为有限元模型，这一过程涉及确定节点的分布和单元的类型。网格划分的质量直接关系到分析结果的准确性和计算效率。此外，前处理阶段还包括将边界条件和荷载应用到模型上，确保它们能够正确地传递到有限元模型中，以便进行结构分析。

（2）加载并求解（Solution）：

在模型准备就绪后，下一步是加载并求解。这一阶段包括以下几个关键任务：

自由度（Degrees of Freedom, DOF）：为结构单元中的节点定义自由度值，这决定了节点的运动能力和约束条件。

面荷载：包括线荷载和作用在结构表面上的分布荷载，这些荷载模拟了实际结构在使用过程中可能遇到的表面力。

体积荷载：指作用在结构体积内部或物理场区域内的荷载，如温度变化或重力场。

惯性荷载：考虑结构的质量分布和惯性效应，如地震荷载或加速度。

在施加荷载和定义问题参数后，必须进行核查，确保所有设置正确无误。然后，使用有限元求解器进行计算，得到模型的响应。

（3）后处理（Post-processing）：

求解完成后，进入后处理阶段，这一阶段的目的是分析和解释求解结果。后处理可以分为两类：

一般后处理：允许工程师在特定时间点查看整个模型的模拟结果，包括应力、应变、位移等参数的分布。

时间历程后处理：用于在不同时间点或荷载步骤下查看模型的模拟结果，这有助于理解模型随时间的动态行为。

通过后处理，工程师能够验证设计是否满足性能要求，检查潜在的弱点，并进行设计优化。这一阶段对于确保产品的安全性和可靠性至关重要。

5 座椅静力学分析

5.1 静力学仿真概述

有限元分析根据结构受到的载荷是否随时间变化分为静力学分析和动力学分析。静力学分析主要用于分析结构在不随时间变化的载荷作用下的响应，例如恒定的重力、压力或其他持久作用力。这种分析假设结构的反应是瞬间发生的，不考虑时间因素和惯性力的影响，即：

式中，为单元内的位移向量；

为插值函数矩阵；

为单元内节点的位移向量。

根据弹性力学的基本理论，单元内的位移与应变的关系如下：

式中，为单元内的应变；

为应变矩阵。

根据弹性力学方程，单元内应变与应力的关系则为：

式中，为单元内任一点应力；

为弹性矩阵；

根据虚位移原理，节点位移与其节点力的关系为：

式中，为单元中的节点力；

为单元中的刚度矩阵。

在施加了相应的边界条件后，可以得到一个非奇异的刚度矩阵，进而可以求解出单元节点的力和位移，并进一步近似计算连续求解域的应力。静力学分析能够深入理解结构在已知静力载荷下的响应，包括位移、应力和应变等，通过静力学分析，可以确定模型在外部影响下的应力、应变和形变的变化规律。在分析过程中，载荷的大小和方向是恒定的，因为在静力学分析中，假设模型受到的作用力和输出结果不会随时间变化。在分析中，可以选择多种不同的载荷，如温度、位移、惯性力和压力等。

在对液压底座支架结构进行分析时，首先需要研究其在变化或者固定的载荷影响下的结构力学行为。在分析过程中，首先需要进行离散化处理，通过划分模型，使得面变为有限个单元，然后再进行细分，是单元变成有限个节点，最后组合单元构成整体，以此方式研究连续体模型，分析模型的静力学特性。

5.2 座椅静力学仿真

5.2.1 模型导入

完成连杆的座椅模型后，在另存为类型中选择step格式，这是通用的CAD数据交换格式，可以被大多数工程软件所接受，并将模型导出step格式导入到ansys workbench中。

在进行ANSYS有限元分析（Finite Element Analysis, FEA）之前，对模型进行适当的简化和预处理是至关重要的步骤。这一过程旨在确保模型既能准确反映实际结构的力学行为，又能在计算资源和时间上保持高效。以下是进行模型简化的一些关键步骤：

去除非关键特征：在某些情况下，模型中包含的微小几何特征，如小螺纹、小倒角和小倒圆等，可能对整体结构分析的影响微乎其微。因此，这些特征可以被移除以简化模型，减少计算量，同时对结果的准确性影响不大。

螺栓和紧固件的处理：在许多机械组件中，螺栓和其他类型的紧固件用于将零件固定在一起。在有限元模型中，这些可以采用多种方式处理。一种常见的方法是使用所谓的“绑定接触”来模拟紧固效果，而不是详细建模每一个螺栓。如果螺栓的预紧力对分析结果有重要影响，则可能需要保留并适当模拟。

垫片和间隔件的处理：与螺栓类似，垫片和间隔件通常用于分布载荷或调整间隙。在有限元分析中，它们的功能可以通过等效的加载条件或修改接触区域属性来简化表示。

5.2.2 设置材料参数

在Workbench的项目图表视图中，找到需要编辑的几何体，通常位于“几何”（Geometry）分支下。

在几何体上右键单击，选择“编辑”（Edit）。这将打开一个材料列表，您可以在其中选择或添加材料。

在材料列表中查找“结构钢”，这通常是ANSYS Workbench自带材料库中的选项。

选择该材料后，系统会自动填充相关的材料属性，包括密度、弹性模量和泊松比等。

根据给定的数据，确认所选结构钢材料的密度为7850kg/m³，弹性模量为2E+11Pa，泊松比为0.3。

5.2.3 边界条件与载荷条件

在进行座椅的静力学仿真时，正确定义边界条件是至关重要的。边界条件是指在分析过程中对模型施加的限制或支撑，它们模拟了实际使用中座椅与其环境之间的相互作用。在座椅的静态有限元分析中，一种常见的边界条件是对座椅的两个底座施加固定支撑，这意味着假定座椅的底座在仿真过程中是完全不动的。

为了进行座椅的静力学仿真，除了恰当地设置边界条件外，施加准确的载荷也是至关重要的。在这个案例中，我们需要模拟人在座椅上所产生的作用力，在座的表面施加500N向下的力载荷用于模拟人的作用力。

5.2.4 网格划分

在项目图表视图中找到“模型”（Model）分支下的“网格”（Mesh）分支，右键单击选择“编辑”（Edit）。

选择整个连杆模型或指定的部分进行网格设置。

调整网格大小至10mm，这可以在“网格控制”（Sizing）选项中设置，确保全局单元尺寸为10mm。

考虑到模型的复杂性和计算资源，可以采用自适应网格划分方法，以便在需要的地方自动细化网格，提高计算精度。

5.2.5 结果分析与后处理

在Workbench的项目图表视图中，找到“求解”（Solution）分支，展开该分支以查看可用的结果类型。

选择“变形”（Deformation）选项，通常是以总变形（Total Deformation）的形式展示。

在Workbench窗口中，将显示活塞的变形云图。这个云图用不同的颜色表示不同变形量的大小，通常从蓝色（变形最小）到红色（变形最大）。

仔细观察云图，特别关注颜色变化可以提供有关哪些区域受到最大变形的直观信息。

使用Workbench中的探针工具或结果摘要来量化最大变形值。将探针放置在云图中颜色最红的区域。

最大变形云图如下所示，可以看到最大变形为8.6282mm。

最大应力云图如下图所示，可以看到最大应力为116.08Mpa，小于结构钢的屈服强度，在安全裕度范围内。

5.3 减震器座椅静力学仿真

5.3.1 模型导入

完成连杆的座椅模型后，在另存为类型中选择step格式，这是通用的CAD数据交换格式，可以被大多数工程软件所接受，并将模型导出step格式导入到ansys workbench中。

在进行ANSYS有限元分析（Finite Element Analysis, FEA）之前，对模型进行适当的简化和预处理是至关重要的步骤。这一过程旨在确保模型既能准确反映实际结构的力学行为，又能在计算资源和时间上保持高效。以下是进行模型简化的一些关键步骤：

去除非关键特征：在某些情况下，模型中包含的微小几何特征，如小螺纹、小倒角和小倒圆等，可能对整体结构分析的影响微乎其微。因此，这些特征可以被移除以简化模型，减少计算量，同时对结果的准确性影响不大。

螺栓和紧固件的处理：在许多机械组件中，螺栓和其他类型的紧固件用于将零件固定在一起。在有限元模型中，这些可以采用多种方式处理。一种常见的方法是使用所谓的“绑定接触”来模拟紧固效果，而不是详细建模每一个螺栓。如果螺栓的预紧力对分析结果有重要影响，则可能需要保留并适当模拟。

垫片和间隔件的处理：与螺栓类似，垫片和间隔件通常用于分布载荷或调整间隙。在有限元分析中，它们的功能可以通过等效的加载条件或修改接触区域属性来简化表示。

5.3.2 设置材料参数

在Workbench的项目图表视图中，找到需要编辑的几何体，通常位于“几何”（Geometry）分支下。

在几何体上右键单击，选择“编辑”（Edit）。这将打开一个材料列表，您可以在其中选择或添加材料。

在材料列表中查找“结构钢”，这通常是ANSYS Workbench自带材料库中的选项。

选择该材料后，系统会自动填充相关的材料属性，包括密度、弹性模量和泊松比等。

根据给定的数据，确认所选结构钢材料的密度为7850kg/m³，弹性模量为2E+11Pa，泊松比为0.3。

5.3.3 边界条件与载荷条件

在进行座椅的静力学仿真时，正确定义边界条件是至关重要的。边界条件是指在分析过程中对模型施加的限制或支撑，它们模拟了实际使用中座椅与其环境之间的相互作用。在座椅的静态有限元分析中，一种常见的边界条件是对座椅的两个底座施加固定支撑，这意味着假定座椅的底座在仿真过程中是完全不动的。

为了进行座椅的静力学仿真，除了恰当地设置边界条件外，施加准确的载荷也是至关重要的。在这个案例中，我们需要模拟人在座椅上所产生的作用力，在座的表面施加500N向下的力载荷用于模拟人的作用力。

5.3.4 网格划分

在项目图表视图中找到“模型”（Model）分支下的“网格”（Mesh）分支，右键单击选择“编辑”（Edit）。

选择整个连杆模型或指定的部分进行网格设置。

调整网格大小至2mm，这可以在“网格控制”（Sizing）选项中设置，确保全局单元尺寸为2mm。

考虑到模型的复杂性和计算资源，可以采用自适应网格划分方法，以便在需要的地方自动细化网格，提高计算精度。

5.3.5 结果分析与后处理

在Workbench的项目图表视图中，找到“求解”（Solution）分支，展开该分支以查看可用的结果类型。

选择“变形”（Deformation）选项，通常是以总变形（Total Deformation）的形式展示。

在Workbench窗口中，将显示活塞的变形云图。这个云图用不同的颜色表示不同变形量的大小，通常从蓝色（变形最小）到红色（变形最大）。

仔细观察云图，特别关注颜色变化可以提供有关哪些区域受到最大变形的直观信息。

使用Workbench中的探针工具或结果摘要来量化最大变形值。将探针放置在云图中颜色最红的区域。

最大变形云图如下所示，可以看到最大变形为0.027973mm。

最大应力云图如下图所示，可以看到最大应力为3.9119Mpa，小于结构钢的屈服强度，在安全裕度范围内，符合设计要求。

5.4 结论与改进

这个最大变形值非常小，特别是考虑到单位是毫米。这样的变形程度在实际工程应用中可能不会对吊钩的功能产生显著影响。

然而，详细的评估还需要考虑座椅的工作条件、设计容差以及其他可能的影响因素，如热效应、动态加载等。

如果最大变形值超出了设计要求，可能需要进行进一步的设计优化，比如增加的厚度、改变材料或修改形状等。

可以通过调整网格划分来提高求解的精度，或者考虑更复杂的非线性分析，如大变形理论或接触分析。

此外，加了减震器后的整体结构变形和应力相比于初始的座椅的变形和应力有明显的降低，优化效果显著。