一、概述

ALGOR软件能够方便快捷地进行包括静力、动力、线性、非线性、热传导、流场、电场、管道工艺流程设计以及多场耦合等设计分析,帮助设计分析人员预测和检验在真实状态下的各种情况,快速、低成本地完成更安全更可靠的设计项目。

机械行业是我国机械工业16个重要行业之一,已发展为包括挖掘机械、铲运工程机械、工程起重机、机动工业车辆、压实与路面机械、城市建设机械、工程零部件以及其他机械在内的18大类、288个系列、约4300多个型号规格的产品行业,具有相当规模和一定技术水平。在机械行业领域中所涉及到的结构和零部件种类繁多,包括二维、三维实体、板壳、梁、索、膜和杆等。所涉及到的材料也囊括了线性、

非线性,金属、复合材料、有机材料、橡胶、塑料和其他特殊材料等几乎所有的材料类型。在研究内容上要求多样化,线性和非线性材料的静力分析、动力分析、振动模态分析、响应谱分析、温度场分析、直至流体分析、电场以及多场耦合分析等都有涉猎。因此对于机械行业的研究对象,往往需 要从多方面的因素考虑,进而给出正确的结果。

在机械工程行业领域中,ALGOR可用来方便地实现对各种复杂结构建立几何模型,有限元网格划分,进行各种类型的分析求解。此外,ALGOR 还提供了机械运动仿真模块用来模拟实际机械运动过程中的受力和变形,压力容器模块也为压力容器的用户提供了便捷的建模和分析工具。

二、ALGOR 功能介绍及典型应用

ALGOR 作为世界著名的大型通用有限元仿真软件,被广泛应用在各个领域。而在工程设计中,可以模拟各种各样的现象,能够帮助设计分析人员预测和检验在真实状态下的各种情况,快速、低成本地完成更安全更可靠的设计项目。

ALGOR 软件的特点可以概括为:工程师第一的原则;方便友好的用户使用界面;CAD/CAE协同的前处理器;丰富的材料库和单元库特征;强大的结构分析以及多物理场分析功能; 机械运动仿真功能;管道设计和压力容器设计与分析;丰富的后处理功能;广泛的数据交换形式。

1.工程师第一的原则

通常进行有限元分析往往需要操作者有较强的专业背景和丰富的有限元理论知识,才能够正确分析并得出有效的结果,用户对有限元分析软件的易学易用性的要求越来越强烈。ALGOR以工程师为第一的原则,在软件的设计上力求结构简单、操作方便,可以尽快发挥实际效益。此外,强大的材料模型库可以方便工程师直接调用所需要的材料类型和材料参数,而无需繁琐的计算和输入。智能的有限元网格划分工具,可以快速有效地划分出优秀质量的网格模型,极大地节省了用户在项目分析中所花费的时间。所建立模型在分析前的自动检查功能也可以帮助工程师检测模型的正确性,并可以智能地指出错误原因以帮助工程师进行改进。

2.方便友好的用户使用界面

ALGOR基于Windows系统,其强大的分析功能均集成在Windows风格的统一平台下完成,它采用工程语言描述,尽量少地涉及有限元概念,这对熟悉Windows系统的设计人员、分析人员来说是非常容易掌握和操作的。

为了方便工程师的使用,ALGOR 软件采用了树式管理模式、内嵌工具条和鼠标右键支持功能,以便于对分析流程进行操作控制。基于Windows应用界面方式的三维视图、多窗口显示方便直观地对不同工况的计算结果进行比较。上下文相关菜单可以根据分析类型和进程过滤菜单和选项。实时的 自动检查数据输入可以保证计算数据的正确性。

3.CAD/CAE 协同的前处理器

通常实际机械工业中所使用结构的模型非常复杂,各种机械、机器、车辆、车床以及零部件涉及到各种结构类型,而且往往是多种结构形式的组合。因此,机械工程对有限元前后处理的要求非常高,需要软件提供非常灵活的几何建模、网格划分和强大后处理功能才能满足用户各方面的要求。ALGOR 软件正是考虑了工程师在实际工程中的需要,设计了完全的CAD模型建立和导入功能,强大的有限元网格自动划分并允许手动设置,以及多花样的结果输出和数据管理。

ALGOR软件具有直接的CAD 建模技术:提供一个在FEM-PRO界面中完全内嵌的Superdraw建模工具,包括创立二维和三维结构单元的选项。此外对于机械行业的用户,由于在生产过程中对产品结构往往已经具有通过专业CAD软件所绘制的CAD模型,并且一些复杂的结构模型往往也需要借助于专业的CAD软件才能顺利完成。为了减少分析花费的时间和不必要的浪费,这就要求有限元软件在提供专业的CAD建模工具的同时还要具有与用户熟知的专业CAD软件的良好接口。事实上,随着CAD软件应用的普及,将CAE分析系统与CAD设计系统集成已成为目前仿真设计的一个发展趋势。 ALGOR软件除了自身的CAD建模工具之外,提供了与目前大多数商业CAD专业软件接口程序,用户可以直接将CAD软件生成的模型文件导入到ALGOR中,甚至可以不需要生成第三方文件而直接导入,如图1所示。

图1

众所周知,一个有限元分析项目所花费的时间其中有70%~80%是用在结构建模和有限元网格划分上。其中网格划分则需要更多的时间和工程师的经验,有限元分析的精度和结果的正确与否很大程度上取决于网格的优劣。在CAD实体模型的基础上软件能否快速而有效地生成高精度、高质量的有限元网格是提高效率、降低成本的关键。ALGOR软件所提供的自动有限元网格划分工具不需要用户具有有限元网格的知识,只需要简单点击几下鼠标便可以生成高质量的网格模型。

ALGOR 在其 Window 风格的分析管理平台下集入了所有的前后处理和分析功能。其前处理最大的特点是CAD/CAE的一体化,以及强大的分网器和建模的灵活性,可以满足上述各方面的用户要求。具体来说:ALGOR 的前处理包括如下几部分。

(1)强大而方便的CAD 建模和接口

ALGOR 软件在 FEMPRO 平台中完全内嵌一个完整的CAD 建模工具—Superdraw,可以建立包括二维和三维结构单元在内的复杂模型。此外,ALGOR 自身提供了专用的参数化CAD 实体建模工具,可以建立任意复杂的三维实体模型。具有拷贝、等分、倒角、相交、镜像、移动、旋转、缩放以及裁减/延伸等其他一些三维模型功能。此外,ALGOR 软件中的Incad 软件模块提供了所有主要CAD软件之间的相关联系,并支持普遍的CAD文件格式,如图2所示。

图2

(2)强大智能的网格划分工具

ALGOR 软件的自动网格划分工具是公认的优秀智能网格划分器,它的中面网格划分功能也非常强大。另外,它的混合网格划分不但会缩短求解的时间,而且会提高在临界点上的应力求解效果。

ALGOR 所提供的强大智能网格划分功能非常适合于工程师快速有效建立有限元网格模型并进行实际工程问题的分析求解。ALGOR 提供了全自动的六面体、四面体以及混合网格的高度智能化划分,用户只需要简单点击几下鼠标,拖动滑块控制网格的精度就可以生成非常复杂的高精度的网格模型,从而保证了计算分析的高效性和高精度,如图3所示。

图3

程序还提供了自动的网格细化功能可以帮助用户确定需要细化的区域,用户也可以人为指定需要细化的区域,从而实现对网格的控制。此外ALGOR 也允许熟悉有限元知识的用户进行手动网格控制,提供了多种独具特色的功能以及高级的网格控制技术,保证用户可以按照自己的要求生成符合需 要的计算网格。

ALGOR 软件所提供的中截面提取工具可以自动提取薄壁三维实体模型的中面并生成板壳有限元 模型,如图4所示。此项功能对于薄板结构非常有用,可以在三维CAD实体模型的基础上直接提取板壳单元模型,而无需重新建模,从而有效减少了实体网格单元的数目,缩短了计算求解的时间。

图4

ALGOR 除了可以对导入的CAD模型进行有限元网格划分生成有限元模型外,还提供了方便灵活的网格构建和编辑功能,可以直接建立有限元模型,也可以对已有的模型进行添加、修改和删除等,如图5所示。

图5

(3)丰富的材料和单元库

为了能够最大程度上方便工程师在分析过程中提高效率、简化操作,ALGOR软件的材料库集成了大量的材料模型,用户只需要根据标准选用不同的材料即可,而不需要手动输入材料性质和参数。此外,根据工程师在实际进行分析中所能遇到的问题,ALGOR提供了丰富的单元类型以满足各种不同场或载荷作用下分析的需要。

4.ALGOR 强大的分析功能

在现代的机械行业中,机械产品通常被使用在各种不同的工作环境下,涉及到许多不同的载荷问题和场分析。ALGOR提供了强大的分析功能,其范围可以从单一物理场到多物理耦合场的分析和求解,甚至还包括了机械行业中所遇到的机械运动仿真、管道系统分析以及压力容器分析功能,几乎覆 盖了机械行业所关心以及所能遇到的结构、流体、温度和电等有关的各种问题需求,如图6所示。

图6

(1)线性、非线性材料的静力与动力分析

在机械工业中,一般要求所使用的材料或者结构必须处 于弹性范围内,即不允许有塑性变形产生。因此线性材料的 静力和动力分析应用非常广泛,几乎包括了机械行业结构所 遇到问题的 60%~80%,ALGOR 软件 的线 性分析功能不 仅种 类 齐全、功能深入,而且界面友好、使用方便,非常适用于工 程师使用。

①线性静力分析。工程师可以分析机械结构或者零部件在承受载荷状况下的应力分布特征、位移特征以及应变分布,以便对结构和部件中受力集中区域进行处理。在ALGOR 线性静力模块中,用户可以快速方便地完成线性静力分析的全过程,如图7所示。

图7

②线性动力分析。可以预测机械结构或零部件的振动特性或者在激励载荷作用下的响应问题,以及可以给出结果的振型和固有频率。

(2)几何非线性分析与接触、碰撞和冲击在有限元分析中,通常所认为的非线性分析除了上述所讲到的材料非线性的分析之外,还包括几何非线性、接触、碰撞和冲击等。ALGOR的非线性分析功能除了可以进行非线性材料的静力和动力分析之外,还可以分析包括几何非线性和接触分析等非线性问题。

①几何非线性分析。主要是考虑结构或零件在受力过程中的大变形、大应变或大转动问题。这对于机械仪器或结构中较薄的板、壳、梁和索等结构非常适用。这些结构在受到较大载荷的时候往往会出现大的变形或转动,甚至会发生屈曲现象。因此对于这一类问题进行分析是十分必要的。ALGOR 软件在处理非线性问题中,采用完全拉格朗日算法和更新的拉格朗日算法,以及单元的缩减积分、非协调算法等技术,在确保了计算的精确度的同时提高了计算速度,减少了时间和成本。

在机械行业中,出现的最典型的几何非线性问题就是屈曲分析。屈曲分析考虑结构的缺陷和受到的扰动,以防止结构发生失稳破坏,这对实际工程结构具有非常重要的意义,如图8所示。

图8

②接触、碰撞与冲击。ALGOR 提供了丰富的接触关系定义,可以模拟各种接触行为,包括小变形点对点接触到大位移、状态剧烈变化的面对面接触,而且可以考虑摩擦系数和接触界面的热阻影响。

(3)机械运动仿真

ALGOR 除了可以考虑线性和非线性材料的静力和动力分析之外,而且其最大的特点就是可以进行机械实体运动的仿真和模拟。

ALGOR机械运动仿真(MES)模块用来计算线性和非线性材料模型的运动和应力分析。一个机械运动仿真模型的建立主要依赖于物理数据,而不是计算或估计出来的载荷和约束信息。运动和应力分析的组合考虑了整体惯性的影响,能够使工程师清楚地看到运动过程和结果,例如冲击、屈曲、永久变形和位移。因此,部件需要少量的物理原始模型实验来验证,然后进行分析以减少时间和花费。 MES的全面分析方法不仅比单一的线性静态分析精确,而且也为机构部件行为的全程动态显示提供了工具。

(4)专业的疲劳分析模块

疲劳寿命分析对于产品(如轴、曲柄和连接杆等) 是非常重要的,这些结构经常会在较小的往复载荷作用下或者变载荷作用下(并未达到单一载荷时的程度)而发生失效。ALGOR软件的专业疲劳分析模块可以模拟疲劳失效而使用户可以针对循环应力载荷作用下产品的疲劳极限进行设计以确保它的安全性。

ALGOR 疲劳模块提供了非常直观的向导功能可以指导用户一步步地完成疲劳分析全过程。疲劳模块提供了广泛的材料疲劳数据库,方便了用户的使用。疲劳分析中可以考虑各种复杂的载荷和状况,可以指定载荷历史数据和载荷循环的重复次数,考虑结构特性和加工条件,如局部应力集中和表面打磨效应,进行结构的疲劳寿命计算,并且给出直观的寿命、安全系数等值图等结果。

(5)热传递分析

温度场和热应力场的模拟分析在机械行业的实际生产和应用中也会经常见到。ALGOR提供了完善的热分析功能,可以进行稳态或者瞬态热分析,材料的传热参数、热边界条件均可以与温度相关,从而进行非线性的热分析。热分析功能可以模拟结构的热传导、对流和辐射,ALGOR 直观的参数、边界条件输入环境为热分析提供了非常方便的流程和途径。

ALGOR 软件还可以将温度场与其他不同场分析耦合起来。当温度场与应力场耦合起来进行分析时,可以确定温度分布对力学模型的影响。而当热分析与非线性材料的机械运动仿真耦合时,可以通过分析确定物体随着时间的蠕变现象以及应力的分布。当温度场与流体流动场耦合时,可以分析自然 对流、强制对流以及混合对流的影响。

(6)流体流动分析

ALGOR 的流场分析功能可以模拟空气、水等各种流体介质特性,计算其流动行为;确定不可压缩流体、牛顿流体和非牛顿流体等流动设计稳态和非稳态流体流动特征。ALGOR提供了二、三维流体单元以及丰富的流体本构模型,可以进行三类流体分析:稳定流;非稳定流;孔隙介质流。

ALGOR流体分析可以得到流速、压力等结果,而且可以和其他分析场耦合起来进行分析。当流体流动场与应力场耦合时,可以计算由于流体流动或内部压缩而产生的应力。当流体流动场与热分析场耦合时,可以分析自然对流、强制对流以及混合对流的影响。

(7)静电场分析

ALGOR的静电场分析功能可以使工程师模拟处在电场状态下的电子元件电压和电流的分布特征。此外,静电场分析还可以帮助用户分析绝缘的有效性和预测电场中物体的运动。

ALGOR 静电场分析还可以和其他分析场耦合起来进行分析。当与热分析耦合时,可以通过考虑焦耳热模拟电热的影响。在此分析过程中,电流产生的结果可以自动转移到热传递分析。当模拟许多电子元器件以及MEMS元件的时候,电热的产生对分析的最后结果十分重要。

(8)多物理场耦合分析

ALGOR 在提供上述强大的单一现象分析能力前提下,另一个优势是它可以进行两个甚至多个物理场的耦合分析,可以同时模拟几个不同场环境同时作用下结构或者部件的状态。其中典型的耦合场分析功能包括热分析—应力场耦合、流体分析—应力分析耦合(流固耦合)、温度场—电场耦合、流体流动—热分析场耦合等。这些耦合场环境在实际机械工业中也会经常遇到,因此对这一部分的分析功能的需求ALGOR 给予了最好的满足,为机械行业的工程师分析多场耦合现象提供了真正强大的解决方案。

(9)专业的管道设计与分析

机械行业中有时也会遇到管道系统的分析,比如地下埋管系统、污水处理系统等,需要分析它们的安全性和设计的合理性。

针对管道系统这一类特殊的结构,ALGOR提供了专用的建模和分析工具PipePak。对于管道系统设计和分析者,PipePak提供了一个遵从管道系统的工业标准进行定义整个管道系统和执行结构分析的工具。它可以使工程师用图形显示分析结果,对输入信息、设备数据和分析结果生成HTML 或文本总结报告等。

ALGOR提供的 PipePak 工具,可以通过电子表定义管道布局,通过绘制工具绘制管道模型,可以调用内置的管道部件单元库(直管、弯管、阀门、减压器、波纹管、法兰和三通)直接建立模型,施加专用管道约束载荷,包括弹簧支撑、支座等,可以模拟周围结构对管道的影响。并且进行ALGOR 提供的所有类型的分析,分析后可以按照管道规范进行校核验算。另外,除了可以使用电子数据表格定义管道系统外,PipePak还提供了图形绘制工具、文件导入选项和将图形、电子数据表格输入以及导入文件合并的能力。

(10)专业的压力容器设计与分析

对于压力容器设计,ALGOR软件可提供相关的工具进行建模、分析和校核。通过ALGOR软件,在包括化学工业、石油化工和发电等各工业,压力容器的设计者可以根据工业标准,例如ASME的锅炉和压力容器标准(BPVC)对产品进行评估。ALGOR软件的各个仿真模块对压力容器设计均是有效的,包括线性和非线性材料模型的静态应力分析、线性和非线性材料模型的机械结构仿真、线性动态分析、稳态和瞬态的热传导分析、稳态和非稳态的流体流动以及湍流和多物理场分析,如图9所示。

图9

通过使用模板,压力容器设计软件包的建模工具可以使工程人员快速地建立参数化的管道模型,例如压力容器和交叉管道。然后模型可以直接导入ALGOR 软件进行有限元分析,或者导入到CAD系统进一步修改。

5.丰富的后处理功能

在有限元分析中,工程师最需要的就是计算结果的最后显示。为了满足广大用户的需求,ALGOR软件开发了一个强大丰富的后处理系统,且操作仍然简便、快捷。其结果输出形式多样,相应类型变化丰富,除了常规的应力、应变、位移、变形等以外,还可以给出一些特殊的结果参量,如剪力、弯矩和轴力等内力图以及剖面视图等。

ALGOR 的后处理不仅操作简单直观,而且功能强大,提供了丰富的图形显示和数据处理功能,如图10所示。

图10

三、小结

ALGOR作为世界著名的大型通用有限元仿真软件,在诸多领域中均有广泛应用。ALGOR产品提供了友好的全Windows风格的界面,符合现代软件发展的潮流以及工程设计、分析人员的要求。引入ALGOR软件可以在短期内切实地为产品设计服务,让企业的投资尽快发挥应有的效益。ALGOR提供了强大的结构、热、流体、静电以及多场耦合的分析功能,具有丰富的单元类型和材料模式,也得 到了用户的广泛认可,在工程结构的设计、施工中发挥重要作用。