孫路 殷雪艷

摘 要：在ANSYS的基礎(chǔ)上，利用APDL參數(shù)化的特征，根據(jù)系列化零部件的一些結(jié)構(gòu)特點，生成相關(guān)的APDL命令。在建模的同時，在輸入對話框輸入基本的某些參數(shù)，再利用計算機的指令完成其他相關(guān)操作。在這一過程中實現(xiàn)同一個系列型號不相同的零部件的參數(shù)化有限元建模。這樣可以有效避免重復性的操作，分析的效率也會有很大的提升。

關(guān)鍵詞：APDL；ANSYS；系列化零部件；有限元建模

所謂系列化零部件，顧名思義即同一個系列有多個不同型號的零部件，這些零部件主要是型號的不同，主要體現(xiàn)在零件大小尺寸的變化，并且這些型號尺寸的變化都會有一定的規(guī)律[1]。各種零件之間的拓撲結(jié)構(gòu)不會發(fā)生改變以及零件之間相關(guān)特征不會有很大的差距。對于某種系列的零部件，如果按照常規(guī)方法進行有限元之間的分析，需要對每個零部件都進行從一開始的建立模型到加載等重復性的建模工作。所以，根據(jù)系列化零部件的一些特點，及ANSYS具有二次開發(fā)的功能，再加上APDL語言相關(guān)參數(shù)化的特征[2]，在某種程度上節(jié)省了人力物力，只需要輸入相關(guān)參數(shù)，所有的建模工作都由計算機來完成。

1 ANSYS二次開發(fā)技術(shù)研究以及現(xiàn)狀

從目前國內(nèi)發(fā)展來看，參數(shù)化所涉及到的集合模型十分的有限，在很多方面綜合考慮這種方式所能處理的僅僅是一些簡單的幾何模型，如果能在三維結(jié)構(gòu)或者是比較復雜的幾何模型上有開發(fā)造型系統(tǒng)，可以預計它的花費將會很大。所以相關(guān)研究者將目光轉(zhuǎn)移到了有限元的開發(fā)軟件[3]。通過有限元的軟件以及幾何模型造型軟件的有機融合、相互滲透，通過兩個軟件之間的接口，處理的模型數(shù)據(jù)在軟件間的交換已經(jīng)不麻煩。就目前情況來看，一些通用有限元軟件為相關(guān)模型的參數(shù)化提供了比較全面的功能，較多的二次開發(fā)的工具，以及開發(fā)環(huán)境相對來說比較開放。比如ANSYS參數(shù)化二次開發(fā)研究提供的APDL語言，這種語言類似于C語言，可以給用戶提供開發(fā)的自編程序，完成參數(shù)化的程序設(shè)計，以及有限元計算的參數(shù)化[4]。在通用有限元的二次開發(fā)環(huán)境的條件下，對它們進行二次開發(fā)的前處理操作。實現(xiàn)參數(shù)化有限元的建模過程，這種方式已經(jīng)成為相關(guān)研究者首要考慮的方案。ANSYS是一種集熱學、聲學、電磁學、流體以及融結(jié)構(gòu)為一體的軟件。如今使用的ANSYS版本在功能以及性能和環(huán)境適應(yīng)性、可靠性等方面取得了重大的改進，能滿足用戶的基本需要[5]。利用這個軟件系統(tǒng)，相關(guān)的設(shè)計工程師能夠構(gòu)造出比較復雜的模型，并將模型進行分析，評估零部件使用的合理性，使設(shè)計方案最優(yōu)化，減少在實際生產(chǎn)過程中的成本投資，大大地縮短了零部件的生產(chǎn)周期，有效地提高利潤。APDL是一種參數(shù)化設(shè)計的相關(guān)解釋性語言，它的核心內(nèi)容是循環(huán)語句、參數(shù)等?？梢酝ㄟ^建立零部件的模型自動地完成一些任務(wù)，這些任務(wù)的通用性很強，是一門腳本語言。APDL允許客戶輸入比較復雜的數(shù)據(jù)，使得用戶對于模型的設(shè)計以及屬性具有絕對的控制權(quán)。比如分析模型的大小，以及材料的使用性能，劃分網(wǎng)格的密度以及邊界施加的條件等。這種語言擴展了原有結(jié)構(gòu)分析的范圍。ANSYS在一般情況下總是按照順序執(zhí)行命令，但是有時也是需要改變程序執(zhí)行時的順序。這種語言的優(yōu)點是提供了兩種工作的模式，即命令流輸入以及人機交互這兩種方式。其優(yōu)勢在于方便保存以及攜帶，一個APDL的文件所占用的存儲空間很小，無論是上網(wǎng)還是一般的交流在實際應(yīng)用過程中都很方便。

2 參數(shù)化設(shè)計相關(guān)內(nèi)容

第一，參數(shù)化設(shè)計是在實際的CAD設(shè)計中被提出的，并且在這項技術(shù)中得到迅速的發(fā)展，發(fā)揮著強大的價值的一門技術(shù)。它主要采用的參數(shù)預定義建立幾何圖形的相關(guān)約束集，指定一組系列的尺寸并且使其與相關(guān)的約束集關(guān)聯(lián)。在應(yīng)用程序中體現(xiàn)所有的關(guān)聯(lián)式。通過計算機的對話框，以人和計算機交互的方式修改零部件的參數(shù)，相關(guān)程序會在一定程度上根據(jù)參數(shù)變化來執(zhí)行程序?qū)崿F(xiàn)算法功能。這種工程設(shè)計需要無數(shù)次反復的修改，對于零部件的形狀以及尺寸的大小綜合調(diào)控并且進行優(yōu)化操作。并且對于零件的結(jié)構(gòu)變化相對不大，或者產(chǎn)品的設(shè)計過程相對較為穩(wěn)定。在這種情況下就更需要根據(jù)產(chǎn)品的實際需要自動地選擇產(chǎn)品的設(shè)計方案以及零部件尺寸的修改，這就是參數(shù)化設(shè)計的過程。不同設(shè)計人員的想法構(gòu)思不同，所以設(shè)計方案也會千差萬別，另外零部件的結(jié)構(gòu)的種類很多，研究者在設(shè)計的過程中所涉及到的參數(shù)很多，計算的式子相對繁瑣，人工計算的方式不僅工作效率低下而且難免造成一系列的差錯，影響后續(xù)的進程[6]。這種人工計算的方法已經(jīng)很難滿足機械發(fā)展的需要，而計算機的出現(xiàn)能準確地、快速地得到計算結(jié)果，還可以進行多個方案的綜合比較，從中得到應(yīng)用性能相對較高的設(shè)計結(jié)果。參數(shù)化設(shè)計為零部件模型的可變性以及其他方面的性能提供了有效的手段，用戶可以利用以前的模型參數(shù)方便重建新的模型結(jié)構(gòu)，在原設(shè)計圖的基礎(chǔ)上改動模型，生成系列化的零部件，大大地提高了生產(chǎn)的效率[7]。

第二，參數(shù)化設(shè)計的實現(xiàn)過程。在有限元使用的范圍中，參數(shù)化設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用極其具有局限性。參數(shù)化建模實質(zhì)上是在計算機中輸入一定的參數(shù)后，計算機能夠讀出模型數(shù)據(jù)，并且能夠自動地修改數(shù)據(jù)，生成有限元建模的過程。以平面磨床為例，平面磨床是由床身、磨頭、后床身等六部分組成，一些平面磨床的結(jié)構(gòu)形式變化微小，其結(jié)構(gòu)的相關(guān)尺寸可以由計算機輸入的參數(shù)來描述，參數(shù)的確定意味著平面磨床結(jié)構(gòu)的確定。將這些參數(shù)提取出來，在ANSYS中利用它的二次開發(fā)的相關(guān)技術(shù)實現(xiàn)有限元建模，可以有效地提高ANSYS加工的磨床精確度。參數(shù)化設(shè)計所包含的內(nèi)容很廣泛，一般情況下指的是參數(shù)化造型。它使用幾何參數(shù)修改幾何造型以及快速構(gòu)建造型的方案。這些參數(shù)主要是控制幾何模型的大小以及模型方向矢量?？偟膩碚f，有限元建模是生成的圖形具有參數(shù)化的性能。參數(shù)化造型適用于模型結(jié)構(gòu)類似、但是在尺寸上有微小變化的系列產(chǎn)品。參數(shù)化方法分為下面主要幾類：代數(shù)法、直接操作法、人工智能以及語言描述等方法。在這里主要講的是語言描述的方法，用戶可以直接用語言描述的方法直接定義模型造型的參數(shù)。參數(shù)的體素可以直接描述圖形，也可以首先生成體素，根據(jù)體素計算機系統(tǒng)自動地生成幾何模型的描述語言。ANSYS二次開發(fā)提供的APDL語言自動地完成上述的過程。它是一種三維參數(shù)化造型設(shè)計的開發(fā)方法，主要是以下兩種。一種是應(yīng)用APDL語言的函數(shù)完成建模的過程，用人機交互的方式，建立輸入對話框，實現(xiàn)三維參數(shù)化的過程。但是這種程序設(shè)計相對較為繁瑣，對于某種形狀很復雜的零部件來說，使用這種程序設(shè)計來完成三維參數(shù)設(shè)計是很困難的。第二種就是采用三維模型和程序的設(shè)計相互融入的方式，主要的步驟為：在ANSYS的開發(fā)環(huán)境下以交互的形式生成模型，由于零件的模型已經(jīng)創(chuàng)立完全，在這個基礎(chǔ)上，根據(jù)零件的系列要求設(shè)立一組完全控制零部件大小以及尺寸的參數(shù)，設(shè)計的語言程序根據(jù)參數(shù)的要求來完成編程。用語言程序控制造型完成三維參數(shù)化設(shè)計的三項基本內(nèi)容為參數(shù)的獲取以及顯示，參數(shù)的修改，以及模型的重建。

3 有限元建模的步驟

文章根據(jù)零部件結(jié)構(gòu)的特點以及相關(guān)要求，零部件的尺寸用參數(shù)來描述，建立有限元模型，并且進行分析。有限元分析的具體方法如下：第一，利用參數(shù)化的這一思想進行設(shè)計，依據(jù)模型的幾何結(jié)構(gòu)抽象地描繪出幾何模型的特征參數(shù)值。并對模型在不影響其精度的前提下進行化簡。第二，利用ANSYS的指令文件進行建模以及處理結(jié)果和有限元的分析過程。第三，用APDL中的參數(shù)取代在建模的過程中建立的參數(shù)，使參數(shù)具有可變性。最后，將參數(shù)賦予有效的特征值，進而進行有限元的分析計算，并得到計算結(jié)果。這種方法只需要重復第四步操作即可得到新的結(jié)果。對于非專業(yè)工作人員來說甚至不用了解有限元的過程以及方法就可以得到計算結(jié)果。

綜上所述，有限元建模是一種非常專業(yè)的軟件，需要專業(yè)知識儲備很強的工程師使用，并且有限元需要進行前后處理過程，尤其是前處理，需要大量繁雜的工作。如上述平面磨床舉例的結(jié)構(gòu)特點，使得工作人員按照傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析方案進行分析時，要進行多次重復性的操作步驟，大大地延長了零部件生產(chǎn)的周期。為了避免上述的問題出現(xiàn)，在有限元建模的過程中融入了參數(shù)化設(shè)計程序的思想，能夠使用戶有效避免前處理以及建模和劃分網(wǎng)絡(luò)等工作，很大程度上提高了工作效率。鑒于以上的特點，ANSYS軟件在國內(nèi)外的相關(guān)工程設(shè)計以及科學研究等領(lǐng)域都取得了廣泛的應(yīng)用和認可，對于實際的工程分析有很大的探索

意義。

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