林伙川 徐明森 巫紅平

摘要：針對當前鋼筋直螺紋滾軋成形仿真分析中存在的人工操作強度大、建模效率低等問題，研究集成Visual Studio、Creo Parametric和ANSYS等開發(fā)、建模與仿真分析環(huán)境的自動化鋼筋直螺紋滾軋成形仿真分析機制，提出自動化仿真系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，構(gòu)建自動化仿真分析工作流程，開發(fā)交互界面友好的自動化分析系統(tǒng)。進而以某鋼筋直螺紋滾軋成形仿真分析為例對系統(tǒng)進行測試，結(jié)果表明，自動化仿真分析系統(tǒng)不僅能夠自動完成鋼筋直螺紋成形加工系統(tǒng)中滾軋輪與鋼筋毛坯件的實體建模、滾軋成形仿真系統(tǒng)的有限元建模、滾軋成形有限元仿真分析結(jié)果提取等操作，而且具有操作簡單方便、仿真效率高等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：鋼筋；直螺紋；加工過程；自動化；有限元分析

Research on Automated Simulation Analysis Strategy of Straight Thread Roll Forming for Steel Bars

LIN Huochuan，? XU Mingsen， WU Hongping

（ Fujian Inspection and Research Institute for Product Quality， Fuzhou 350002， Fujian， China ）

Abstract：? In allusion to the deficiencies existing in current simulation of straight thread roll forming for steel bars such as high manual operation intensity and low modeling efficiency， the automatic simulation mechanism of straight thread roll forming for steel bars is studied by integrating development， modeling and simulation environment including Visual Studio， Creo Parametric and ANSYS. Then the architecture of automatic simulation system is proposed， and the workflow of automatic simulation is constructed as well as the interactive interface friendly automatic simulation software is developed. Thus， the automatic simulation system isverified by taking the simulation of straight thread roll forming for a steel bar as an example. The results show that the automatic simulation system can automatically complete the solid modeling of the roll wheel and the steel bar， the finite element modeling of the roll forming and the simulation results extracting from finite element analysis as well. Besides，thesystemissimpleand convenient to operatewith high simulation efficiency.

Key Words： Steel bars; Straight thread; Roll forming; Automation; Finite element analysis

0 引言

鋼筋混凝土工程是建筑工程的重要組成部分。鋼筋是鋼筋混凝土工程結(jié)構(gòu)的骨架成分，對建筑整體結(jié)構(gòu)的力學性能中起著至關(guān)重要的作用[1]。隨著我國城市化的不斷推進，建筑工程對鋼筋的需求大量增加，對鋼筋的加工效率、加工質(zhì)量等要求也日益提高[2]。搭建鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)過程中，通常需要將鋼筋進行連接使用。作為機械連接方式之一，直螺紋連接因其操作簡單、施工效率高等優(yōu)點，在國內(nèi)建筑工程中得到普遍應用。直螺紋連接通過使用直螺紋套筒將端部加工出螺紋的鋼筋進行連接。用于連接的螺紋根據(jù)加工方式不同分為鐓粗直螺紋、直接滾軋直螺紋、擠壓肋滾軋直螺紋、剝肋滾軋直螺紋等[3]。其中，直接滾軋直螺紋的應用最為廣泛。然而，螺紋滾軋成形原理較為復雜，其工藝理論也尚不完善，實際實踐中相關(guān)技術(shù)及工藝設(shè)計主要依靠人工經(jīng)驗確定，容易產(chǎn)生“人為”缺陷，需借助反復性實驗驗證工藝方案，不僅增加了生產(chǎn)成本，而且降低了生產(chǎn)效率。有限元法仿真分析技術(shù)的發(fā)展有效降低了螺紋滾軋成形仿真分析的難度，在一定程度上提高了螺紋滾軋仿真分析的求解精度。然而，有限元仿真分析需要完成實體建模、網(wǎng)格劃分、邊界加載、分析計算、結(jié)果提取等過程，存在系統(tǒng)建模難度大、求解效率低等不足[4]。為提高建模效率和求解速度，基于簡化和降階的近似模型以降低模型復雜度的方法得到了廣泛應用，但也在一定程度上減低了模型的求解精度，甚至產(chǎn)生“人為”計算誤差[5]。APDL為充分發(fā)揮Ansys強大的有限元分析計算能力提供了接口，TOOLKIT為充分發(fā)揮Creo Parametric優(yōu)秀的三維實體建模能力提供了接口。而Ansys與Creo Parametric的無縫數(shù)據(jù)接口又為集成Ansys和Creo Parametric各自優(yōu)勢提供途徑。

因此，開展集成Visual Studio、Creo Parametric和Ansys等開發(fā)、建模與仿真分析環(huán)境的自動化鋼筋直螺紋滾軋成形仿真分析策略研究，實現(xiàn)鋼筋直螺紋滾軋成形仿真的三維實體參數(shù)化建模、網(wǎng)格劃分、邊界加載、分析計算和結(jié)果提取的自動化，以降低人工操作強度，提高鋼筋直螺紋滾軋成形仿真分析效率，對促進自動化鋼筋直螺紋滾軋成形仿真分析策略的應用與推廣，具有重要的理論與現(xiàn)實意義。

1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)與工作流程

1.1工作原理

自動化鋼筋直螺紋滾軋成形仿真分析策略的工作原理是有機集成Visual Studio、Creo Parametric和Ansys等開發(fā)、建模與仿真分析環(huán)境，綜合發(fā)揮基于Visual Studio的數(shù)據(jù)管理與組織能力、基于Creo Parametric的三維實體建模能力和基于Ansys的有限元分析計算能力，如圖1所示。

實現(xiàn)鋼筋直螺紋滾軋成形仿真分析的核心是Ansys的有限元分析計算。為實現(xiàn)有限元分析的自動化進行，引入APDL和Batch工作模式，由基于Visual Studio開發(fā)的MFC應用程序自動生成APDL命令流并通過Batch模式調(diào)用，自動完成有限元分析環(huán)境設(shè)置、材料及單元屬性設(shè)置、讀取模型及參數(shù)、根據(jù)實體模型創(chuàng)建網(wǎng)格模型、設(shè)定有限元分析邊界條件、執(zhí)行有限元分析求解器和后處理及分析結(jié)果提取等操作，并通過有限元分析求解器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)文件監(jiān)控有限元分析求解狀態(tài)，同時完成有限元分析結(jié)果的規(guī)范化整理與保存。此外，MFC應用程序還提供友好的人機交互界面完成滾軋參數(shù)輸入和仿真分析結(jié)果輸出。為克服Ansys環(huán)境下實體建模難度大、效率低的不足，充分利用Creo Parametric強大的三維實體建模能力創(chuàng)建鋼筋直螺紋滾軋成形仿真系統(tǒng)三維實體模型，并通過Creo Parametric和Ansys的無縫數(shù)據(jù)接口導入Ansys有限元法分析環(huán)境中。為實現(xiàn)Creo Parametric三維實體建模操作的自動化，由MFC應用程序通過TOOLKIT接口進行調(diào)用，自動完成Creo Parametric中的調(diào)入模型樣板、設(shè)定模型參數(shù)并重繪模型、保存模型等操作。

1.2 體系結(jié)構(gòu)

基于自動化鋼筋直螺紋滾軋成形仿真分析策略，構(gòu)建自動化鋼筋直螺紋滾軋成形仿真系統(tǒng)框架如圖2所示。

自動化鋼筋直螺紋滾軋成形仿真系統(tǒng)包括界面層、業(yè)務層和數(shù)據(jù)層等三層結(jié)構(gòu)。界面層提供友好的人機交互界面，便于操作人員對系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置、仿真結(jié)果的查看及仿真過程的控制。業(yè)務層是仿真系統(tǒng)的核心層，主要完成仿真分析所需的三維實體建模及有限元建模與分析等主要過程，并實現(xiàn)仿真參數(shù)的編輯和仿真結(jié)果的整理與查看等功能。其中，三維實體建模即為基于Creo Parametric二次開發(fā)的功能模塊，實現(xiàn)自動化鋼筋直螺紋滾軋成形有限元仿真所需實體模型的參數(shù)化、自動化重建。有限元建模與分析即為基于Ansys的Batch工作模式的有限元分析模塊，且其中的實體建模通過數(shù)據(jù)接口直接調(diào)用三維實體建模功能模塊生成的實體模型。數(shù)據(jù)層主要實現(xiàn)模型樣板庫、實體模型及參數(shù)庫和分析結(jié)果數(shù)據(jù)庫等數(shù)據(jù)庫組織、維護與管理。其中，模型樣板庫主要用于存儲鋼筋直螺紋滾軋成形仿真相關(guān)實體模型的參數(shù)化樣板文件；實體模型及參數(shù)庫存儲利用樣板文件快速生成的仿真實體模型及模型的相關(guān)參數(shù)，便于快速模型及其參數(shù)的直接、快速讀?。环治鼋Y(jié)果數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)對每次仿真結(jié)果的組織與存儲，便于隨時讀取、查看已有仿真結(jié)果。

1.3 工作流程

基于上述自動化鋼筋直螺紋滾軋成形仿真分析工作原理和系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，構(gòu)建系統(tǒng)工作流程如圖3所示。

系統(tǒng)進入自動化鋼筋直螺紋滾軋成形仿真分析流程時，首先根據(jù)人機界面交互結(jié)果讀取滾軋參數(shù)，進入實體建模階段。在實體建模階段，程序以異步模式啟動Creo Parametric環(huán)境，在通過TOOLKIT接口載入滾軋輪及鋼筋毛坯模型樣板的基礎(chǔ)上，根據(jù)滾軋參數(shù)快速生成滾軋成形仿真分析所需實體模型。若模型生成失敗，則通過人機界面顯示建模失敗原因并退出仿真分析過程。否則，保存生成的實體模型及參數(shù)，關(guān)閉Creo Parametric環(huán)境并進入有限元建模與分析階段。在有限元建模與分析階段，程序根據(jù)人機界面交互得到滾軋參數(shù)，創(chuàng)建APDL有限元分析命令流文件，繼而以Batch方式啟動Ansys環(huán)境并執(zhí)行APDL命令流。執(zhí)行的過程中，自動調(diào)用實體建模階段生成的實體模型完成有限元實體建模。若有限元分析失敗，則通過人機界面顯示分析失敗原因并退出仿真分析過程。否則，提取并保存相關(guān)分析結(jié)果后退出自動化鋼筋直螺紋滾軋成形仿真分析流程。

2 系統(tǒng)實例開發(fā)

基于上述自動化鋼筋直螺紋滾軋成形仿真分析系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)及工作流程，以Visual Studio的MFC工程為框架，結(jié)合Creo Parametric的TOOLKIT接口和Ansys的APDL命令流和Batch工作模式接口，開發(fā)自動化鋼筋直螺紋滾軋成形仿真分析系統(tǒng)。系統(tǒng)主界面如圖4所示。滾軋成形仿真系統(tǒng)提供了項目管理、環(huán)境設(shè)置、參數(shù)設(shè)置、實體建模、滾軋仿真、結(jié)果查看、視圖、幫助8個菜單。其中，項目管理菜單實現(xiàn)對項目文檔的存儲、讀取等操作；環(huán)境設(shè)置菜單主要用于設(shè)置系統(tǒng)啟動Creo Parametric、Ansys等程序所需的路徑；參數(shù)設(shè)置菜單用于設(shè)置滾軋成形仿真有限元模型所需的參數(shù)；滾軋仿真菜單執(zhí)行滾軋成形仿真計算過程；結(jié)果查看菜單用于查看滾軋成形仿真相關(guān)結(jié)果；視圖菜單用于設(shè)定系統(tǒng)視圖顯示狀態(tài)；幫助菜單提供系統(tǒng)操作幫助。參數(shù)設(shè)置界面如圖5所示，主要實現(xiàn)工件毛坯、滾絲輪、有限元網(wǎng)格等參數(shù)的設(shè)定。結(jié)果查看界面如圖6所示，除了提供所展示的某型號鋼筋直螺紋滾軋成形仿真結(jié)果查看功能以外，還提供了模型參數(shù)、實體模型、網(wǎng)格模型等結(jié)果的查看功能。

3結(jié)論

1）文中揭示了自動化鋼筋直螺紋滾軋成形仿真分析的工作原理，構(gòu)建了自動化鋼筋直螺紋滾軋成形仿真分析系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，提出了自動化動臂結(jié)構(gòu)有限元分析工作流程。

2）文中建立穩(wěn)定、可靠的鋼筋直螺紋滾軋成形仿真所需的參數(shù)化樣板模型，構(gòu)建了鋼筋直螺紋滾軋成形仿真APDL命令流，實現(xiàn)了實體建模、有限元建模與分析、分析結(jié)果提取等復雜操作的程序化，降低了仿真建模難度。

3）文中開發(fā)了自動化鋼筋直螺紋滾軋成形仿真分析系統(tǒng)，實現(xiàn)鋼筋直螺紋滾軋成形仿真過程完全自動化，提高了仿真分析效率，完善了仿真參數(shù)及仿真結(jié)果的組織、管理與維護機制，為今后自動化、復合化乃至智能化的有限元仿真分析系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)提供了寶貴經(jīng)驗。

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