基于VB的ANSYS二次開發在液壓缸參數化設計中的應用

黃洲，李龍華

（河海大學機電學院，江蘇常州 213022）

0 引言

隨著機械產品更新速度的加快，為了克服傳統設計階段工作重復、效率低的弊病，市面上涌現了諸多CAD/CAM參數化設計軟件，如本文所提的液壓缸參數化設計系統。這些軟件可快速建模、生成圖樣，但是對產品性能進行校核、分析的功能相對薄弱。其自帶的校核模塊一般是利用傳統材料力學公式進行計算校核，只能做出定性判斷，不能對產品性能做出深入細致的分析。本文針對液壓缸參數化設計系統，開發出基于VB的ANSYS二次開發模塊，并將其嵌入到系統中，利用ANSYS強大的力學分析功能對產品進行分析、校核，為產品結構優化提供依據。用戶只需在交互式界面選擇相關參數即可實現對液壓缸參數化設計系統下所生成零件的ANSYS有限元分析，高效完成對產品性能的評定，從而提高液壓缸零件的開發效率、降低開發成本?；赩B的ANSYS二次開發模塊可以使用戶省去對復雜的ANSYS軟件進行研究的時間，大大減輕設計者的工作強度。

1 液壓缸參數化設計系統

本文所述液壓缸參數化設計系統采用solidworks建模，利用VB編制人機界面。該系統主要包括整體設計、單獨設計、標準件庫和非標準件庫等模塊，并通過選擇相關參數以此確定驅動尺寸，系統根據驅動尺寸定義從動尺寸并生成液壓缸模型。液壓缸參數化設計使設計人員從大量、繁瑣的繪圖工作中解脫出來，有效提高了設計速度，同時為液壓缸產品的并行設計提供了手段，使用戶在遵循原設計意圖的情況下方便地改動模型，生成系列產品。圖1是該系統單獨設計模塊中用于活塞桿設計的界面窗體。用戶在窗體中輸入活塞桿的有關尺寸并點擊“生成三維模型”按鈕，程序便驅動 solidworks建立對應的活塞桿模型。

2 VB對ANSYS的封裝

2.1 ANSYS二次開發方法

圖1 活塞桿參數化設計窗口

ANSYS具有強大的前、后處理功能，但使用者必須具有較高的力學知識和分析經驗，尤其在前處理階段需要花費較大精力。ANSYS二次開發模塊則可使用戶不用掌握ANSYS也可進行有限元分析。ANSYS自身提供了三種二次開發技術，分別是參數化設計語言APDL、用戶圖形界面設計語言UIDL和用戶可編程特性UPFs。其中UIDL是針對ANSYS軟件窗口進行修改的語言，用于控制GUI界面的各類二次開發;APDL主要是實現從前處理建模、加載求解到后處理結果查看等全過程性的參數化語言;UPFs提供fortran函數以擴展和修改程序功能，用于實現最復雜的二次開發。本文所描述的ANSYS二次開發模塊主要針對液壓缸參數化設計系統生成的液壓缸零件，模塊的運行實際上是后臺調用ANSYS相關文件，介于APDL語言可以實現ANSYS分析的全過程，本文選其作為此次二次開發的設計語言。

2.2 VB對APDL命令流的調用

ANSYS的分析過程一般包括前處理建模、加載求解和后處理結果查看。ANSYS log文件包含分析過程的全部APDL命令流。筆者首先建立對液壓缸各零件如缸體、活塞桿的log文件，對這些文件進行整理，去除不必要的APDL命令流。然后建立關于材料性能、ANSYS單元類型的數據庫，并利用VB建立可視化的圖形交互界面，實現數據庫與log文件中記錄諸如彈性模量、泊松比、單元類型以及網格精度等命令流的對接，完成對log文件的修改。最后再通過VB后臺調用ANSYS并將修改后的log文件導入ANSYS中進行分析，將結果云圖調給用戶。整個過程的流程圖如圖2示。用戶設定不同的參數值會得到不同尺寸的液壓缸零件，利用ANSYS二次開發界面，可省去用戶在ANSYS中對同類型零件進行重復性分析所需的時間。

3 實例分析

液壓缸參數化設計系統中涉及的零件眾多，本文選取其中的核心部件—缸體，作為實例來說明利用VB建立ANSYS二次開發模塊的過程。

3.1 缸體命令流文件的建立

圖2 調用流程圖

啟動ANSYS，更改工作文件名為gangti。由于該缸體的結構是軸對稱的，載荷分布在缸體內表面，也是軸對稱的，因此將模型沿對稱面除去一半轉化為軸對稱問題，方便后期內部云圖的查看。選擇單元類型為solid186（3維20節點實體模型），按20號鋼材料性能定義彈性模量和泊松比，智能分網，精度取默認值。在缸體的兩端面對Ux，Uy，Uz施加約束，在缸體對稱面施加 Symmetry B.C.對稱約束，在缸體內表面施加10 MPa的壓力并求解。求解結束后關閉ANSYS，找到ANSYS默認路徑下的gangti.log文件，去掉該文件中不必要的命令，如旋轉、移動等，即可得到關于缸體分析的初始命令流文件。

3.2 界面程序

缸體有限元分析界面如圖3所示，用戶在列表中選擇材料，點擊“查看材料性能”按鈕，程序會從數據庫中提取相應的材料屬性值并賦給下面的材料性能狀態框，在“單元類型”和“劃分精度”中選擇相關參數，輸入載荷值，便可完成對log文件中控制單元、精度和壓力值等命令流的修改。最后點擊“加載求解”按鈕，系統迅速將新生成的log文件后臺調用到ANSYS中進行求解。

圖3 缸體有限元分析窗口

利用該界面，用戶可快速完成對缸體的有限元分析，得到缸體的應力和位移等云圖，實現對缸體整體結構性能的全面性判斷，從而可以有針對性地對缸體結構進行改進。

該界面的主要VB程序代碼如下:

3.3 結果分析

圖4 缸體有限元應力云圖

圖4是調用“缸體有限元分析”窗口得到的應力云圖。本次分析采用45號鋼，單元類型為solid186（3維20節點實體模型），網格精度為常用的 6級，載荷值取16 MPa，是該類型液壓缸的公稱壓力值。由云圖分析可知，整個缸體內壁受力比較均勻，大致在60 MPa左右;油口的應力值最大，約為149 MPa，而45號鋼的屈服極限為355 MPa，應力值遠小于許用應力，因此在滿足強度、剛度要求的情況下可對缸體進行優化設計，適當減小壁厚，節約成本。

4 結語

1）本二次開發模塊彌補了原液壓缸參數化系統在零件性能分析上的不足。

2）人機友好的交互式界面操作簡單，可省去用戶在ANSYS中對同類型零件進行重復分析所需的操作時間。

3）基于VB的二次開發模塊具有良好的嵌入性，可作為窗體添加到原液壓缸參數化設計系統中。

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