基于ANSYS的進給系統(tǒng)熱特性分析工具的研究與開發(fā)

紀艷麗，汪惠芬，劉婷婷，鐘維宇

(南京理工大學機械工程學院，江蘇南京210094)

0 引言

在制造業(yè)快速發(fā)展的形勢下，機床的加工精度、主軸轉速和伺服進給速度不斷提高，由此造成的熱變形問題也日益突出。數(shù)控機床在進行精加工時的切削力一般不大，與機械系統(tǒng)靜、動態(tài)特性對加工精度的影響相比，機床熱誤差已經成為影響加工精度的主要因素。所以，現(xiàn)在人們日趨認同這樣一個看法:加工精密往往取決于結構熱變形的大小，而且高于動剛度的大小［1］。根據(jù)英國伯明翰大學JPECLENIK教授調查統(tǒng)計表明:在精密加工中，熱變形引起的制造誤差占總制造誤差的40% ～70%，熱誤差已經成為提高加工精度的主要障礙［2］。德國機床專家認為“降低機床熱變形是今后研究工作的主題”［3］。

由于計算機輔助工程(CAE)的迅速發(fā)展，已開發(fā)了用于計算各種復雜模型的通用分析軟件(例如ANSYS，sap，nastran等)，利用有限元法求解分析溫度場和熱變形成為主流方法。孟玲霞等［4］應用ANSYS對車削中心熱邊界條件進行了詳細的分析計算，并且建立了機床溫度場分析的有限元模型。通過對模型進行有限元計算分析，模擬數(shù)控機床高速加工運行狀況，進行了整機溫度場求解，初步預測了車削中心整機的溫度場分布，為機床的有限元熱分析提供了參考，為進一步研究機床溫升控制措施提供了依據(jù)。周芝庭等［5］應用ANSYS對以滾珠絲杠、電主軸以及工件的切削熱為整機熱源的臥式加工中心進行了溫度場分析和熱變形分析，為熱變形補償提供了參考。Jin Kyung Choi等人［6］采用有限元模型計算主軸-軸承系統(tǒng)的溫度場分布，通過與實驗數(shù)據(jù)對比，表明采用有限元法進行主軸系統(tǒng)熱分析是完全可行的。

如何在機床的設計階段利用這些軟件對所設計的產品進行熱特性的分析和預測，是機床行業(yè)亟待解決的一個問題。從大多數(shù)文獻中可以看出ANSYS在溫度場分析和熱變形分析中占有很重要的位置，而且分析結果是相對可信的。但是ANSYS分析過程比較復雜，對于不了解ANSYS功能的人需要一定時間的學習，而且它的菜單都是英文的，這更加大了使用的難度。此外，在機床主要零部件的詳細設計過程中，國內企業(yè)往往采用經驗類比方法，缺少對結構部件及整機的熱特性分析數(shù)據(jù)，沒有全面考慮熱特性對機床產品性能所產生的影響，也無法預測機床零部件變形與整機結構熱特性之間的關系，在設計過程中存在漏洞。為解決行業(yè)設計依據(jù)不足，加強企業(yè)設計分析管理的能力，開發(fā)一個能專門分析溫度場、熱變形以及對分析結果進行管理的軟件是很必要的。本文基于ANSYS分析的強大功能，對其進行二次開發(fā)，實質是把ANSYS進行溫度場和熱變形分析的流程固定化，通過流程來導航溫度場和熱變形的分析。這樣用起來簡單、方便、高效，簡化了ANSYS分析過程，提高了企業(yè)設計分析管理水平。

1 進給系統(tǒng)熱特性分析工具系統(tǒng)總體設計

1.1 熱特性分析的固化流程

根據(jù)有限元軟件對實體模型進行溫度場分析和熱-結構耦合分析過程的總結歸納，得出有限元進行溫度場和熱-結構耦合分析的流程如圖1所示。即所開發(fā)的進給系統(tǒng)軟件的工作流程，實際上是固化ANSYS熱分析的流程，這樣不僅能把與熱分析不相關的功能過濾掉，同時簡化的流程能提高分析設計人員的工作效率，大大節(jié)約分析時間，從而間接地提高設計效率。

圖1 進給系統(tǒng)熱特性分析工具的工作流程

1.2 熱特性分析的軟件系統(tǒng)結構層次

根據(jù)上述進給系統(tǒng)熱特性分析的工作流程，并結合現(xiàn)有熱分析軟件的特點，本著模塊化的設計原則，把系統(tǒng)結構層次分為應用層、功能層、支撐軟件層和數(shù)據(jù)層，如圖2所示，這樣的層次結構增強了系統(tǒng)的可維護性和可擴展性。

應用層即用戶操作界面層，用戶登陸后既可以進行相應功能的操作，對實體進行溫度場分析和熱—結構耦合分析，或者對分析過的結果進行查詢、保存和生成分析報告說明書等操作。

功能層是系統(tǒng)的核心邏輯層，它一方面從數(shù)據(jù)庫獲取數(shù)據(jù)與ANSYS進行交互；另一方面對分析者所做的結果進行分類保存，以方便查詢，減少重復分析，節(jié)約分析時間。

支撐軟件層是支持平臺開發(fā)的現(xiàn)有CAD/CAE軟件，該系統(tǒng)中包括了建模軟件以及進行溫度場分析和熱-結構耦合分析的支撐軟件。

數(shù)據(jù)層主要管理材料的參數(shù)，用戶輸入的參數(shù)和計算出的結果圖片以及圖片路徑等相關信息。

之所以選擇ANSYS作為熱特性分析的支撐軟件，集成到熱特性分析軟件中，是因為一方面充分考慮到ANSYS軟件出色的多物理場耦合分析能力，另一方面ANSYS也有著良好的用戶開發(fā)環(huán)境、開放性，用戶可以利用APDL，UIDL，UPFs這些二次開發(fā)工具方便的定制自己的有限元分析程序。

圖2 熱特性分析工具系統(tǒng)的結構層次

2 熱特性分析工具的關鍵技術——基于APDL語言的ANSYS二次開發(fā)

ANSYS作為主流的大型通用有限元分析軟件不僅提供了強大的有限元分析程序，而且具有良好的開放性。為滿足用戶不同層次的需要，ANSYS提供了四種開發(fā)工具，分別是UIDL，UPFs，APDL和數(shù)據(jù)接口［7］，其中APDL參數(shù)化設計語言(ANSYS Parametric Design Language)作為自動完成有限元常規(guī)分析操作或通過參數(shù)化變量的方式建立分析模型的腳本語言，即程序的輸入可設定為指定的函數(shù)、變量以及選用的分析類型，通過建立智能化分析的手段，為用戶自動實現(xiàn)有限元過程分析提供了保障，是完成優(yōu)化設計和自適應網格的最主要的基礎［8］。程曉敏等［9］利用VB語言對ANSYS進行二次開發(fā)，開發(fā)了高溫相變儲熱系統(tǒng)模擬功能模塊。韓沖等［10］利用APDL語言和VC++相結合對ANSYS進行二次開發(fā)，實現(xiàn)了衛(wèi)星結構優(yōu)化的計算程序化。但上述二次開發(fā)的實現(xiàn)過程都是把ANSYS作為后臺處理程序，然后調用處理后的結果，界面可視化不強。李新平等［11］在VB的開發(fā)環(huán)境中把ANSYS的圖形界面嵌入到所開發(fā)的機床動態(tài)特性分析軟件中，使軟件界面具有很強的友好性，讓用戶應用自如。本文應用C#的開發(fā)環(huán)境，采用APDL語言對ANSYS進行二次開發(fā)，熱特性分析軟件與ANSYS之間的交互過程如圖3所示。

圖3 熱特性分析軟件與ANSYS之間的交互過程

實現(xiàn)交互過程最重要的是把用戶輸入的相關數(shù)值轉換為APDL命令流中相應參數(shù)，通過編寫的解析代碼程序傳給ANSYS軟件，相應模塊將完成命令流要求的功能，把施加的載荷、網格劃分和計算結果等顯示在界面上。以上交互過程最關鍵是對命令流的解析，只有完整、精確、無誤的解析命令流，才能讓ANSYS做出相應的反應，實現(xiàn)相應的功能。解析命令流的關鍵代碼如下:

publicvoid SendStr(string strAPDL，IntPtr hWnd)

{

int strCount=strAPDL.Length；

string［］strObject=newString［strCount］；

for(int i=0；i＜ =strCount-1；i++)

{

strObject［i］=strAPDL.Substring(i，1) ；

……

SendMessage(hWnd，WM_CHAR，Convert.ToInt16(strChar［0］)，0x1C0001)；

}

SendMessage(hWnd，WM_KEYDOWN，VK_RETURN，0x1C0001)；

}

其中，Sendtr函數(shù)是用于解析ANSYS命令流，向ANSYS發(fā)送命令的接口方法定義。SendMessage是C#的API函數(shù)，用于向ANSYS傳送命令消息。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)與應用

本文以某機床廠的雙驅動進給系統(tǒng)為例，在轉速為1 500r/min的情況下，設置了如表1所示的相關參數(shù)，進行了穩(wěn)態(tài)溫度場的分析。

表1 雙驅動進給系統(tǒng)在轉速為1 500 r/min的相關參數(shù)

將邊界條件和熱生成率(或熱流密度)施加到相應的面或體上，按照左側的導航流程逐步進行，完成了此進給系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)溫度場分析。其中涉及到的網格劃分結果、軸承產熱量、絲杠產熱量以及穩(wěn)態(tài)溫度場分析結果如圖4，圖5(a)(b)，圖6所示。

圖4 網格劃分圖

圖5 熱量計算

圖6 穩(wěn)態(tài)溫度場分析結果

相應的還可以對進給系統(tǒng)進行瞬態(tài)溫度場和熱-結構耦合分析。

4 結語

本文在C#的開發(fā)環(huán)境下，用APDL對ANSYS進行二次開發(fā)，登陸到軟件界面，通過批處理文件啟動ANSYS，使ANSYS的圖形界面自動嵌入到所開發(fā)的軟件中，同時以固化熱分析流程作為軟件開發(fā)的導航，實現(xiàn)了進給系統(tǒng)溫度場分析和熱—結構耦合分析。這樣不僅使用戶更直觀的對模型進行操作，而且簡化了操作步驟，即使對ANSYS不熟悉的設計人員，也能操作此軟件，增加了可操作性。

［1］王春秀.機床熱變形及改善措施［J］.寧夏工學院學報，1997，9(2):58.

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［3］閆占輝，于俊一.機床熱變形研究現(xiàn)狀［J］.吉林工業(yè)大學自然科學學報，2001(7):95-97.

［4］孟玲霞，楊慶東，韓秋實，等.超精密車削中心熱分析邊界條件的確定［J］.機床與液壓，2012，40(1):10-12.

［5］周芝庭，馮建芬.基于ANSYS的加工中心機床熱特性有限元分析［J］.機床制造與研究，2008，37(6):22-24.

［6］Jin Kyung Choi，Dai Gile Lee.Thermal characteristics of the spindle bearing system with a gear located on the bearing span［J］.International Journal of Machine Tool＆ Manufacture，1998(38):1017-1030.

［7］張建業(yè)，楊甫勤，錢繼鋒.基于APDL和UIDL的ANSYS二次開發(fā)技術及其應用［J］.中國制造業(yè)信息化，2006，23(35):79-81.

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［10］韓沖，陳慶.ANSYS二次開發(fā)技術在衛(wèi)星結構優(yōu)化中的應用［J］.EquipmentManufacturing Technology，2009，(2):80-83.

［11］李新平，汪惠芬，劉婷婷.ANSYS二次開發(fā)技術在機床動態(tài)特性分析中的應用［J］.現(xiàn)代制造與先進制造技術，2011，40(9):29-32.