基于Pro/E與A N S Y SW or k bench的結構協同設計方法

王 力，王志強，吳士平

（1.南京理工大學紫金學院，江蘇 南京，210023；2.徐州徐工施維英機械有限公司，江蘇 徐州，221000）

1 結構設計

機械結構設計時，要對結構進行強度校核。設計與校核密不可分，設計的合理性通過校核判斷，校核結果反過來指導設計，因此有效的設計和校核手段，可以提高工作效率，提高產品設計質量。

傳統的設計校核方法：1）對簡單的結構件而言，可利用材料力學及工程力學的理論方法進行設計校核；2）對大型結構件而言，其結構、工況復雜，單純采用材料力學與工程力學的理論難得出符合工程實際的設計校核方法，采用有限元法進行設計校核，而ANSYS-APDL模塊為常用的設計校核方法[4]。

利用ANSYS-APDL模塊計算時，首先采用三維軟件建立模型，再導入ANSYS.ANSYS-APDL模塊很難實現與其它三維軟件數據實時交互；結構設計前期階段，模型修改比較頻繁，致使校核時有限元模型需要重復建立，導致設計效率低，設計周期長。

為了解決以上問題，借助現今的三維設計軟件和分析軟件，提出基于Pro/E與ANSYSWorkbench的結構的協同設計理念。

2 結構協同設計流程

結構協同設計目的：（1）結構設計過程中模型實時更新，分析計算只需對結構更改部位進行處理，其它部位保持之前數據；（2）設計完成，裝配其它組件，可以對大型結構件中某個組件的設計進行初步驗證。

結構協同設計分為四個模塊：三維建模模塊、分析前處理模塊、分析仿真模塊、反饋模塊，具體流程如圖1所示。

圖1 結構協同設計流程

三維建模模塊：Pro/E中建立三維模型。建模時先建立概念模型，然后再進行局部設計，最終完成結構的整體設計。利用接口技術，將ANSYSWorkbench嵌入Pro/E中，即可在Pro/E中進入Workbench，方式如圖2所示。

圖2 Pro/E與A N S Y SW or k bench接口

分析前處理模塊：進入ANSYSWorkbench中的DesignModeler模塊，根據模型的特點對模型進行幾何清理（去除倒角、小孔、抽中面、改變拓撲結構）。通過這些操作可以得到較好拓撲結構和較好的網格質量，從而得到更加準確的分析結果。

分析仿真模塊：進入ANSYS Workbench的DesignSimulation模塊，建立組件之間的連接關系，劃分網格，施加載荷，設置求解選項并求解。

反饋模塊：進入后處理模塊，對結果進行分析，根據分析結果指導設計，并最終得到優化模型的結果。

Pro/E與ANSYSWorkbench是通過共享計算機內存中的數據來實現交互，因此要保證協同設計的順利進行必須實現Pro/E與ANSYSWorkbench的無縫連接，將ANSYSWorkbench模塊嵌入Pro/E中，以保證數據可以相互讀入；而且在仿真過程中必須同時打Pro/E與ANSYSWorkbench，確保模型在內存中[5]。

3 結構協同設計應用

本文以擺腿形式混凝土泵車的回轉底架為研究對象，給出結構協同設計方法的應用實例。混凝土泵車下車由回轉底架、支腿、副車架、底盤、泵送系統等組成，如圖3所示。回轉底架是混凝土泵車上的關鍵部件，其上部連接回轉支承、轉臺及混凝土臂架，下部通過副車架與底盤相連接，回轉底架的前鉸點與前一節擺腿連接，后鉸點連接后擺腿。工作時既承載上車結構產生的傾覆力矩又承載整車受力支撐力，受力工況復雜，需采用有限元計算方式來分析其結構受力狀況。

圖3 回轉底架結構示意圖

3.1 回轉底架三維建模

根據其它混凝土泵車的回轉底架的結構形式，建立回轉底架的原始模型，如圖4所示。

圖4 回轉底架的三維模型

3.2 回轉底架分析前處理

回轉底架是由高強鋼板焊接而成，根據回轉底架的結構特點采用板殼類單元對回轉底架進行分析計算。利用板殼類單元時，首先要對實體進行抽中面，經拓撲修復后形成面體。

進入DesignModeler模塊對回轉底架抽中面，由圖5可知板與板交接的地方會產生縫隙，這些縫隙的存在導致幾何拓撲不連續，必須將這些縫隙連接在一起。這些縫隙可通過三種方式連接：共節點、點焊Weld Point、接觸。本文采用共節點的方式將各零部件連接在一起，共節點實現有兩個步驟：（1）幾何拓撲修復；（2）形成多體部件。

圖5 抽中面后的拓撲模型

利用幾何清理命令（鏡像、復制、切片、刪除等）對回轉底架進行拓撲修復。除加強板回轉底架所有部件形成多體，保證劃分時邊界共享節點。

3.3 回轉底架分析計算

進入DesignSimulation模塊建立有限元模型。首先設置加強板與回轉底架的接觸并劃分網格；其次施加邊界約束和邊界載荷；最后設置求解選項并求解。

經過計算得到如圖6所示的應力云圖，由于結構不合理導致多處產生應力集中，而且應力值較大，超過材料的屈服極限，因此需對此結構的細節進行進一步設計改進。

圖6 結果應力云圖

根據分析結果，修改步驟如圖7所示。首先返回Pro/E中修改模型，然后保存模型；其次進入Workbench的DesignModeler模塊，點擊Attach1替換成新保存的模型，此時將模型修改位置做幾何清理；最后進入Workbench的DesignSimulation模塊，刷新輸入數據，更新模型，并求解。通過計算結果再對模型進行修改，經多次修改計算得出最佳的結構模型。

4 結束語

圖7 模型修改步驟

本文結合Pro/E與ANSYSWorkbench給出結構設計的協同設計方法。利用該方法大大減少有限元模型的創建工作，極大地提高了工作效率，縮短了設計周期，使產品在短時內以低成本實現最優設計成為可能。且對剛從事設計工作的人員是行之有效的方法。

[1]凌桂龍，丁金濱，溫 正.ANSYSWorkBench13.0從入門到精通[M].北京：清華大學出版社，2012.

[2]鐘日銘.Pro/ENGINEERWildfire 5.0從入門到精通[M].北京：機械工業出版社，2010.

[3]王志強，王家軍，王 釗.混凝土泵車X型支腿下車結構有限元分析[J].建筑機械，2011，03：84-87.

[4]吳慶勇，孫武和.基于ANSYS混凝土泵車下車結構有限元接觸分析[J].徐州工程機械，2013（1）：23-27.

[5]韓 靜，方 亮，孫甲鵬，等.基于 Pro/E與 ANSYSWork bench復雜裝配件協同仿真及優化[J].機械設計與制造，2010（1）：190-192.