基于ANSYS的系列化零部件的參數化有限元建模分析

孫路 殷雪艷

摘 要：在ANSYS的基礎上，利用APDL參數化的特征，根據系列化零部件的一些結構特點，生成相關的APDL命令。在建模的同時，在輸入對話框輸入基本的某些參數，再利用計算機的指令完成其他相關操作。在這一過程中實現同一個系列型號不相同的零部件的參數化有限元建模。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律[1]。各種零件之間的拓撲結構不會發生改變以及零件之間相關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，根據系列化零部件的一些特點，及ANSYS具有二次開發的功能，再加上APDL語言相關參數化的特征[2]，在某種程度上節省了人力物力，只需要輸入相關參數，所有的建模工作都由計算機來完成。

1 ANSYS二次開發技術研究以及現狀

從目前國內發展來看，參數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，如果能在三維結構或者是比較復雜的幾何模型上有開發造型系統，可以預計它的花費將會很大。所以相關研究者將目光轉移到了有限元的開發軟件[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，處理的模型數據在軟件間的交換已經不麻煩。就目前情況來看，一些通用有限元軟件為相關模型的參數化提供了比較全面的功能，較多的二次開發的工具，以及開發環境相對來說比較開放。比如ANSYS參數化二次開發研究提供的APDL語言，這種語言類似于C語言，可以給用戶提供開發的自編程序，完成參數化的程序設計，以及有限元計算的參數化[4]。在通用有限元的二次開發環境的條件下，對它們進行二次開發的前處理操作。實現參數化有限元的建模過程，這種方式已經成為相關研究者首要考慮的方案。ANSYS是一種集熱學、聲學、電磁學、流體以及融結構為一體的軟件。如今使用的ANSYS版本在功能以及性能和環境適應性、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，相關的設計工程師能夠構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，使設計方案最優化，減少在實際生產過程中的成本投資，大大地縮短了零部件的生產周期，有效地提高利潤。APDL是一種參數化設計的相關解釋性語言，它的核心內容是循環語句、參數等。可以通過建立零部件的模型自動地完成一些任務，這些任務的通用性很強，是一門腳本語言。APDL允許客戶輸入比較復雜的數據，使得用戶對于模型的設計以及屬性具有絕對的控制權。比如分析模型的大小，以及材料的使用性能，劃分網格的密度以及邊界施加的條件等。這種語言擴展了原有結構分析的范圍。ANSYS在一般情況下總是按照順序執行命令，但是有時也是需要改變程序執行時的順序。這種語言的優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，無論是上網還是一般的交流在實際應用過程中都很方便。

2 參數化設計相關內容

第一，參數化設計是在實際的CAD設計中被提出的，并且在這項技術中得到迅速的發展，發揮著強大的價值的一門技術。它主要采用的參數預定義建立幾何圖形的相關約束集，指定一組系列的尺寸并且使其與相關的約束集關聯。在應用程序中體現所有的關聯式。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，相關程序會在一定程度上根據參數變化來執行程序實現算法功能。這種工程設計需要無數次反復的修改，對于零部件的形狀以及尺寸的大小綜合調控并且進行優化操作。并且對于零件的結構變化相對不大，或者產品的設計過程相對較為穩定。在這種情況下就更需要根據產品的實際需要自動地選擇產品的設計方案以及零部件尺寸的修改，這就是參數化設計的過程。不同設計人員的想法構思不同，所以設計方案也會千差萬別，另外零部件的結構的種類很多，研究者在設計的過程中所涉及到的參數很多，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，影響后續的進程[6]。這種人工計算的方法已經很難滿足機械發展的需要，而計算機的出現能準確地、快速地得到計算結果，還可以進行多個方案的綜合比較，從中得到應用性能相對較高的設計結果。參數化設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方便重建新的模型結構，在原設計圖的基礎上改動模型，生成系列化的零部件，大大地提高了生產的效率[7]。

第二，參數化設計的實現過程。在有限元使用的范圍中，參數化設計技術的應用極其具有局限性。參數化建模實質上是在計算機中輸入一定的參數后，計算機能夠讀出模型數據，并且能夠自動地修改數據，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，一些平面磨床的結構形式變化微小，其結構的相關尺寸可以由計算機輸入的參數來描述，參數的確定意味著平面磨床結構的確定。將這些參數提取出來，在ANSYS中利用它的二次開發的相關技術實現有限元建模，可以有效地提高ANSYS加工的磨床精確度。參數化設計所包含的內容很廣泛，一般情況下指的是參數化造型。它使用幾何參數修改幾何造型以及快速構建造型的方案。這些參數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化的性能。參數化造型適用于模型結構類似、但是在尺寸上有微小變化的系列產品。參數化方法分為下面主要幾類：代數法、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。參數的體素可以直接描述圖形，也可以首先生成體素，根據體素計算機系統自動地生成幾何模型的描述語言。ANSYS二次開發提供的APDL語言自動地完成上述的過程。它是一種三維參數化造型設計的開發方法，主要是以下兩種。一種是應用APDL語言的函數完成建模的過程，用人機交互的方式，建立輸入對話框，實現三維參數化的過程。但是這種程序設計相對較為繁瑣，對于某種形狀很復雜的零部件來說，使用這種程序設計來完成三維參數設計是很困難的。第二種就是采用三維模型和程序的設計相互融入的方式，主要的步驟為：在ANSYS的開發環境下以交互的形式生成模型，由于零件的模型已經創立完全，在這個基礎上，根據零件的系列要求設立一組完全控制零部件大小以及尺寸的參數，設計的語言程序根據參數的要求來完成編程。用語言程序控制造型完成三維參數化設計的三項基本內容為參數的獲取以及顯示，參數的修改，以及模型的重建。

3 有限元建模的步驟

文章根據零部件結構的特點以及相關要求，零部件的尺寸用參數來描述，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，利用參數化的這一思想進行設計，依據模型的幾何結構抽象地描繪出幾何模型的特征參數值。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果和有限元的分析過程。第三，用APDL中的參數取代在建模的過程中建立的參數，使參數具有可變性。最后，將參數賦予有效的特征值，進而進行有限元的分析計算，并得到計算結果。這種方法只需要重復第四步操作即可得到新的結果。對于非專業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果。

綜上所述，有限元建模是一種非常專業的軟件，需要專業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構特點，使得工作人員按照傳統的結構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的周期。為了避免上述的問題出現，在有限元建模的過程中融入了參數化設計程序的思想，能夠使用戶有效避免前處理以及建模和劃分網絡等工作，很大程度上提高了工作效率。鑒于以上的特點，ANSYS軟件在國內外的相關工程設計以及科學研究等領域都取得了廣泛的應用和認可，對于實際的工程分析有很大的探索

意義。

參考文獻：

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[3]李慎龍，趙恩樂.基于ANSYS的汽車膜片彈簧參數化建模[J].機械工程師，2016，4（8）：170-172.

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[7]龐志寧，連濤，王冬明.基于BIM技術的機電設備零部件參數化建模及分析方法[J].港口裝卸，2017，7（05）：25-29.