基于參數化設計的液壓缸有限元分析系統開發

楊 妍， 鄂 洋， 費 燁

（1.沈陽建筑大學 機械工程學院， 遼寧 沈陽 110168； 2.遼寧永茂液壓機械有限公司， 遼寧 撫順 113126）

0 引言

液壓缸在實際工程中應用范圍較廣， 是液壓系統中的重要執行元件。隨著市場需求的增加，液壓缸產品規格繁多、更新速度加快，提高設計效率便成為快速響應市場的重要手段。

在這種背景下， 基于參數化技術的各類計算機輔助設計軟件逐漸取代了效率低下的傳統設計方法。 但該類設計軟件形成的方案仍需結構工程師通過有限元軟件進行分析計算，然后依據分析結果修改參數，在軟件中重新生成新設計，再計算，如此循環迭代直至定型，這些重復性的勞動無形中限制了設計效率的進一步提高。

本文基于液壓缸參數化設計系統， 開發有限元自動建模與分析模塊，使系統兼具設計和分析校核功能，提高液壓缸設計效率。 此外， 該模塊通過C# 對ANSYS 的封裝，降低了用戶操作ANSYS 進行有限元分析的難度及工作量， 為非結構工程專業人員完成液壓缸結構分析提供了便利。

1 液壓缸參數化設計系統

液壓缸計算機輔助設計系統是以SolidWorks、ANSYS兩個軟件的二次開發技術為基礎， 利用C# 語言在Visual Studio 平臺建立人機交互界面，設計出的一套適用于企業的產品設計與工程分析一體化的計算機輔助設計系統。系統的參數化設計模塊基于API 接口技術對SolidWorks軟件進行二次開發， 標準件生成直接調用已建立的企業零件模型庫，非標準件生成采用參數化尺寸驅動法，應用SQL Server 建立零件數據庫，存儲零件的尺寸參數。 該系統包括液壓缸零件三維模型生成、 工程圖輸出等參數化設計模塊。

2 液壓缸有限元自動建模與分析的實現

利用APDL 可以實現ANSYS 的二次開發， ANSYS分析時生成的.log 文件可以修改，利用更改的新文件再次分析，進而完成多次有限元分析任務。同時，利用C# 編制人機交互操作界面，對APDL 文件的相關參數進行改寫，能夠實現對分析過程的控制，實現設計與分析的同步進行[4]。

2.1 創建設計與分析界面

在系統主界面菜單欄中加入 “液壓缸ANSYS 分析”選項，點擊進入選型界面，見圖1。 選型后進入參數設置界面，以整體式活塞桿單耳環為例，見圖2，零件分析子窗體，見圖3。

圖1 選型界面

圖3 零件分析子窗體

2.2 編寫APDL 有限元分析程序

利用APDL 語言編寫液壓缸有限元分析程序， 生成循環分析所用的準確、完整的命令流文件，為系統后臺調用ANSYS 做準備。

參數化前處理過程要設置參數，完成建模分網、邊界條件施加及接觸對的設置。 在保證結果精度的前提下略去對受力分布影響不大的結構，以提高網格劃分質量，同時軸對稱結構只需選取1/4 進行建模[1-2]。 形狀較規則的旋轉體進行網格劃分時，可進行體切分處理[3]，采用掃略劃分規則的六面體單元， 并在著重校核的危險部位進行網格加密。對液壓缸與外部的連接部分施加約束，在內部受壓面上施加壓力荷載， 由此生成具有力學意義的有限元模型。 在求解及后處理過程中， 按照試驗壓力1.25 倍于額定壓力進行加載，完成分析后進入結果查詢界面。

2.3 參數的改寫與傳遞

參數的改寫與傳遞關鍵的一點要求用戶操作界面上的數據能夠轉化為APDL 語言，進而ANSYS 能夠正確讀取運行。

首先，代碼中要完成必要Using 的引用，在命名空間添加System.IO，命令流文件中的參數通過StreamWrite 類修改，WriteLine 是StreamWrite 類的常用方法， 可以寫入指定的某些數據，將用戶界面上輸入的數據轉化為APDL語言，實現參數的改寫與傳遞[4]。 關鍵代碼如下：

應用上述代碼可在F 盤創建model.txt 文件， 將界面控件中的參數寫入此文件中，生成模型分析命令流文件。

為保證有限元模型與設計模型一致， 使分析結果真實反映設計液壓缸的強度， 需要將部分設計參數同步應用到有限元模型的建立中， 這可通過將局部變量改用Public 語句聲明為全局變量來實現，具體方法為：

2.4 C#.NET 對ANSYS 調用

在有限元自動建模與分析系統中， 會使用多個相關的進程共同完成一項任務，要求進程之間能夠互相通信，從而共享資源和信息。 因此，實現開發程序與ANSYS 軟件接口的通信問題是對ANSYS 二次開發調用的核心問題。 C# 后臺調用ANSYS 的關鍵代碼如下：

2.5 分析結果顯示

系統在執行完整的命令流分析文件之后， 相關的結果文件會保存到ANSYS 工作目錄中，見圖4。結果云圖可以顯示白底和黑底兩種形式，呈現不同的視角便于查看，將結果圖形反饋到用戶界面可查看分析結果形， 液壓缸整體的應力云圖見圖5。

調用結果文件圖片的關鍵代碼為：

pictureBox1.Image = Image.FromFile（@"F： 文件路徑 項目名稱.jpg"）；

圖4 ANSYS 分析結果文件

圖5 液壓缸整體應力云圖

3 結論

基于液壓缸參數化設計系統， 嵌入有限元自動建模與分析模塊，具有如下優點：

研究了C#.NET 與ANSYS 之間的數據交互過程，實現液壓缸有限元自動建模與分析。

有限元自動建模與分析模塊的嵌入實現了液壓缸設計與校核的同步進行，有效提高了設計效率。

將液壓缸有限元分析過程封裝， 通過簡潔友好的界面得以調用， 降低了設計人員利用有限元進行校核的技術難度，提高了設計質量。