阶梯轴的有限元分析及其优化资料.doc.doc

学校代号 学 号 分 类 号 密 级 HUNAN UNIVERSITY硕士学位论文阶梯轴的有限元分析及其优化专用软件的开发学位申请人姓名 李 实 培 养 单 位 机械与汽车工程学院 导师姓名及职称 陈芳祖 副教授 学 科 专 业 机械电子工程 研 究 方 向 机械制造自动化及有限元分析 论文提交日期 2008年4月 摘 要轴是组成机械的重要零件之一,它用来安装各种传动零件,使之绕其轴线旋转,传递转矩或回转运动,并通过轴承与机架或机座相联结其结构参数和加工工艺水平不仅影响着整个机械的尺寸和重量,也在很大程度上影响着机械的可靠性与寿命因此阶梯轴的设计研究是机械设计必不可少的重要组成部分ANSYS是一个功能十分强大的通用性很强的有限元分析软件,本文采用ANSYS的参数化设计语言APDL与VISUAL C+结合起来进行开发阶梯轴的有限元分析及其优化专用软件该系统共包括四个部分:用户界面模块ANSYS计算模块VC调用接口模块和后处理模块用VC的对话框编程来编制用户界面模块,用ANSYS的参数化设计语言APDL编写ANSYS计算模块,并通过VC调用接口模块,将VC与APDL编写的命令流嵌套起来:用VC将APDL命令流写入指定的文本文件中,并提取对话框控件中的数据赋给APDL中的数据变量,然后通过批处理方式启动ANSYS调用APDL命令流进行建模网格划分载荷施加以及计算等有限元分析过程,计算完毕之后针对阶梯轴现有结构的薄弱环节,进行优化设计以阶梯轴为优化对象,以提高性能和节约成本为优化目标利用ANSYS的APDL参数化设计语言,选用ANSYS自带的优化工具完成阶梯轴的优化,使阶梯轴结构重量最轻,并具有良好的强度性能最后通过将该系统应用于六阶阶梯轴的实例,并将该实例的理论计算值与有限元分析值进行比较,验证了该系统的可行性和计算结果的可参考性实践证明,采用大型有限元分析软件ANSYS的二次开发语言APDL和VISUAL C+ 6.0的界面开发技术,研究开发阶梯轴的有限元分析及其优化专用软件系统,实现了阶梯轴建模和分析计算的自动化智能化,大大减小阶梯轴建模与分析的工作量,提高了新产品研发效率关键词:阶梯轴有限元分析参数化用户界面重量优化APDL ABSTRACTAxis is an important component parts of machinery, It used to install a variety of transmission parts, so that the rotation around its axis, transmission torque or rotary movement, and through the bearing and a rack or frame of the association. The structure parameters and the level of processing technology not only affects the entire machinery of the size and weight, are largely affect the reliability of machinery and life. Therefore stepped shaft on the design of mechanical design is essential for an important component part.ANSYS is a function of very powerful, very strong universal finite element analysis software, Based on APDL of the current finite element analysis software ANSYS and the object-oriented programming language Visual C+,the parameterized finite element analysis system of multidiameter is developed. There are four major parts of this system:the user interface part,ANSYS analysis part,VC interface part and the post processor part,Using dialogue box programming of VC to make user face,using APDL to realize the ANSYS parameterized finite element analysis process,then the APDL order and VC code:writing APDL order to appointed text file,then run ANSYS through batch file to call APDL order and realize the finite element analysis.When solving is ended,user can check and deal with the result through the post processor part.Aiming at improving the performance of the product and retrenching the cost,the optimization of multidiameter is realized. Parameterizing the multidiameter model using APDL and adopting the design optimization tool in ANSYS,the optimum structure of this multidiameter is obtained,with better torsional fatigue strength.Finally, the system used in the six bands multidiameter.The feasibility and the credibility of this system are proved,by using this system to a case and comparing the finite element analysis results and the theoretical results of the case.Practice proved that multidiameter of finite element analysis and optimization system is developed by utilizing VC and APDL which is a secondary development language of ANSYS in this thesis.It can create and analysis the multidiameter automatically and intelligently.So it can reduce the multidiameter design load and advance Efficiency.Key words:finite element method, multidiameter,parametrical,ANSYS,APDL目 录摘要ABSTRACT第1章 绪论1.1 本文研究的目的和意义1.1.1 本文研究的目的1.1.2 国内外的研究现状1.1.3 本文的研究意义1.2 本文研究的主要内容1.3 阶梯轴结构参数化有限元分析系统的方法1.3.1系统要实现的目标1.3.2 ANSYS二次开发技术1.3.2.1 参数化技术和参数化设计语言APDL1.3.2.2 用户界面设计语言UIDL1.3.2.3 用户程序特性UPFs1.3.2.4 ANSYS数据接口1.3.3 面向对象编程技术1.3.3.1 面向对象方法1.3.3.2 面向对象程序设计1.3.3.3 面向对象程序设计语言VISUAL C+ 1.4 本章小结第2章 有限单元法和有限元分析软件ANSYS2.1 弹性力学基本方程2.1.1 弹性力学的基本量2.1.2 外力与内力的关系静力平衡方程2.1.3 位移与应变的关系几何方程2.1.4 应力与应变的关系物理方程2.2 有限元原理2.3 ANSYS软件简介2.3.1 ANSYS软件基本构架2.3.2 ANSYS的典型分析过程2.4 ANSYS参数化设计语言APDL及ANSYS命令流2.5 本章小结第3章 轴分析算法思想3.1 阶梯轴简介3.2 阶梯轴的设计3.2.1 阶梯轴的材料3.2.2 阶梯轴的设计内容3.2.3 轴的结构设计3.2.4 提高轴的疲劳强度的结构措施3.3 轴的强度计算3.3.1 按扭转强度或刚度计算3.3.2 按弯扭合成强度计算3.4 轴的刚度校核3.4.1 轴的扭转刚度3.4.2 轴的弯曲刚度3.5 疲劳强度的基本理论3.5.1 影响疲劳强度的主要因素3.5.2 轴的疲劳强度计算 3.6 本章小结第4章 VISUAL C+与APDL相互嵌套的实现4.1 VISUAL C+与APDL的相互嵌套4.1.1 VISUAL C+对话框编程4.1.2 VISUAL C+中文本文件的读写4.1.3 VISUAL C+中APDL命令流文件读写的实现4.2 VISUAL C+调用ANSYS以批处理方式运行的实现4.2.1 进程和线程4.2.2 ANSYS批处理方式运行的程序实现 4.3 本章小结第5章 用户界面模块的实现5.1 软件编写思想5.2 阶梯轴有限元模型的规范化5.2.1几何模型的选取5.2.2 参数化建模5.2.3网格单元的选择5.2.3.1网格类型5.2.3.2定义单元属性 5.2.2 加载情况的规范化5.3 阶梯轴有限元分析的参数化5.4 参数化阶梯轴有限元分析系统的开发5.4.1 参数化阶梯轴有限元分析系统的工作流程和原理5.4.2 参数化阶梯轴有限元分析系统功能介绍5.5 本章小结第6章阶梯轴优化设计6.1 ANSYS优化概述6.1.1基本概念6.1.2 优化设计的步骤6.2 阶梯轴的优化6.2.1 主轴的优化数学模型6.2.2 主轴优化的实现 6.3 本章小结第7章 阶梯轴分析示例7.1 参数化设计流程7.2 有限元模型的自动生成7.3 网格划分7.4 载荷的计算7.5 运行结果7.6 优化结果7.7 本章小结第8章 结论与展望8.1 结论8.2 展望参考文献致谢第1章 绪论1.1 本文研究的目的和意义1.1.1 本文研究的目的轴系零件是机械产品中的通用零件,应用非常广泛轴系零部件的设计效率直接影响了机械产品的设计效率轴是组成机械结构的重要零件之一它是轴系零件中的主要零件, 也是支撑轴上零件传递运动和动力的关键部件机器的工作能力和工作质量在很大程度上都与轴有关, 轴一旦失效, 有可能造成严重后果轴的设计不同于一般零部件的设计它包含两个主要内容: 强度设计和结构设计为了保证其足够的工作能力, 必须对轴进行强度计算, 必要时还要做刚度计算振动稳定性计算等为了保证安装在轴上的零件能正确地定位和固定, 满足轴的加工和装配的要求, 必须合理地定出轴各部分形状和结构尺寸, 也即进行结构设计实际设计中,强度计算和结构设计互相关联互相影响, 需要不断地交互进行1有限元技术的出现,为工程设计领域提供了一个强有力的计算工具,经过迄今约半个世纪的发展,它已日趋成熟实用,在近乎所有的工程设计领域发挥着越来越重要的作用有限元技术的应用,使得几何形状复杂的零件,其强度和刚度等计算能够实现,且其精度满足工程实际需要;同时提高了机械零部件设计的可靠性,缩短了设计周期,大大推动了机械工业的发展本课题的设计思想是通过面向对象的方法,实现自动计算阶梯轴精确强度及其优化分析的有限元软件的开发1.1.2 国内外的研究现状 有限元方法的发展,其基本思想的提出可以追溯到上世纪40年代初1956年,美国波音飞机制造公司M.J.Tuner和R.W.Clough等人2分析大型飞机结构时,第一次采用了直接刚度法,给出了用三角形单元求解平面应力问题的正确解答,从而开创了利用电子计算机求解复杂弹性平面问题的新局面有限元或有限单元 (Finite Element)这一术语,是R.W.Clough3于1960年在一篇论文中首次提出的随着计算机的飞速发展和广泛应用,有限单元法得到了巨大的发展,成为在计算数学计算力学和工程科学领域的最有效的计算方法它己成为科学研究和工程设计必不可少的数值分析工具随之出现了很多通用和专用的有限元计算软件,著名的有ANSYSABAQUSIdeasMarc等,其中ANSYS的应用最为广泛经过30多年的发展,它已经成为一个功能强大的,灵活的设计分析及优化的软件系统在机械工程中,小到螺栓轴承等通用零件,大到机床汽车飞机等复杂结构的应力和应变分析,采用有限元法计算均可以获得一个足够精确的近似解来满足工程实际上的要求目前,国内外机床厂家已经在机床设计中广泛地应用有限元分析方法,并在机床基础件(如床身立柱框架等)和主轴部件等的静动态特性分析计算中取得成就在国外Velagala R.Reddy4等人利用有限元法对车床主轴建模,并以轴承间隙,轴承刚度以及工件直径大小为设计参数,对其进行静动态分析A.M.Sharan5对实际车床的主轴进行动态分析K.W.Wang和C.H.Chen6对高速主轴一轴承系统的动力学特性进行了详细研究,指出在高速条件下滚动轴承的刚度随转速的升高而降低,导致主轴系统的固有频率随之下降在国内,西安交通大学张波陈天宁7等在ANSYS环境中建立了机床主轴部件的有限元动力学模型,并对主轴部件进行了静动态特性的计算和动态优化设计他们在对某型数控车床进行空运转切削及模态试验的基础上,确定了机床主轴部件动刚度薄弱是引起机床切削的结构颤振方面的原因据此建立了简化的有限元动力学模型,在ANSYS中分析其前8阶的模态频率,确定动态优化设计的目标,然后设计和修改主轴的结构使之达到预期的动态特性武汉理工大学陈龙文湘隆8等人以ANSYS为基础对各类轴进行了分析与优化设计他们先用ANSYS校核普通圆轴的强度刚度和临界速度,并给出在满足要求情况下轴的优化设计方法优化设计时,以轴的直径作为设计变量,应力应变临界转速作为状态变量,轴的总重作为目标函数,在ANSYS中进行参数定义,优化设计随着CAD/CAM/CAE技术的不断发展,有限元分析优化设计方法等现代机床设计方法的发展与推广运用,将对我国机床制造业发展起着重要的促进作用1.1.3 本文的研究意义在产品设计和开发过程中,零部件的标准化通用化和系列化是提高产品设计质量缩短产品开发周期的有效途径参数化设计方法作为一种灵活多变的CAD方法,采用参数化模型,通过调整参数来修改和控制几何形状,进行产品的造型它将图形尺寸与一定的设计参数相关联,即将图形尺寸看成是设计参数的函数,当设计条件发生变化时,图形尺寸便会作相应的变化,是实现标准化通用化和系列化的重要途径APDL是ANSYS参数化设计语言,提供一般程序语言的功能,如参数标量向量及矩阵运算宏分支循环重复以及访问ANSYS 有限元数据库等利用APDL 语言编制宏文件,即可实现参数化建模分析,大大提高工作效率另外,参数化建模也是进行产品优化设计的要求因为在优化设计的迭代中需要不断地变更设计变量,故建模中有关设计变量数值应该以参数化的形式输入在此基础上,利用Visual C +语言开发出用户操作界面,实现参数化分析,即使用户对ANSYS软件不熟悉,也可以轻松对结构相同尺寸相异的机构进行分析1.2 本文研究的主要内容本文在系统开发的过程中,主要将整个系统分成四个模块:用户界面模块ANSYS计算模块VISUAL C+调用接口模块和后处理模块,因此本文研究的主要内容就是这四个模块的实现如图1.1为整个系统的一个框架图用户界面模块VC调用接口模块接受输入ANSYS计算模块调用用户界面模块计算结束图1.1 系统框架图用户界面模块用VISUAL C+编制输入参数对话框,同时起到一个向导的作用,使设计者在对话框的指引下输入需要的参数,按一定的顺序完成有限元分析和后处理ANSYS计算模块由APDL语言编写,完全实现有限元建模求解和后处理的参数化,并按照需要将不同的功能部分保存成不同的模块VISUAL C+调用模块在本系统中起着接受用户界面输入创建进程调用ANSYS进行计算的重要作用因此在VISUAL C+调用模块中主要有两方面的工作需要做:一是要使接口程序可以修改ANSYS命令流文件的保存路径和文件名称,二是要能够在接口程序中实现ANSYS以批处理方式运行最后一个模块为后处理模块,在这个模块中,有两种方案可以采用:一种是用APDL编写命令流将需要的结果保存成图片文件的形式,不用启动ANSYS,直接通过VISUAL C+调用显示这些图片:另一种方案是将不同工况计算结束后的结果模型保存成不同的数据文件,然后针对每一种工况的数据文件,用APDL编写一个调用宏文件,在ANSYS中加载这些宏文件形成一系列工具条要查看的时候,就用VISUAL C+将ANSYS启动(当然要出现ANSYS界面),设计者可以根据自己的需要在ANSYS中查看相应的结果情况在以后的章节中,将分别对这几个模块功能的实现进行详细的介绍首先在第4章介绍面向对象技术和VISUAL C+调用模块的实现;第5章介绍用户界面模块,并结合实例说明整个系统的运作流程;第7章结合实例介绍进行后处理的模块,并将理论计算的实例的计算结果与利用该系统计算得出的结果进行比较,证明该系统的可行性;第8章对本文所做的工作进行总结,并展望未来要做的工作课题所做的主要工作有下列几个方面:在有限元软件ANSYS中实现阶梯轴的精确建模课题研究了利用ANSYS软件自身的建模功能建立较精确的阶梯轴模型的方法,减少了资源浪费,软件投入,避免了在CAD软件(PRO/E, SOLIDWORK等)中建模后导入ANSYS时引起的数据流失阶梯轴受力情况的分析课题着重探讨了以阶梯轴为实例,利用ANSYS现有的接触分析功能来实现机构的整体分析的方法并且,在接触分析后期比较了不同的加载方式和实常数取值对分析结果产生的影响,最终确定了合理的加载方式和实常数取值,为下一步建立参数化分析命令流打好基础参数化本课题在ANSYS软件传统的GUI操作方式的基础上,结合上一部分的建模加载等方法,利用APDL语言对菜单操作的过程中的各项命令进行修改,形成了可直接调用的参数化命令流文件,为下一步的软件开发提供了最重要的帮助软件开发用Visual C+语言编制相应的软件,集成ANSYS有限元分析的全部功能以此为平台,根据用户输入的参数,自动写入ANSYS命令流文件,实现参数在软件中自动传递,计算完成后可方便调用仿真动画和应力云图1.3 阶梯轴结构参数化有限元分析系统的方法1.3.1系统要实现的目标首先,从易用性方面考虑,该系统应具有良好的用户界面系统的前台设计要采用Windows提供的标准图形用户界面,用户不需要接受专门训练就可以使用;第二,在功能上,允许用户输入计算所需要的各种参数,可以进行工况选择,用户通过界面调用后台的程序进行计算后,能够得到最后的计算结果文件,供用户进行后处理和结果分析;第三,从通用性考虑,要在各种计算机系统中都可以使用,且程序代码具有开放性和可重用性,这样,在进一步的设计中,可以允许设计者对代码进行修改和扩充,满足不同的需要基于上述三种考虑,选用VISUAL C+和ANSYS作为系统的开发工具前面己经介绍过ANSYS是目前最通用的有限元分析软件,其强大的功能完全可以满足本系统分析计算的需要并且它提供的二次开发语言APDL(ANSYS Parametric Design Language)可以将ANSYS封装起来参数化设计语言APDL是一种高效的参数化建模手段,使用APDL语言进行封装以后的ANSYS系统,可以只要求操作人员输入前处理参数,然后自动运行ANSYS进行计算求解但完全使用APDL编写的宏还存在弱点,比如用APDL语言较难控制程序的进程,虽然它提供了循环语句和条件判断语句,但总的来说还是难以用来编写结构清晰的程序,虽然它提供了参数的界面输入,但功能还不是太强,交互性不够流畅,而VISUAL C+可以弥补这种缺陷目前也有很多人在尝试用VISUAL C+与ANSYS结合起来开发通用的有限元分析系统,因此本文采用ANSYS的参数化设计语言APDL与VISUAL C+结合起来进行开发:用VISUAL C+开发前台界面,后台用APDL语言编写有限元分析程序,并将两者嵌套起来,通过VISUAL C+创建进程,调用ANSYS以批处理方式后台运行APDL编写的宏命令文件,来实现前处理有限元建模和求解分析的过程1.3.2 ANSYS二次开发技术 由于使用ANSYS解决的问题是具有复杂的科学和工程背景的难题,而且ANSYS又是一个知识和智慧密集的复杂高科技产品,它对用户的力学有限元理论和数学的等知识有较高的要求,所以对ANSYS进行二次开发是很有意义的前面介绍过,ANSYS提供的二次开发接口和语言主要由参数化设计语言APDL,用户界面设计与语言UIDL(User Interface Design Language),用户程序特性UPFs(User Program Features)和ANSYS数据接口四部分组成本文在系统开发中使用了ANSYS的参数化设计语言APDL,这里就对ANSYS的二次开发工具做一个简单的介绍1.3.2.1 参数化技术和参数化设计语言APDL随着现代化工业的高速发展,产品的功能结构的日趋复杂,新产品更新换代周期的不断缩短,设计在产品的整个生命周期中占据了越来越重要的地位因此随着CAD/CAE软件的进一步发展,为了将设计师们从反复的设计工作中解放出来,提高设计的效率和质量,一个最好的办法就是实现产品设计的参数化一般来说,参数化设计是指通过改动模型某一部分或几部分的尺寸,自动完成模型中其它相关部分的改动,从而实现尺寸对模型的驱动ANSYS作为功能强大的通用有限元分析软件,也提供了它自身的参数化设计语言APDLAPDL实质上是由类似于FORTRAN77的程序设计语言部分和1000多条ANSYS命令组成9其中,程序设计语言部分与其它编程语言一样,具有参数数组表达式函数流程控制(循环与分支)重复执行命令缩写宏以及用户程序等APDL不仅是设计优化和自适应网格划分等经典特性的实现基础,而且它也为日常分析提供了很多的便利10标准的ANSYS程序运行是由1000多条命令驱动的从ANSYS命令的功能上讲,APDL语言分别对应ANSYS分析过程中的定义几何模型划分单元网格材料定义添加载荷和边界条件控制和执行求解以及后处理计算结果等指令用户可以利用APDL语言将ANSYS命令组织起来,编写出参数化的用户程序,从而实现有限元分析的全过程,即建立参数化的CAD模型参数化的网格划分与控制参数化的材料定义参数化的载荷和边界条件定义参数化的分析控制和求解以及参数化的后处理另外,还可以用APDL语言编写宏宏是具有某种特殊功能的命令组合,实质上是参数化的用户小程序,可以当作ANSYS的命令处理如果把宏编写成一个便于记忆和比较通用的宏,还可以在ANSYS的工具条上当作命令来使用利用APDL语言进行编程和调试都比较容易随便打开一种文本编辑器,如写字板,记事本等,用户就可以直接进行参数化命令流的编写对于不熟悉APDL语言的用户,也可以采取从日志文件中提取命令流的方式进行APDL编程因为一般利用GUI方式进行有限元分析时,ANSYS会自动将每一步GUI操作对应的命令流记录在LOG文件里用户可以用文本编辑器打开LOG文件,然后提取有用的APDL命令流一般在编程的过程中,可以将两者结合起来1.3.2.2 用户界面设计语言UIDLUIDL(User Interface Design Lauguage)是编写或改造ANSYS图形界面的专用设计语言,GUI方面几乎全部的二次开发功能都依靠它来完成它主要完成以下三种图形界面的设计:主菜单系统菜单项对话框和拾取对话框帮助系统UIDL主要具有以下的功能:具有组织强大的菜单系统,即使在ANSYS中也能做成可以和VCVB之类主流GUI开发工具媲美的菜单响应效果;能够构建功能丰富的对话框;建立自己的联机帮助;通过用户界面设计语言(UIDL),用户可以在扩充ANSYS功能的同时建立起对应的图形驱动界面,如在主菜单的某位置增加菜单项,设计对应的对话框拾取对话框,实现参数的输入和其它程序运行的控制,同时提供相应的联机帮助,使操作者能方便地获取系统帮助等1.3.2.3 用户程序特性UPFs用户程序特性(UPFs)向用户提供丰富的FORTRAN77用户程序开发的子程序和函数,用户利用它们从开发程序源代码的级别上扩充ANSYS的功能使用这些子程序和函数,编写用户功能的源代码程序,在与ANSYS版本要求匹配的FORTRAN或C+编译器上重新编译和连接,生成用户版本的ANSYS程序另外,还提供了外部命令功能,允许用户创建ANSYS可以利用的共享库用户可以开发下列方面的功能程序:开发用户子程序,实现从ANSYS数据库中提取数据或将数据写入ANSYS数据库该种子程序可以编译连接到ANSYS中,此时ANSYS提供了10个数据库操作命令如果作为外部命令处理,可以在ANSYS的任何模块中运行;利用ANSYS提供的子程序定义各种类型的载荷,其中包括BF或BEF载荷压力载荷对流载荷热通量和电荷密度等;利用ANSYS提供的子程序定义各种材料特性,包括塑性蠕变膨胀粘塑性超弹层单元失效准则等;利用ANSYS提供的子程序定义新单元和调整节点方向矩阵;利用ANSYS提供的子程序修改或控制ANSYS单元库中的单元;利用UEROP创建用户优化程序;ANSYS程序作为子程序在用户程序中调用1.3.2.4 ANSYS数据接口ANSYS程序在分析过程中存在大量的设计分析数据,一部分在运行时置于计算机的内存之中,一部分以文件的形式存放在工作目录中除LOG文件和出错文件等文本文件之外,其它文件都是二进制文件,分别以不同的格式进行写入,如:数据库文件结果文件模态结果文件单元矩阵文件子结构矩阵文件对角化刚度矩阵文件缩减位移矩阵文件缩减频率矩阵文件和完整的刚度质量矩阵文件等等ANSYS数据接口详细地阐述每种二进制文件的格式,然后介绍从这些数据文件提取各种数据的子程序或函数,从而实现对二进制数据的读写和修改它满足了用户以下三种基本需要:检查或观察过程数据或结果数据;通过修改ANSYS的数据文件达到控制或修正计算;提取结果数据进行分析处理ANSYS数据接口提供了两条模型和数据库信息的转换和传递命令,即CDREAD和CDWRTIE,前者将一个符合ANSYS读入或写出格式的模型和数据库文件信息读入到ANSYS数据库中,后者的作用正好相反ANSYS数据接口还阐述了图形文件的格式,帮助用户将ANSYS图形文件转换成其它格式1.3.3 面向对象编程技术1.3.3.1 面向对象方法面向对象方法是20世纪90年代计算机研究领域中广泛应用的技术,它既是一种软件开发方法,也可以作为一种建立系统的基础结构采用面向对象的分析和设计方法,可以将一个问题分解成若干小问题,每个小问题又可以分解成更小的问题而每个小问题都是一个独立的模块,并且具有一个清晰的抽象界面,它只说明做什么,不必说明如何去做这种基于数据抽象的模块,又可以引入继承性多态性等机制产生新的模块,最后再使用动态链接技术将这些模块组装成大型的程序111.3.3.2 面向对象程序设计面向对象程序设计(ObjectOriented Programming,简称OOP)是以对象为中心的程序设计方法,它包括对象类继承消息几个基本概念12在面向对象的程序中,程序=对象+消息传递,对象是组成程序的基本单位,我们可以通过向对象发送消息的方式来驱动对象的行为,每个对象根据所收到消息的性质来选择所需要采取的行为,以响应这个消息面向对象的程序设计还具有封装继承和多态三个重要特性1.3.3.3 面向对象程序设计语言VISUAL C+面向对象程序设计的实质是要选用一种面向对象的设计语言,采用面向对象的方法进行程序设计Visua1 C+ 6.0是Microsoft公司最新推出的面向对象的程序开发工具,它在计算机领域中被公认为最优秀的专业化应用开发工具之一Visua1 C+作为一个集成开发工具,为编程工作者提供了程序框架代码自动生成和可视化的资源编辑功能,从而使编程工作变得更为简单Microsoft为Visua1 C+提供了强大的基本类库MFC(Microsoft Fundation Classes),它包含了很多微软公司已经定义好的程序开发过程中最常用到的对象可以说Visua1 C+在引入了MFC以后,便使Windows程序设计彻底实现了模板化,从而大大降低了程序设计的复杂性131.4 本章小结本章介绍了本文研究的目的和意义本文研究的现状采用ANSYS的有限元分析模块进行阶梯轴有限元分析方法的综述以及ANSYS二次开发技术等方面的内容上涵盖了本文的全部内容,统领全文第2章 有限单元法和有限元分析软件ANSYS有限单元法是在六七十年代发展起来的强有力的数值分析方法,它使许多复杂的工程分析问题迎刃而解,而且由于前后处理技术的发展,大型有限元分析软件逐步商业化,使得有限单元法和有限元分析软件的计算效率非常高,实际应用越来越广泛为应用有限单元法和ANSYS软件对阶梯轴进行分析,本章对有限单元法的相关理论和ANSYS软件进行介绍2.1 弹性力学基本方程弹性力学是研究弹性体在外力作用或温度变化条件下所产生的应力和变形的一门科学,比材料力学具有更高的严密性在有限单元法中,经常要用到弹性力学的基本方程有限单元法是与弹性力学密不可分的,弹性力学是弹性体的力学问题的解析解法,而有限单元法是弹性体力学问题的数值解法之一,且应用灵活方便,适用范围广泛弹性力学也是有限单元法的基础理论之一,在推导有限单元法过程中经常要用到弹性力学的基本方程142.1.1 弹性力学的基本量弹性体在载荷作用下,体内任意一点的应力状态可由6个应力分量来表示弹性体还将产生位移和变形,即弹性体位置的移动和形状的改变位移列阵 应力列阵 应变列阵 2.1.2 外力与内力的关系静力平衡方程弹性体V域内任一点沿坐标轴,方向的平衡方程为其中,为单元体积的体积力在,方向的分量2.1.3 位移与应变的关系几何方程在微小位移和微小变形的情况下,略去位移导数的高次幂,则应变向量和位移向量间的几何关系有2.1.4 应力与应变的关系物理方程弹性力学中应力与应变之间的转换关系也称弹性关系对于各向同性的线弹性材料,应力通过应变的表达式可用矩阵形式表示: 其中 称为弹性矩阵.它完全取决于弹性体材料的弹性模量和泊松比表征弹性体的弹性,也可用拉梅(Lame)常数和:也称为剪切弹性模量注意到物理方程中的弹性矩阵也可表示为物理方程的另一种形式是 其中为柔度矩阵,它和弹性矩阵是互逆关系2.2 有限元原理有限单元法(Finite Element Method,缩写为:FEM),也称为有限元法或有限元素法,是将所探讨的工程系统(Engineering System)转化为一个有限元系统(Finite Element System),有限元系统由节点(node)及单元(element)组合而成,组合成的系统模型取代原有的工程系统15目前在工程领域内常用的数值模拟方法有:有限单元法边界元法离散单元法和有限差分法,但就其广泛性而言主要还是有限单元法有限元法用于求解复杂的弹性力学和结构力学方程,对于这些问题它已经基本上代替了有限差分法有限元法在工程分析中的地位是不可替代的,它的基本思想是将求解区域离散为一组有限个且按一定方式相互连接在一起的单元的组合体,单元之间通过节点相连,每个单元被看作是一个整体单元内部任意位置的待求量只能够由单元节点上的求解值通过形函数插值得到由于设定的单元形状简单,因此易于从平衡关系和能量关系建立节点量的方程式,通过求解所有这些单元方程组合成的一个总体代数平衡方程组,最终获得复杂模型的近似数值解显然,单元越小结果也接近实际,但是同时计算量就大了,计算时间也长了,所以要根据具体情况划分合适的单元数这是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法有限元法主要是根据变分原理求解数学物理问题的数值计算方法,是工程方法和数学方法相结合的产物,可以求解许多过去用解析方法无法求解的问题,它对于解决复杂几何结构和边界问题更具优势,而且结果更接近真实情况它能准确地反映计算对象的实际受力情况,在设计中节约材料,使结构更合理,确保部件(特别是高速运动部件)的安全性,是一种先进的方法16-23有限元法步骤如下:连续体的离散化;也就是将给定的物理系统分割成等价的有限单元系统选择位移模型;假设的位移函数或模型只是近似的表示了真实位移分布通常假设位移函数为多项式,其中最简单的情况为线性多项式我们所要做的是选择多项式的阶次,以使其在可以接受的计算时间内达到足够的精度用变分原理推导单元刚度矩阵:刚度矩阵节点矢量和节点位移矢量的平衡关系表示为线性代数方程组: 局部坐标系下整体坐标系下;整合整个离散化连续体的代数方程,即把各个单元的刚度矩阵集合成整个连续体的刚度矩阵,把各个单元的节点力矢量集合为总的力和载荷矢量:施加位移约束;求解位移矢量;即求解上述代数方程,在求解的每一步都要修正刚度矩阵和载荷矢量由节点位移计算出单元的应变和应力开 始决 定 分 析 项 目决定分析项目的几何结构及边界条件，获取材料性质建立有限元模型包括单元类型、材料性质、有限元网格加载并求解输出结果结果是否合理问题解决或得到最佳设计进行改进处理否是图2.1 有限元分析流程图在实际工作中,上述有限元分析只是在计算机软件处理中的步骤,要完成工程分析,还需要更多的前处理和后处理,完整的有限元分析流程图如图2.1所示2.3 ANSYS软件简介ANSYS作为大型通用有限元计算软件,是一个融结构热流体电磁声学于一体的大型通用有限元软件作为目前最流行的有限元软件之一,它具备功能强大兼容性好使用方便计算速度快等优点,广泛用于核工业铁道石油化工航天航空机械制造能源汽车交通国防军工电子土木工程生物医学水利日用家电等一般工业及科学领域2.3.1 ANSYS软件基本构架ANSYS软件主要包括三个部分:前处理模块分析计算模块和后处理模块能够进行结构静力分析结构动力学分析结构非线性分析运动学分析热分析电磁场分析流体力学分析声场分析压电分析多物理场耦合分析等23ANSYS构架分为两层,一层是起始层(begin level),二层是处理层(processor level)当一个操作命令输入时,通过起始层过滤和分流,进入到处理层中不同的求解器求解器可视为解决问题步骤中的组合代码,执行特定的命令,解决问题的一个部分包括前处理器求解器后处理器ANSYS中的这三类求解器在分析使用流程如图2.2所示23在分析的不同阶段,需要进入不同的求解器进行操作既可以通过菜单选项进入,也可以通过输入命令进入例如,可以通过斜杠“/”加处理器的名称进入到相应的求解器,如/prep7进入前处理器,/solu进入求解器,而/post1命令则进入后处理器起始层begin level进入ANSYS退出ANSYS前处理器prep7 processor求解器solution processor时间历程后处理器post26 processor后处理器post1 processor/prep7finishfinishfinishfinish/solu/post26/post1图2.2 ANSYS三类求解器使用流程图退出处理器,进行处理器之间的转换,可以通过finish命令或fini命令先回到起始层,然后进入想到达的求解器位置2.3.2 ANSYS的典型分析过程进行有限元分析的最终目的是要将一个实际工程系统的数学模型还原,也就是分析必须是针对一个物理原型的数学模型模型包括所有的节点单元材料属性实常数边界条件,以及它用来表现这个物理系统的特性24ANSYS分析过程中包含以下3个主要的步骤创建有限元模型1)创建或输入几何模型并进行布尔运算ANSYS软件同很多CAD软件都有接口,可以在其他的CAD软件中建立好模型后通过这些接口导入ANSYS进行分析,这样就可以利用建模能力相对ANSYS较强的CAD软件建模,但是从CAD软件导入ANSYS的模型有时需要大量的修补工作才能进行网格划分所以也可以直接在ANSYS软件环境中建模2)单元类型及材料属性的选择在有限元分析中,单元类型选择正确与否将决定其最后的分析结果ANSYS提供了120多种不同性质与类别的单元,每一个单元都有其固定的编号如link180是第180号单元,通过每个单元前的名称就可以判断该单元的使用范围及形状单元类别可以分为一维线性单元二维平面单元和三维立体单元不同的材料,不同的模型,就应该选择不同的单元类型和材料属性3)将不同材料属性的实体赋予不同的属性4)选择合适的单元大小,划分网格(产生节点和单元)根据具体的受力和约束情况施加约束和载荷求解并查看结果2.4 ANSYS参数化设计语言APDL及ANSYS命令流进行有限元分析的标准过程包括:定义模型及其载荷,求解和解释结果,假如求解结果表明要修改设计,那么就必须改变模型的几何形状并重复上述步骤;或者当结构状态改变,命令后的参数也会有所改变,因此必须重新编写程序,这对设计者而言相当不方便,特别当模型较复杂或修改较多时,这个过程就很复杂和费时,而且还不能保证修改的完全性25ANSYS参数化设计语言APDL(ANSYS Parametric Design Language)是一种解释性语言,它用建立智能分析的手段为用户提供了自动完成上述循环的功能,以更方便的方式进行程序编辑,也就是说程序的输入可设定为根据指定的函数变量以及选出的分析标准作决定,可以帮助我们更加有效地进行分析计算,是一种高效的参数化建模手段,而且允许复杂的数据输入,使用户实际上对任何设计或分析属性有控制权,例如尺寸材料载荷约束位置和网格密度等26APDL实际上由类似FORTRAN77的程序设计语言部分和大量的ANSYS命令组成它的程序设计语言部分与其它编程语言一样,具有参数数组表达式函数宏以及流程控制(循环与分支)等例如:/PREP7YS=2.1e5 !设置杨氏弹性模量Length=100 !设置参数LengthWidth=10 !设置参数WidthThick=1 !设置参数ThickET,1,SHELL63 !定义单元类型R,1,Thick,Thick,Thick,Thick,0,0, !定义实常数MP,EX,1,YS !定义材料属性MP,NUXY,1,0.3 !定义泊松比RECTNG,0,Length,0,Width, !建立面当模型或材料变化时,只要改变上述参数即可APDL是用来自动完成某些功能或建模的一种脚本语言它也包含了一系列其他特征,如命令的复制宏if-then-else分支do循环以及标量矢量和矩阵的操作其“参量”兼有其他程序设计语言中变量和参数两种意义,但是并不明确区分APDL语言是ANSYS高级应用的基础,如优