（机械设计及理论专业论文）基于ansys二次开发的电梯参数化有限元分析系统.pdf

东北大学硕士学位论文 摘要 基于a n s y s 二次开发的电梯参数化有限元分析系统 摘要 电梯是重要的交通运输设备。保证电梯高效、可靠、安全的运行，越来越多地 引起了人们关注，其中结构安全是最基本的要求，许多生产厂家正在引入电梯结构 的有限元分析。而电梯的系列化结构特点，要求有专用的电梯有限元分析系统，以 避免大量的重复操作，提高分析效率。 a n s y s 是当前世界上常用的有限元分析软件之一，具有强大的有限元分析功 能，广泛应用于结构分析。而且，它具有良好的开放性，具有参数化程序设计语言 a p d l 、用户界面设计语言u i d l 和用户程序特性u p f s 等二次开发功能。 本课题运用了a n s y s 的二次开发功能，以上海东芝电梯c v 3 2 0 系列电梯为对 象，初步开发了电梯参数化有限元分析系统。参数化程序设计语言a p d l 是a n s y s 二次开发的核心技术。本文以上梁为例，说明参数化模块的开发过程。先建立模板 分析过程，然后整理对应的l o g 文件，引入参数化变量，运用a p d l 的判断和循环 等流程控制命令，实现电梯分析系统的参数化模块。 应用a n s y s 的用户界面设计语言u i d l ，可以开发简单的用户界面。而本课题 的特点正是需要输入的参数简单明了。本文仍以上梁为例，说明通过a n s y s 对u i d l 控制文件的调用，以及对菜单控制文件和对话框控制文件的编辑，实现电梯分析系 统的界面模块设计。 最后分别以绳轮梁p 1 3 型号的标准模型和p 1 0 型号的非标导轨间距模型为例， 通过运行电梯参数化有限元分析系统，显示了该系统能避免大量的重复工作，提高 分析效率。而且由于输入界面简单明了，非专业的有限元分析人员也可使用该系统 进行电梯的零部件结构分析。 关键词：电梯；参数化；有限元；a n s y s ：二次开发；a p d l ；u i d l i i 东北大学硕士学位论 a b s t r a c t p a r a m e t e r i z e dl i f tf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss y s t e m b a s e do ns e c o n dd e v e l o p m e n to f a n s y s a bs t r a c t l i f ti sa ni m p o r t a n tt r a n s p o r ta n dc o m m u n i c a t i o nf a c i l i t y i th a sd r a w nm o r ea n d m o r ea t t e n t i o nt oa s s u r et h es a f eo p e r a t i o no fl i f t s ，i nw h i c ht h es t r u c t u r a ls a f e t yi st h e p r i m a r yr e q u i r e m e n t ，s om a n ym a n u f a c t u r e r sa r ei n t r o d u c i n gf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so f l i f ts t r u c t u r e t h es e r i a l i z e ds t r u c t u r ef e a t u r e so fl i f tr e q u i r es p e c i a lf i n i t ee l e m e n t a n a l y s i ss y s t e mt oa v o i dam a s so fr e p e t i t i v eo p e r a t i o n sa n di m p r o v ea n a l y s i se f f i c i e n c y a n s y si so n eo ft 1 1 em o s tc o m m o nf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ei nt h ew o r l d i t h a sp o w e r f u lf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sf u n c t i o n sa n di sa p p l i e di ns t r u c t u r ea n a l y s i sw i d e l y m o r e o v e r ，i th a sg o o do p e n n e s sa n ds e c o n dd e v e l o p m e n tf u n c t i o n ss u c ha sa p d l 、u i d l a n du p f s t h i ss u b j e c tt a r g e t i n gt h el i f to fc v 3 2 0s e r i e si ns h a n g h a it o s h i b ae l e v a t o rc o ， l t d a p p l i e st h es e c o n dd e v e l o p m e n tf u n c t i o n so fa n s y s t od e v e l o pt h ep a r a m e t e r i z e d l i f tf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss y s t e me l e m e n t a r i l y a n s y sp a r a m e t e rd e s i g nl a n g u a g e ( a p d l ) i st h en u c l e a rt e c h n i q u ef o rt h es e c o n dd e v e l o p m e n to fa n s y s t h i sp a p e r i l l u m i n a t e st h ed e v e l o p m e n to ft h ep a r a m e t e r i z e dm o d d ew i t ht h ee x a m p l eo fc r o s h d t or e a l i z et h ep a r a m e t e r i z e dm o d u l e ，w eb u i l dt e m p l a t ea n a l y s i sp r o c e s sa tf i r s t ，t h e n a r r a n g ec o r r e s p o n d i n gl o gd o c u m e n t ，i n t r o d u c ep a r a m e t e r i z e dv a r i a b l e ，a n da p p l y p r o g r a mf l o wc o n t r o lc o m m a n do fa p d ls u c ha sj u d g e m e n ts t a t e m e n ta n dl o o p s t a t e m e n t s i m p l ec u s t o mi n t e r f a c ec a nb ed e v e l o p e db yu s e ri n t e r f a c ed e s i g nl a n g u a g e ( u i d l ) o fa n s y s a n dt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h i ss u b j e c ti sj u s tt h a tt h ep a r a m e t e r s n e e d e dt o i n p u ta r es i m p l ea n dp e r s p i c u o u s w i t ht h es a m p l eo fc r o s h da g a i n ，t h i s p a p e ri l l u m i n a t e sh o w t or e a l i z et h ed e s i g no fi n t e r f a c em o d u l eo fl i f ta n a l y s i ss y s t e mb y c a l l i n gu i d lc o n t r o ld o c u m e n tf r o ma n s y sa n de d i t i n gm e n uc o n t r o ld o c u m e n ta n d d i a l o gc o n t r o ld o c u m e n t f i n a l l yw i t ht h ee x a m p l eo fs t a n d a r dm o d e lo ft y p ep 13a n dn o n s t a n d a r dr a i l d i s t a n c em o d e lo ft y p ep10o fs h e a v - cs e p a r a t e l y , t h ep a r a m e t e r i z e dl i f tf i n i t ee l e m e n t a n a l y s i ss y s t e mi sp r o v e dt ob ea b l et oa v o i da m a s so fr e p e t i t i v eo p e r a t i o n sa n di m p r o v e n i 东北大学硕士学位论 a b s t r a c t w o r ke f f i c i e n c yb ya p p l y i n gi t f u r t h e r m o r e ，n o n p r o f e s s i o n a lf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s p e r s o n n e lc a na l s ou s et h i ss y s t e mt oa n a l y z et h ep a r t so ra s s e m b l ys t r u c t u r eo fl i f t s k e yw o r d s ：l i f t ；p a r a m e t e r i z e d ；f i n i t ee l e m e n t ；a n s y s ；s e c o n dd e v e l o p m e n t ；a p d l ； u i d l i v ， 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文 中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经 发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：墒p 糙浩 i 1 日期：劲口1 5 、 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用 学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同 意。) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：签字日期： 东j b 大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 随着现代力学、计算数学以及计算机技术在软、硬件方面的发展，有限元分析 无论是在理论，还是在计算技术方面都己取得巨大的进步。在工程结构分析中，有 限元方法己成为应用最广泛、最有效的数值方法之一。一些通用或专用的有限元软 件相继投入使用。a n s y s 作为其中之一，是一个广泛应用于机械、电子、土木、生 物、医学等众多工业领域，集结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型c a e 软件， 在国内外具有良好的声誉，并已获得了工业界的普遍认可。 有限元在电梯行业应用，使电梯的结构分析上升到一个新的水平。在现代社会 和经济活动中，电梯已经是城市文明的一种标志，在高楼、车站和大型商场等建筑 中，电梯是一种不可缺少的垂直运输设备。随着人口的增加，科学技术日新月异地 发展，人们物质文化生活水平的逐步提高，建筑业得以迅速发展，大批的高楼拔地 而起，十几层甚至几十层的宾馆、饭店、办公楼、住宅楼鳞次栉比。完全可以预想 到，随着社会的发展，电梯产品在人们物质文化生活中的地位将会和汽车一样，成 为重要的运输设备之一【1 1 。现代化的电梯要求电梯无论在结构上还是在特性、功能 上都要满足人们对电梯提出的越来越高的要求，其中结构上的安全是最基本的，即 结构设计要满足强度要求，保证乘客的人身安全。许多电梯生产厂家，正在引入电 梯结构的有限元分析【2 j 。 而a n s y s 等有限元软件，都是专业性很强的软件，无论是学习还是应用过程， 都要花费大量的时间和精力。因而，有必要开发出针对某一行业，比如电梯的专用 分析系统，在系统界面中，输入基本的设计参数和分析参数，然后把所有的前处理 过程、求解过程和后处理过程交给计算机处理，最后得到用户关心的分析结果。 1 2 电梯结构及其特点 随着我国经济建设事业的发展，人民物质文化生活水平的提高，我国的建筑业 已经成为支柱行业，并日益发展壮大起来。伴随着建筑业的发展，为建筑物内提供 上下交通运输的电梯工业也在日新月异地发展着。电梯已经不仅是一种生产环节中 的重要设备，更是一种工作和生活的必需设备。电梯和汽车一样，已经是人们频繁 乘用的交通运输设备。 1 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 1 电梯的发展简史 据国外有关资料介绍，公元前2 8 0 0 年在古代埃及，为了建筑当时的金字塔， 曾使用过人力驱动的升降机械。公元1 7 6 5 年瓦特发明了蒸汽机后，1 8 5 8 年美国研 制出以蒸汽为动力，并通过带传动和蜗轮减速装置驱动的电梯。1 8 7 8 年英国的阿姆 斯特朗发明了水压梯，并随着水压梯的发展，淘汰了蒸汽梯。后来又出现了采用液 压泵和控制阀以及直接柱塞式和侧柱塞式结构的液压梯，这种液压梯至今仍为人们 所采用。 但是，电梯得以兴盛的根本原因在于采用了电力作为动力来源。1 8 世纪末发明 了电机，并随着电机技术的发展，1 9 世纪初开始使用交流异步单速和双速电动机做 动力的交流电梯，特别是交流双速电动机的出现，显著改善了电梯的工作性能。由 于这种电梯的制造和维修成本低廉，因此，在速度为o 6 3 m s 以下的电梯品种中， 仍广泛采用这类交流双速电机驱动的电梯。在2 0 世纪初，美国奥的斯电梯公司首先 使用直流电动机作为动力，生产出以槽轮式驱动的直流电梯，从而为后来的高速度、 高行程电梯的发展奠定了基础。随着电子工业的发展，p c 机和电子计算机成功地应 用到电梯的电气控制系统中去后，电梯产品的质量和运行效果显著提高。电梯的运 行速度已高达l o m s 以上。 我国电梯的使用历史悠久。从1 9 0 8 年在上海汇中饭店等一些高层建筑里安装 了第一批进口电梯起，到新中国成立以前的1 9 4 9 年，全国各大城市中安装使用的电 梯已有数百台，上海和天津等地也相继建立了几家电梯修配厂，从事电梯的安装和 维修业务。新中国成立以后，先后在上海、天津、沈阳、西安、北京、广州等地建 立了电梯制造厂，使我国的电梯工业从无到有，从安装维修到制造，从小到大地发 展起来。 我国从2 0 世纪5 0 年代开始批量生产电梯，用我们自己生产的电梯产品装备了 人民大会堂、北京饭店等政府机关和国家宾馆。6 0 年代开始批量生产手扶梯和自动 人行道，用我们自己生产的手扶梯装备了北京地铁车站，用我们自己生产的自动人 行道装备了北京首都机场。 8 0 年代中期以来，随着我国对外开放，对内搞活经济的政策深入贯彻执行，随 着技术引进工作的进一步开展，在国内建立一批合资和独资电梯生产厂，使我国的 电梯工业又取得巨大发展。产量连续多年成倍增长，产品质量和整机性能明显提高。 为了进一步推动电梯工业的发展，我国又新颁布一批具有8 0 年代国际水平的电梯制 造标准，随着采用新标准生产的电梯批量推向市场，技术性能和质量明显提高的电 2 东北大学硕士学位论文第一章绪论 梯又进一步促进建筑业和电梯业的发展，电梯工业蓬勃发展的局面己经形成吲。 1 2 2 电梯结构简介 电梯由机械和电气两大系统组成。 机械系统由曳引系统、轿厢和对重装置、导向系统、厅轿门和开关门系统、机 械安全保护系统等组成。 电梯的结构由于曳引方式不同，会有一些差异。常用的曳引方式有如下三种【4 】： 半绕1 ：1 吊索法，轿厢的运行速度等于钢丝绳的运行速度；半绕2 ：1 吊索法，轿 厢的运行速度等于钢丝绳运行速度的一半；全绕1 ：1 吊索法，轿厢的运行速度等于 钢丝绳的运行速度。如图1 1 所示。 7 8 a )b )c ) 图1 1 电梯常用曳引方式示意圈 f i g 1 1t h es k e t c hm a po fc o m m o nt o w i n gm e t h o d so fl i f t s a ) 半绕1 ：1 吊索法b ) 半绕2 ：1 吊索法c ) 全绕1 ：1 吊索法 1 对重装置2 曳引绳3 导向轮4 曳引轮 5 对重轮6 轿厢7 复绕轮8 轿顶轮 本课题所用模型为半绕2 ：1 吊索法曳引方式，其结构示意图如图1 2 所示。 1 2 3 电梯结构的特点 电梯的结构特点是系列化较强，而同一系列的电梯，随着其型号承载人数 的变化，其拓扑结构不变或只有少量特征的增减，而且大多数的尺寸的变化有一定 的规律。 在这种情况下，在进行结构设计时，可以建立一个模板模型，通过程序来控制 一3 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 曳引机 2 控制柜 3 钢丝绳 4 e 梁 5 绳轮梁 6 _ 轿厢 7 导轨 8 厅门 9 对重装置 1 0 缓冲器 图1 2 电梯结构示意图 f i g 1 2t h es k e t c hm a p o fl i f ts t r u c t u r e 尺寸的变化和少量特征的增减。用户通过输入基本的设计参数如承载人数、导轨间 距等，而不是输入模型的长、宽、高等具体的尺寸，即可使计算机自动生成用户所 需要的型号的模型和图纸，还可生成相应的b o m 表。因而提高了设计的效率，并 有利于图纸的管理。沈阳中新科技开发的基于p r o e 的参数化设计平台，即可以实 现这种电梯的参数化设计。该平台只需要用户在初始界面中，输入初始的设计参数， 即可自动生成相应的模型和图纸。 随着电梯业的不断发展，以及用户的要求不断提高，电梯零部件的强度也越来 越受到电梯厂家的关注。对电梯的零部件进行有限元强度分析，可以使电梯的结构 更加合理和安全【3 2 1 。但是，有限元分析软件都是专业性很强的软件，对一个零部件， 4 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 从建模、划分网格、加载到求解、后处理需要大量的工作，而且对于电梯这种系列 化较强的结构，如果按通常的方法进行分析，就会做大量的重复性工作。因而，本 课题根据电梯的系列化结构特点，利用a n s y s 的二次开发功能，主要是其a p d l 语言的参数化特性及u i d l 语言的界面设计功能，开发了电梯零部件的参数化有限 元分析系统。具体的模块内容及功能，将分别在第四章和第五章里介绍芦】。 1 3a n s y s 软件及其二次开发的发展状况 近年来随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高，有限元分析在工程设计 和分析中得到了越来越广泛的重视，已经成为解决复杂的工程分析计算问题的有效 途径，现在从汽车到航天飞机几乎所有的设计制造都已离不开有限元分析计算。 1 9 6 5 年“有限元”这个名词第一次出现，到今天有限元在工程上得到广泛应用， 经历了四十多年的发展历史，理论和算法都已经日趋完善。有限元的核心思想是结 构的离散化，就是将实际结构假想地离散为有限数目的规则单元组合体，实际结构 的物理性能可以通过对离散体进行分析，得出满足工程精度的近似结果来替代对实 际结构的分析，这样可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂 问题。 以a n s y s 为代表的有限元分析软件，不断汲取计算方法和计算机技术的最新 进展，将有限元分析、计算机图形学和优化技术相结合，已经成为解决现代工程问 题必不可少的有力工具。 a n s y s 公司是由美国匹兹堡大学力学系教授、有限元法的权威、著名的力学家 j o h ns w a n s o n 博士于1 9 7 0 年创建而发展起来的，至今已经发展到了a n s y s l 0 0 新 版本。其前后处理能力，得到了大幅度的改进与扩充，使得a n s y s 在功能、性能、 易用性、可靠性以及对运行环境的适应性方面，基本上满足了用户的当前需求。利 用a n s y s 软件，工程师可以构造非常复杂的模型，并将模型置于各种复杂环境下 进行分析，有效评估设计的合理性，使设计达到最优化，减少实际检验所需的投资， 有效的降低产品设计周期，提高利润。 a n s y s 软件是第一个通过i s 0 9 0 0 1 质量体系认证的大型分析设计类软件，是美 国工程师协会( a s m e ) 、美国核安全局( n q a ) 2 舷- - 十种专业技术协会认证的标准分 析软件。在国内，它第一个通过了中国压力容器标准化委员会认证并在国务院十七 个部委推广使用。 在有限元的应用领域，参数化技术的使用是局部的、有限的，当前多数的应用 都集中在有限元建模领域，主要的应用方向为用参数化技术解决形状优化中设计模 5 东北大学硕士学位论文第一章绪论 型的自动生成问题。 从有限元模型建立方法的发展历史和现状来看，可以发现阻碍有限元参数化从 理论走向工程应用的一个主要困难就是缺乏有效的自动生成及更新设计模型( 即有 限元模型1 的方法。b o t k i n 【6 l 【7 1 将这一困难归结为两个方面：1 ) 对设计模型几何特征 的参数化描述手段比较缺乏；2 ) 全自动的网格生成器不够完善。随着c a d c a e 技 术的蓬勃发展，上述两方面的困难逐渐得以解决，人们陆续提出了一些全自动的设 计模型生成方法。 在几何形状的优化领域，同样要面对参数修改、模型自动更新这类问题。在弹 性形体的形状优化方面，e d w i n 8 】等提出了一种基于c a d 的设计参数化方法。该方 法在设计模型的问题定义上采用了b o t k i n 基于几何模型的定义方式，同前人相比， 该方法最大的特点是，e d w i n 将商用c a d ( p r o e n g i n e e r ) 软件和有限元分析软件 ( a n s y s 和m s cn a s t r a n ) 进行“连接”，将它们直接引入到形状优化设计系统，借助 这些软件中提供的参数化几何建模、网格全自动生成、有限元分析等功能为优化过 程服务。 随着几何造型软件和有限元分析软件的相互渗透和融合，通过软件接口，模型 数据在软件间的交换己不成问题。目前，一些通用有限元软件为有限元模型的参数 化提供了功能全面的二次开发工具和开放式的开发环境，如a n s y s 的提供的a p d l 语言、m s c p a t r a n 的提供的p l c 语言，它们类似c 、f o r t a n 语言，可供用户 开发自编程序，完成有限元计算的参数化。 参数化编程是a n s y s 软件的另一种操作方式，它能完成所有的a n s y s 分析过 程，同时也是a n s y s 二次开发和优化设计的主要基础。利用a p d l 语言实现参数 化，利用u i d l 语言或者其他软件如v b 、v c 等开发界面，即可实现a n s y s 的二 次开发。 国外在a n s y s 二次开发方面有很多的应用。如a l e x e yi b o r o v k o v 9 1 介绍了两 个基于a n s y s 二次开发的软件：用于转子体刚度不对称补偿的c r s d 软件和可以 计算有三十种燃料元素的散热器的稳态3 d 热分析的软件。在这两种软件中，用户 可以在初始界面中输入相关的参数，然后让计算机自动生成模型、划分网格、加载、 分析，还可以自动在m sw o r d 中生成分析报告。软件大大提高了分析的效率，节省 了工作时间。 国内这方面的工作也还是刚刚开展，针对具体工程问题a n s y s 二次开发还处 于探索阶段，一些高校和研究所进行了一些积极的研究，也取得了一定的研究成果， 并在a n s y s 2 0 0 0 年会上得到集中体现。这些研究和开发工作大致分为两类：一是 6 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 为解决专门的实际问题而开发的专用模块，这些模块已用于土木工程基础问题、水 利工程的波浪问题、机械结构的整体设计和机械设计优化。这些模块开发充分利用 了a n s y s 提供的二次开发技术，特别是参数化建模技术，并且针对各自专门领域 进行了很多优化设计。因为这些模块的开发是为了解决工程实际问题，所以在用户 界面上做的不是很完善。相比之下，另一类研究和开发工作主要是开发商业化的模 块，因此这些模块不仅能解决专门领域的实际问题，用户操作界面做得比较完善， 这些开发的模块己经推向市场，并取得了经济效益。如用a n s y s 开发的应用柴油 机铸造成型模行的专用模块、用第三方语言d e l p h i 开发的a n s y s 二次开发工具 p a r a 2 g u i 可以插入任何a n s y s 宏文件、压力容器自动化分析软件c p v - a n s y s 【7 j 等都是商业化模块。因此a n s y s 二次开发技术具有重要的技术价值和广阔的市场 前景。 国内在对通用有限元软件进行二次开发的主要是高校或研究机构，并取得了很 好的效果。如全国压力容器标准化技术委员会开发的压力容器自动化分析软件 c p v - a n s y s ，在国内的压力容器的设计计算得到了广泛的应用。它是运用a n s y s 的a p d l 语言进行开发的。在该软件中包含了4 0 多类压力容器结构。其中有典型 的压力容器结构，也有特殊的压力容器结构【l 训。 总体来说，对于a n s y s 的二次开发，都是针对某个具体的领域或行业，使得 分析更加方便、易于操作、易于得到要关心的结果。还有一类的二次开发，偏向于 结构的优化设计，本文不作过多的介绍。 在实际中，有某些类型的结构，类似于标准件其拓扑结构相同或者只有少 量特征上的差异，对于不同的型号，其某些尺寸或少量特征发生变化，而且多数尺 寸的变化具有规律性。电梯就是属于这种类型的结构。对于这种类型的结构，已经 开发出了一些参数化的c a d 系统，比如上述的沈阳中新科技开发的基于p r o e 和 s o l i d w o r k s 的电梯参数化设计平台，在输入初始的设计参数后，系统会自动生成对 应型号的模型、图纸和b o m 表，非常方便快捷，并且便于管理。 而电梯行业的有限元分析，还不是很成熟，有很多电梯企业还没有引入有限元 结构分析，但是对电梯结构的有限元分析已经越来越受到生产厂家的重视。针对电 梯行业，开发专用的有限元结构分析软件，很有必要。 1 4 本文的意义和特色 随着电梯行业的蓬勃发展，以及用户对电梯产品的要求不断提高，对电梯进行 有限元结构分析，已经成为趋势。但是有限元结构软件是专业性很强的软件，需要 7 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 专业的结构分析人员使用，而且有限元的前后处理，尤其是前处理过程，需要大量 的工作。电梯的系列化结构特点，使得结构分析人员在按常规方法分析时，要进行 大量的重复性操作。 针对这种情况，本课题开发的基于a n s y s 的电梯结构参数化有限元分析系统， 能够使用户避免大量的建模、划分网格、加载等前处理及后处理工作。只要用户在 初始系统界面中，输入基本的设计参数和分析参数，然后就可以把整个分析过程交 给结算机来处理。分析完毕后，用户可在工作目录里找到结果文件“r e s u l t d a t ”，直 观地看到用户希望得到的信息。工作目录中，还会生成用户需要观察的图片和模态 分析得到的振型视频文件。 因而，该电梯结构分析系统避免了分析过程中大量的重复性操作，大大提高了 分析的效率。由于该系统只需要用户在初始界面中输入几个容易理解的参数，不用 具体的分析操作，所以非专业a n s y s 使用人员，比如设计人员，只要对有限元有 一些了解，也可以运用该系统进行电梯零部件的结构分析。该系统除了能够分析标 准电梯零部件外，还可以分析非标导轨间距的电梯零部件。 本课题最大的特色在于，参数输入界面简洁明了。输入模型参数时，不必输入 模型的长、宽、高等具体尺寸，只需要输入基本设计参数如承载人数和导轨间距即 可。凡是同一系列的电梯，其它的共性的参数，或可由基本输入参数决定的参数， 不必在界面中输入。 1 5 本文的主要内容 本文利用a n s y s 的二次开发工具a p d l 和u i d l ，开发了电梯专用的参数化有 限元分析系统。全文分为以下几个部分： 第一章为绪论，介绍了本课题的研究背景和电梯的结构及其特点，综述a n s y s 软件及其二次开发的现状。 第二章叙述有限元的基本原理，对a n s y s 的主要功能、模块、优点进行讲解， 并初步介绍了a n s y s 的二次开发工具。第二章是后面进行电梯参数化有限元分析 系统开发的基础。 第三章是本课题的核心电梯零部件参数化分析的实现。这部分首先讲述了 a n s y s 的参数化设计语言a p d l ，a p d l 文件的生成，参数化变量在a p d l 程序中 的使用，及a p d l 程序的控制等。之后利用a p d l 语言，以电梯的上梁为例，通过 建立模板分析过程和编辑l o g 文件，实现参数化模块的设计。 第四章是电梯参数化分析系统的界面模块的设计。本章讲述u i d l 的结构体系， 一8 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 及a n s y s 怎样实现对u i d l 的调用，菜单和对话框的设计，界面输入参数的提取。 然后仍以上梁为例，设计电梯参数化有限元分析系统的菜单和对话框。 第五章以绳轮梁为例，分p 1 3 型标准电梯和p 1 0 型非标电梯两种情况，实际应 用已开发的电梯参数化有限元分析系统。 第六章对本课题进行了总结，展望电梯参数化有限元分析系统的发展方向和应 用前景。 一9 东北大学硕士学位论文第二章有限元法的基本原理及a n s y s 分析系统概述 第二章有限元法的基本原理及a n s y s 分析 系统概述 在科学技术领域中，许多力学问题和物理问题，人们已经得到它们应遵循的 基本方程( 常微分方程或偏微分方程) 和相应的定解条件。但能用解析方法求出精确 解的只有少数性质比较简单，且几何形状相当规则的问题。可是随着社会的发展， 工程中分析精度要求越来越高，分析速度要求越来越快，有限单元法就是为适应 社会的这种需要而发展起来的。有限单元法的基本思想是将连续的求解区域离散 为一组有限个、且按一定方式连接在一起的单元组合体。由于单元能按不同方式 组合，因此能满足不同受力结构分析需要，又因为单元有不同形状，且可控制单 元的大小，因此能够把不规则的几何规则化，所以有限单元法是分析复杂结构的 一种良好方法【“】。 2 1 有限元法的基本原理 随着社会的进步和科学的发展，人们的计算手段己发生了巨大的变化。从粗略 的感性估计到精确的数值分析，越来越强大的计算手段使人们在改造世界的路途上 变得更加得心应手。在科学技术领域，很多力学及物理问题，人们己得到了他们应 遵循的基本方程和定解条件。但能用解析方法求出精确解的只有少数方程性质比较 简单，而且几何形状相当规则的问题。对于大多数问题，由于方程的某些特征的非 线性性质，或由于所要求解的区域的几何形状比较复杂，很难求得到解析解【l2 1 。解 决这类问题的方法通常有两种途径：一种是引入简化假设，将问题方程和边界条件 简化成易于求解的状况，从而得出近似解。但这种方法只是在有限的情况下，因为 过多的简化可能使问题的求解变得误差太大，甚至产生错误。随着电子计算机的飞 速发展，于是人们寻求了另一种方法数值解法。如今，数值解法已经成为了科 学技术问题的主要工具【l 。 蓬勃发展的数值方法又分为两种方法。一类以有限差分法为代表。其特点是直 接求解问题的基本方程和相应定解条件的近似解。有限差分法的基本步骤是：首先把 求解域网格化，然后在网格的节点上用差分方程近似微分方程。现在有限差分法主 要应用于流体力学问题上，在应用固体力学时，当几何形状比较复杂时，它的精度 1 0 东北大学硕士学位论文第二章有限元法的基本原理及a n s y s 分析系统概述 降低，甚至发生困难。 另一类数值分析方法就是有限单元分析方法。有限单元法的基本思想是将连续 的求解区域离散为一组有限个、且按一定方式相互联结在一起的单元的组合体。由 于单元能按不同的联结方式组合，且单元本身又可以有不同的形状，因此可以模型 化几何形状复杂的求解域。有限元法作为数值分析方法的另外一个重要特点就是利 用在每个单元内假设的近似函数来分片地表示全求解域上待求的未知场函数。单元 内的近似函数通常由未知场函数及其导数在单元的各个结点的数值和其插值函数来 表达。这样一来，一个问题的有限元分析中，未知场及其导数在各个结点上的数值 就成为新的未知量( 也即自由度) ，从而使一个连续的有限元自由度问题变成离散的 有限元自由度问题。一经求解出这些未知量，就可以通过插值函数计算出各个单元 内场函数的近似值，从而得到整个求解域内的近似解。显然随着单元数目得到增加， 也即单元尺寸的缩小，或者随着单元自由度的增加及插值函数精度的提高，解的近 似程度将不断改进。如果单元是满足收敛要求的，近似解最后收敛于精确解【1 4 】。 把连续介质离散成一组单元，使无限自由度问题转化成有限自由度问题，再用 计算机求解，这一有限元的基本思想转化为具体实现的过程就是有限元法的基本过 程。 概括的说，利用有限元法处理弹性力学问题的基本思路就是将弹性体的求解区 域分割为有限个单元，通过构造插值位移函数，利用最小位能原理，将总位能求极 值建立线性方程组，从而解得单元节点的位移值，进一步求得应力值。具体可以归 纳为以下三个步骤： 1 离散化，即通常所说的网格划分。它将一个受外力作用的连续弹性体离散 成一定数量的有限小的单元集合体。单元之间只有在节点上互相联系，亦即只有节 点才可以传递力。 2 单元分析。根据弹性力学的基本方程和变分原理建立单元节点力和节点位 移之间的关系。 3 整体分析，对各单元组成的整体进行分析。即，根据节点力的平衡条件建 立有限元方程、引入边界条件、解线性方程组以及计算单元应力”】。 2 2a n s y s 分析系统简介 a n s y s 是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元软件。 它由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国a n s y s 公司开发，能与多数 c a d 软件接口( 如p r o e n g i n e e r 、n a s t r a n 、a l g o r 、i - d e a s 、u g 、s o l i d w o r k s 、 1 】一 东北大学硕士学位论文第二章有限元法的基本原理及a n s y s 分析系统概述 i n v e n t o r 等) ，实现数据的共享和交换，是现代产品设计中的高级c a e 工具之一。 a n s y s 也是日前世界范围内增长最快的c a e 软件，是迄今为止世界范围内唯 一通过1 s 0 9 0 0 1 质量认证的分析类设计软件，是美国机械工程师协会( a s m e ) 、美 国国家核安全局( n q a ) 及近2 0 种专业技术协会认证的标准分析软件。在中国， 它是第一个通过中国压力容器标准化技术委员会认证，并在1 7 个部委推广使用的分 析软件u ”。 2 2 1a n s y s 主要分析功能 结构分析是有限元分析方法最常用的一个应用领域。根据力学性质的不同， a n s y s 的结构分析可分为静力分析、动力学分析( 模态分析、谐响应分析、瞬态动 力学分析、谱分析) 、非线性分析( 几何非线性分析、材料非线性分析、状态非线性 分析) 、优化设计、可靠性分析等几类。 结构分析中计算得出的基本未知量( 节点自由度) 是位移，其它的一些未知变 量如应变、应力和反力可通过节点位移导出。 静力分析用于求解静力载荷作用下结构的位移和应力等。静力分析包括线性和 非线性分析。而非线性分析涉及塑性、应力刚化、大变形、旋转软化、大应变、超 弹性、粘弹性、接触和蠕变等各类情况。 模态分析用于计算结构的固有频率和模态。 谐响应分析用于确定结构在随时间任意变化的载荷作用下的响应，分析过程中 容许非线性性质。 谱分析是模态分析的应用拓广，用于计算由于响应谱或p s d 输入( 随机振动) 引起的应力和应变。 屈曲分析用于计算屈曲载荷和确定屈曲模态。a n s y s 可进行线性( 特征值) 和 非线性屈曲分析。 另外，a n s y s 特殊的分析应用还包括断裂力学计算、复合材料分析、疲劳计算、 显式动力分析( 利用a n s y s l s d y n a 进行高度非线性动力学分析，如爆破分析以 及复杂接触问题的计算等) 。 a n s y s 除了可以傲结构分析以外，还可以做多种分析。如热力学分析、磁场分 析、声场分析、流体动态分析等1 7 。 2 2 2a n s y s 软件的主要模块介绍 a n s y s 软件含有多种有限元的分析能力，包括从简单线形静态分析到复杂非线 】2 东北大学硕士学位论文第二章有限元法的基本原理及a n s y s 分析系统概述 性动态分析。一个典型的a n s y s 分析过程可以分为以下三个步骤： 创建有限元模型 施加载荷进行求解 查看分析结果 a n s y s 软件功能的强大与其有着很多的模块应用是分不开的，a n s y s 的模块 化结构如图2 1 所示。 图2 1a n s y s 程序的模块化结构 f i g 2 1t h em o d u l a r i z e ds t r u c t u r eo f a n s y s 在有限元的分析过程中，程序通常使用以下三个部分：前处理模块( p r e p 7 ) ， 分析求解模块( s o l u t l 0 n ) 和后处理模块( p o s t l 和p o s t 2 6 ) 。前处理模块为一 个强大的实体建模和网格划分工具，通过这个模块用户可以建立自己想要的工程有 限元模型。分析求解模块即是对已建立好的模型在一定的载荷和边界条件下进行有 限元计算，求解平衡微分方程。包括结构分析、流体动力分析、声场分析、电磁场 分析、压电分析和多物理场的耦合分析( 热应力耦合、流固耦合以及电磁热应 力耦合) 等。后处理模型是对计算结果进行处理，可将结果以等值线、梯度、矢量、 粒子流及云图等图形方式显示出来。也可以用图表、曲线的方式输出i l 引。 下面对a n s y s 软件三种模块的功能进行一下简要的介绍： 1 3 东北大学硕士学位论文第二章有限元法的基本原理及a n s y s 分析系统概述 1 前处理模块( p r e p 7 ) a n s y s 软件的前处理模块主要实现三种功能：参数定义、实体建模和网格划分。 ( 1 ) 参数定义 a n s y s 程序在进行结构建模的过程中，首先要对所有被建模型的材料进行参数 定义。包括定义使用单位制，定义所使用单元的类型，定义单元的实常数，定义材 料的特性及使用材料库文件等。 在单位制的制定中，a n s y s 并没有为分析指定固定的系统单位。除了磁场分析 外，可以使用任意一种单位制，只要保证输入的所有数据都是使用同一单位制里的 单位即可【19 1 。 单元类型的定义是结构进行网格划分的必要前提，a n s y s 程序根据所定义的单 元类型进行实际的网格划分。而单元实常数的确定也依赖于单元类型的特性。 材料的特性是针对每一种材料的性质参数。例如在对材料进行线性分析的过程 中，首先要知道这种材料的弹性模量和泊松比。在一个分析过程中，可能有多个材 料特性组，每一组材料特性有一个材料参考号，a n s y s 通过独特的参考号码来识别 每一个材料特性组。 ( 2 ) 实体建模 在实体建模过程中，a n s y s 程序提供了两种方法：从高级到低级的建模与从低 级到高级的建模。 对于一个有限元模型，图元的等级从低到高分别是：点、线、面和体。a n s y s 程序提供了很多高级图元的建立，如球体、圆柱等。当用户直接构建高级图元时， 程序则自动定义相关的低级图元( 面、线和点) 。此外，用户也可以先定义点、线、 面，然后由所定义的图元生成体。无论用户采用哪种方式进行建模，都需要进行布 尔操作来组合结构数据，以构建用户想要得到的模型。例如加运算、减运算、相交、 删除、重叠和粘贴等。 ( 3 ) 网格划分 a n s y s 系统的网格划分功能十分强大，使用起来十分便捷。从使用选择的角度 来讲，程序的网格划分可以分为系统智能划分和人工选择划分两种。从网格划分的 功能来讲，则包括四种划分方式：延伸划分、映像划分、自由划分和自适应划分。 延伸划分时将一个二维网格延伸成一个三维网格单元。映像网格划分是将一个几何 模型分解成为几部分，然后选择合适的单元属性和网格控制，分别加以划分生成映 像网格。a n s y s 程序提供了六面体、四面体和三角形的映像网格划分。自由网格划 分是由a n s y s 程序的网格自由划分器来实现的，通过这种划分可以避免不同组件 】4 。 东北大学硕士学位论文第二章有限元法的基各原理及a n s y s 分析系统概述 在装配过程中网格不匹配带来的问题。自适应网格划分是在生成了具有边