（机械设计及理论专业论文）基于ansys的磨床参数化分析系统.pdf

基于a n s y s 的磨床参数化分析系统 摘要 本文在总结机床结构分析发展现状的基础上，针对某型平面磨床加工精 度不高的问题，以a n s y s 有限元软件为平台，利用其二次开发工具，在a n s y s 系统中开发了具有中文界面的集参数化建模、有限元分析、优化分析、热分 析、接触分析于一体的平面磨床有限元分析系统。本系统的成功开发，证实 了以a n s y s 为平台开发专业模块的可行性，提高了工作效率。 首先，本文将a n s y s 二次开发技术应用于平面磨床有限元结构分析，并 开发出实用的程序模块，嵌入a n s y s 并作为a n s y s 程序的一部分。本程序模块 在平面磨床结构分析方面具有创新意义的成果，所归纳总结的a n s y s 开发技 术的基本方法和过程具有普遍的适用性。 其次，结合二次开发界面对磨床部件( 如拖板、立柱) 进行了静态、模 态分析，改进结构。对三种拖板与立柱结构进行优化，优化后三种拖板与立 柱结构的质量分别下降了2 1 5 4 ( 4 8 6 9 蝇) 、1 4 4 6 ( 3 2 7 5 k g ) 、 1 9 3 ( 4 3 7 8 k g ) ；z 向位移量分别减少了1 6 4 3 、2 4 2 、2 6 0 2 ，结构固有 频率变化比较小。 最后，对磨床原始结构进行了位移现场测试。测试结果表明，拖板有较 大的俯仰位移，影响加工精度。对拖板与立柱结构进行接触分析，比较分析 结果与测试结果，发现，楔铁和滚珠丝杠结构的传动间隙是影响平面磨床加 工精度的主要原因。 本文的静、动态分析结果及改进方案对平面磨床的设计和结构改进具有 重要的参考价值。 关键词：平面磨床有限元a n s y s 二次开发优化设计接触分析 静态测试 g r i n d e rp a r a m e t r i ca n a l y s i ss y s t e m b a s e do na n s y s a b s t r a c t b a s e do nt h es t a t e o f - t h e a r to fs t r u c t u r a l a n a l y s i s o fm a c h i n e t o o l ， c o n s i d e r i n gt h el o w e ro fp r o c e s sp r e c i s i o no fs u r f a c eg r i n d e r , a n dt a k i n ga n s y s a st h ep l a t f o r m ，a n du s i n gi t ss e c o n d a r yd e v e l o p m e n tt o o l s ，t h i sa r t i c l ed e v e l o p e d t h es u r f a c eg r i n d i n gm a c h i n ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss y s t e mw h i c hh a sc h i n e s e i n t e r f a c ea n di n t e g r a t et h ep a r a m e t r i cm o d e l l i n g ，t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，t h e o p t i m i z e da n a l y s i s ，t h e t h e r m a l a n a l y s i s ，a n d t h ec o n t a c t a n a l y s i s w i t h d e v e l o p m e n to f t h i ss y s t e m ，t h ef e a s i b i l i t yt h a tr e g a r d sa n s y sa st h ep l a t f o r mo f d e v e l o p i n gp r o f e s s i o n a l m o d u l ew a sv e r i f i e da n dw o r k i n ge f i c i e n c yw a s i m p r o v e d f i r s t l y , t h i sa r t i c l ea p p l i e d t h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n t t e c h n i q u eo fa n s y s t os u r f a c eg r i n d i n gm a c h i n ef i n i t ee l e m e n tc o n s t r u c t i o na n a l y s i sa n dd e v e l o p e da p r a c t i c a lp r o c e d u r em o l dp i e c e a n ds e ti ti na n s y sa s a p a r t o ft h e p r o g r a m m e r t h i sp r o c e d u r em o l dp i e c ei s ac r e a t i v ea c h i e v e m e n tf o rs u r f a c e g r i n d i n gm a c h i n ec o n s t r u c t i o na n a l y s i s t h e e s s e n t i a lm e t h o da n dp r o c e d u r e i n c l u d e di nt h i sa r t i c l ef o rt h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n to fa n s y sh a v ea w i d e s p r e a da p p l i c a b i l i t y s e c o n d l y , i tt o o ks t a t i ca n dm o d a la n a l y s i st ot h eg r i n d i n gm a c h i n ep a r t s ( f o re x a m p l ep l a n k e r ，p i l l a r ) ，b yc o m b i n i n gs e c o n d a r yd e v e l o p m e n ti n t e r f a c e s ， i m p r o v e dt h ec o n s t r u c t i o n b a s e do nt h ei m p r o v e dp r o j e c t s ，t h r e ek i n d so f p l a n k e r a n dp i l l a rw a so p t i m i z e db yu s i n gs u b p r o b l e mm e t h o di na n s y s ，a f t e rt h e n ， t h ew e i g h to fp l a n k e ra n dp i l l a rw a sd e c r e a s e ds e p a r a t e l y21 5 4 ( 4 8 6 9 k g ) 、 1 4 4 6 ( 3 2 7 5 k g ) 、1 9 3 ( 4 3 7 8 k g ) ；z a x i sd i s t o r t i o nd e c r e a s e ds e p a r a t e l y 1 6 4 3 、2 4 2 、2 6 0 2 ，a n dt h en a t u r a lf r e q u e n c ya l s ol i t t l ec h a n g e a tl a s t ，t h eo r i g i n a ls u r f a c eg r i n d e rw a sf i e l dt e s t e d t h er e s u l ti n d i c a t e dt h a t t h ep l a n k e rh a sp i t c h i n gd i s t o r t i o n ，e f f e c tt h ep r o c e s sp r e c i s i o no fg r i n d e r c o m p a r e dt h ea n a l y s i sr e s u l tw i t ht h et e s t r e s u r ， f i n a l l yd i s c o v e r e d ，t h eb a l l s c r e ws t r u c t u r et r a n s m i s s i o ng a pa n dw e d g ei st h ep r i m a r yf a c t o rw h i c ha f f e c tt h e p r o c e s sp r e c i s i o no f s u r f a c e g r i n d e r 。 t h er e s u ko fs t a t i ca n a l y s i s ，d y n a m i ca n a l y s i sa n di m p r o v e dp r o j e c t sw i l l p r o v i d es i g n i f i c a n tr e f e r e n c ef o r t h ed e s i g na n ds t r u c t u r ei m p r o v e m e n to fs u r f a c e g r i n d e r k e yw o r d s ：s u r f a c eg r i n d e r ；t h ef i n i t ee l e m e n t ；a n s y s ；s e c o n d a r y d e v e l o p m e n t ；o p t i m i z e da n a l y s i s ；c o n t a c ta n a l y s i s ；s t a t i ct e s t v 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所里交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文 的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含 本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集 体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：祷，哼，电 学位论文使用授权说明 训7 r 年g 月计日 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 固卸时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 黼一跨弛翩魏阳魄，年s 月圹日 基于 n s y s 的磨床参教化分析系茂 1 1 引言 第一章绪论 机床作为机械工业的基本生产设备是工业化生产的一个重要组成部分，它的设计 和制造水平直接影响其它机械产品的生产技术水平和经济效益，已经成为衡量一个国 家制造水平的重要标志。平面磨床作为一种重要的机械零件精密加工设备，具有精度 高、结构紧凑、传动平稳可靠和通用性好的特点，广泛应用于加工尺寸精度和表面质 量要求较高的机械零件，在机床设备中占有较大的比例。随着现代制造日益向高速、 高效和自动化方向的发展，对磨床加工性能的要求也越来越高。 当前针对磨床结构的强度、刚度问题已运用大型有限元a n s y s 软件进行计算分析， 对磨床的主要部件，如床身的静态、主轴的模态以及铸造温度场分析，已经取得了很 好的效果【l h s l 。但仍存在着很多问题，例如有限元模型的参数化程度不高，生成的模 型不便修改。在用三维有限元模型描述磨床实际结构时，建模和输入数据准备工作要 耗费大量的人力和时问，建立有限元模型耗费的时问直接关系到整个分析的周期。且 这种建模方式不能很好地适应磨床结构计算、设计的动态修改特性。对于同类型的磨 床，结构形式相似，仅仅是结构构件几何尺寸上的区别，如果采用常规的计算分析方 式，则每一个磨床部件都需要重新建模，这样重复的工作量将非常庞大。 为克服上述重复建模与分析带来的问题和能在短期内设计出符合客户要求的产 品，有必要开发出套适合磨床设计人员专用的平面磨床参数化分析系统，把设计人 员从繁重的重复工作中解放出来，本课题正是在此背景下提出来的。本文针对实际工 程需要，利用a n s y s 软件的二次开发功能进行界面设计技术与参数化技术的有限元分 析应用研究。 1 2 基于a n s y s 的参数化二次开发研究现状 从目前的发展来看，参数化几何造型系统所涉及的领域非常有限，而且所能处理 的对象也是一些几何形状较为简单的模型。如果着手开发参数化复杂三维结构的几何 基于a n s y s 的磨床参敦瞅玢析习筑 造型系统，可以预见它耗费的代价将是巨大的，因此人们把目光纷纷投向了通用有限 元软件，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 型数据在软件问的交换己不成问题。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 提供的a p d l 语言， 它类似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。借助于 通用有限元的二次开发功能，对它们的前处理进行二次开发，实现参数化的有限元建 模，已成为很多学者首选方案。 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) 的方法。b o t k i n l 9 1 1 川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。 、 从2 0 世纪7 0 年代以来随着计算机技术的飞速发展，结构分析有了很大的突破，国 外相继出现了许多大型通用有限元分析程序，如a n s y s 、a d i n a 、a l c k ) r 等，这些 程序具有良好的界面、方便的前后处理和强大的计算分析功能。a n s y s 是顺应潮流 而发展起来的c a e 仿真设计工具，它牢牢把握了c a e 的发展方向。提供了从通用到专 用的全线c a e 解决方案，同其它c a e 软件一样，a n s y s 具有完备的前后处理系统， 并且与其它大部分c a d c a e 软件一样都具有专用的数据接口，具有丰富的单元类型、 强大的计算分析功能以及开放的二次开发系统，在机械工程领域有广泛的应用前景。 a n s y s 作为大型通用有限元分析软件，与专业软件比较，其分析功能实现起来 比较复杂。a n s y s 提供的二次开发功能可以使用户开发出方便地分析某一类问题的 专业程序【1 1 1 目前参数化有限元的研究主要是实现前处理的参数化。国内外许多学者 在这方面做了一些探索性工作： 国内对a n s y s 进行二次开发的主要是高校和科研机构，已取得了很好的效果。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，该 软件包含4 0 多类压力容器结构n 2 l 。南昌大学的黎雪芬【1 3 l 采用基于参数化的有限元法， 对板料成形工艺参数优化进行了深入的研究，利用交互式参数化有限元分析方法对典 2 广西，“塾胃睦掣q 立论文基于a n s y s 的磨床参数代骨析系统 型的方盒件工艺参数进行了优化研究，其优化结果与试验结果基本吻合，表明优化方 案高效、可行。中国海洋大学粱永超【1 4 1 利用a n s y s 的a p d l 程序开发了适合于导管架 平台结构分析的专用程序模块，所开发的专用程序的参数化有限元建模节省了大量的 重复工作提高了效率，所归纳总结的a n s y s 开发技术的基本方法和过程具有一定的适 用性。武汉理工大学操安喜【1 5 1 利用a n s y s 的二次开发技术开发了典型船舶结构舱段有 限元计算分析模板，所开发的参数化计算程序通过实例也得到了验证。南京航空航天 大学的陈伟等1 1 6 】利用有限元分析软件a n s y s 提供的a p d l 语言，将参数化设计的思 想融入有限元结构分析，实现了有限元建模和分析参数化，以典型构件波纹管的应力 分析为例，给出了这方法与基本步骤。结果表明，这种方法极大地减轻了有限元分 析的工作量，提高了工作效率。东北大学的谢里阳【l7 】利用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。 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。 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 1 5 】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，让计算机自动生成模型、划分网格、加载、分析。软件大 大提高了分析的效率，节省了工作时间 从以上的众多成功实例中可知，利用a p d l 和u i d l 语言进行二次开发是可行的，且 经过= 次开发提高了结构有限元分析的效率。 1 3 本文的研究目的和意义 有限元结构软件是专业性很强的软件，需要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。平面磨床的系列化结构特点， 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，无谓地延长了设 计周期。 为了克服上述重复建模与分析带来的问题，在有限元建模与分析的过程中，引入 结构参数化设计的思想，使有限元建模与分析实现参数化，对前、后处理均采用参数 化的模块封装，可以实现有限元分析过程的全程参数化。开发出一套基于a n s y s 的平 墓于a n s y s 的磨床参戮喇汾析系统 面磨床参数化分析系统，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计算机来处理。分析完毕后，通过点击后处理菜单，打开查看 结果的菜单，根据分析类型，可直观的得到信息。优化分析时，用户可通过对话框输 入参数，调用编译好的参数化分析文件进行分析。用户可在工作目录里找到分析结果， 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。 因而，运用该平面磨床参数化分析系统避免分析过程中大量的重复性操作，可以 大大提高分析的效率。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平面磨床主要部件的结构分析。从事平面磨床 设计的操作人员只需输入前处理参数，让a n s y s 自动进行处理、求解和后处理，然后 输出磨床部件的结构分析计算结果，从而优化磨床部件结构 1 4 本文主要研究内容 本论文运用a n s y s 分析软件中的二次开发功能，在a n s y s 分析软件的原来界面中 添加平面磨床分析系统。其主要研究内容有： l 、为了分析方便，本文把需要修改的结构尺寸用参数变量代替，即用a p d l 宏语 言进行建模及分析，从而建立参数化文件。使模型结构参数化、网格划分以 及力和约束的位置自动化，通过修改参数尺寸可以更好、更快的修改模型， 并进行分析 2 、以a p d l 语言为核心，运用u i d l 语言受t a n s y s 进行二次开发，通过界面菜单和对 话框，就可直接调用目标目录下的a p d l 宏文件，进行自动建模分析，用户可 通过修改参数，方便的进行设计分析，打造用户需要的结构和功能。最后再 对分析完的过程进行后处理，提供具体的详实可靠的数据、动态或静态的变 形图、及热变形图等等。此部分为本论文的核心部分。 3 、点击二次开发后a n s y s 软件中的部件建模、分析菜单和对话框，修改模型 结构，对磨床各部件进行不同工况下的静态和模态分析，并进行对比分析， 确定合理的部件结构； 4 、点击用户自定义界面中的优化菜单和对话框，对大型部件，如拖板与立柱、 4 | i 于a n s y s 的曩 庳参奢呲分析膏筑 前后床身进行优化分析，通过优化分析，既可使结构更合理，又可减轻磨床 重量，降低成本； 5 、对磨床进行现场位移测试，分析实验结果，并对拖板与立柱进行接触分析， 结合接触分析结果，找出影响加工精度的主要因素。 5 广西大掌硕士掌位论文| ：于a n s y s 的置 库参教化分析习0 统 第二章参数化设计技术及a n s y s 二次开发 2 1 参数化设计技术 2 1 参数化设计概念 参数化设计( p a r a m e t r i c d e s i g n ) 是c a d 技术在实际设计应用中被提出、并得到 迅速发展的有着强大使用价值的技术1 9 1 - 2 “它采用参数预定义的方法建立图形的几 何约束集，指定一组尺寸作为参数使其与几何约束集相关联，并将所有的关联式融入 到应用程序中；然后通过对话框以人机交互方式修改参数尺寸，最终由程序根据这些 参数及其变化顺序地执行表达式来实现设计的方法 2 2 1 2 3 1 工程设计需要多次反复的修改，对形状和尺寸要进行综合协调和优化，尤其对于 结构形式变化不大或设计过程较为稳定的产品，更需要根据实际情况自动选择设计方 案或修改尺寸，这就需要参数化设计。在平面磨床传统的设计过程中，不同设计人员 构思的设计方案也可能不同，再加上其结构形式多样，设计时涉及到的参数众多，计 算公式繁琐，人工计算效率低且很容易出现差错。显然这种传统的手工设计方法已经 不能够适应目前工程机械发展的需要，而应用计算机则可以快速准确地得到计算结 果，并可以进行多个方案的比较，从而得到优化的设计结果。参数化设计为产品模型 的可变性、可重用性、并行设计等提供了手段，使用户可以利用以前的模型方便地重 建模型，并可以在遵循原设计意图的情况下方便地改动模型，生成系列产品，大大地 提高生产效率 因此，研制与开发新的参数化设计计算系统来快速设计出安全、经济、合理的平 面磨床的要求已迫在眉睫。 2 1 2 参数化设计的实现 在有限元的应用领域，参数化技术的使用是局部的、有限的，多数的应用都集中 在有限元建模领域所谓参数化建模，是指输入某些参数后，计算机首先读出有限元 模型数据( 原始数据) ，然后进行必要的转换和修改，再自动生成有限元模型，从而避 免复杂的有限元建模过程。平面磨床一般由前床身、工作台、后床身、拖板、立柱、 6 | i 于a n s y s 的磨床事羲稍：分析系统 磨头六部分组成。平面磨床的结构型式差不多，结构尺寸可由一些特征参数来描述， 确定了这些参数也就确定的平面磨床部件的体形。提取出这些参数，然后在a n s y s 中 利用其二次开发技术实现平面磨床的参数化有限元建模，可以大大提高a n s y s 分析平 面磨床加工精度的效率。 参数化建模涵概面很广，通常主要是指参数化造型。它是一种使用重要几何参数 快速构造和修改几何模型的造型方法，这些重要的几何参数包括控制形体大小的尺寸 和定位形体的方向矢量等。参数化建模也指由应用软件生成的图形具有参数化的功 能具体可理解为图形的所有尺寸是参数化的，可以动态修改。参数化建模是实现分 析计算自动化的主要手段之一参数化造型软件的研究开始于1 9 8 5 年p t c 公司的 p r o e n g i n e e rv i 0 参数化造型用于基本结构形状类似但是具体尺寸参数有较小变 动的系列。根据获得参数值的方法，可以将常见的参数化方法分成以下的几种：代数 法、人工智能法、直接操作法和语言描述法1 2 4 1 。 一、参数化设计方法 这里重点讲下语言描述法，语言描述法是使用语言描述图形的方法。用户使用造 型语言来定义带有参数的体索，再用这些体素来描述几何图形。也可以先绘制体素， 系统自动生成几何体的描述语言，再修改描述语言中的某些参数，以生成新的体素。 a n s y s 提供的参数化语言( a p d l ) 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。 基于a p d l 三维参数化设计的开发方法有两种：1 、应用特征描述法利用a p d l 提供的函数完成特征建模，并建立人机对话框，实现三维参数化设计，此方法程序设 计繁琐，对于形状复杂的产品来说，用程序来生成三维模型非常困难；2 、采用三维 模型与程序控制相结合的方式，基本过程为在a n $ y s 环境下利用交互方式生成三维 模型，然后在己创建的零件三维模型的基础上，根据零件的设计要求建立一组可以完 全控制三维模型形状和大小的设计参数。参数设计程序针对该零件的设计参数进行编 程，实现设计参数的修改和根据新的参数值生成新的三维模型的功能，其流程如图2 1 所示。此种方法可以生成形状复杂的产品模型，编程相对来说较简单。 7 基于a n s y s 的磨床参戴删：分析系兢 图2 1 参数化建模流程 f i g 2 ip a r a m e l h i cm o d e l l i n gp r o c e s s 用程序控制模型进行三维参数化设计的开发，主要包括3 项：参数对象的获取和 显示：参数对象的更新修改；模型的再生。 二、参数化有限元分析步骤 本文根据结构的设计特点与分析要求，用参数描述其特征尺寸，并在建立有限元 模型与分析时，以参数表征其过程，从而实现可变参数的有限元分析。这实质上是一 种采用语言描述法进行结构的参数化设计，而后进行有限元分析的方法瞄1 。具体实施 步骤如下： ( 1 ) 利用参数化设计思想，根据模型的几何结构抽象出描述模型的特征参数，并 对分析模型在不影响精度的情况下适当简化。 ( 2 ) 用a n s y s 的命令流文件建立包含实体建模、分析过程、结果处理过程的有限元 分析流程。 ( 3 ) 用a p d l 语言将抽象出的特征参数代替建模中的参数，构成可变参数的有限元 分析流程。 ( 4 ) 根据设计分析要求，将参数赋予具体的特征值，并进行有限元计算分析，获 取结果。 前三步工作完成后，在进行分析时只需重复第四步就可不断获得新的分析结果， 对于具体使用人员甚至无需了解有限元的具体分析过程与方法，就可得到有限元分析 结果。参数化有限元分析的核心内容是编制可变参数的有限元分析流程文件，其中应 包含以下四项内容： ( i ) 以变量形式定义特征参数并赋值。 ( 2 ) 用特征参数表征的实体建模过程描述。 ( 3 ) 分析类型与分析过程的定义。 ( 4 ) 分析结果的提取与处理定义。 8 l 于a n s y s 的磨床参羲化分析膏藏 上述分析流程文件可在熟知a n s y s 软件命令的基础上，使用文本编辑器进行编写 编写完毕后，使用时，只需根据设计分析模型的参数值，对特征参数的数值进行修改 即可获得新的分析流程文件。 2 2a n s y s 二次开发技术 a n s y s 软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体，以有限元分析为基础的大 型通用c a e 软件，它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，至今己经发展到了a n s y s i i 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 h h i s l f 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。 标准a n s y s 程序是一个功能强大、通用性好的有限元分析程序，同时它还具有 良好的开放性，用户可以根据自身的需要在标准a n s y s 版本上进行功能扩充和系统 集成，生成具有行业分析特点和符合用户需要的用户版本的a n s y s 程序。开发功能 包括以下部分组成： 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 ) 用户程序特性( u p f s ) 其中a p d l ( a n s y sp a r a m e t r i cd e s i g nl a n g u a g e ) 是一种非常类似于f o f l t a n 7 7 的参数化设计解释性语言，其核心内容为宏、参数、循环命令和条件语句，可以通过 建立参数化模型来自动完成一些通用性强的任务；u i d l ( u s e ri n t e 向c ed e s i g n l a n g u a g e ) 是a n s y s 为用户提供专门进行程序界面设计的语言，允许用户改变a n s y s 的图形用户界面( g u i ) 中的一些组项，提供了一种允许用户灵活使用、按个人喜好来 组织设计a n s y s 图形用户界面的强有力工具；u p f s ( u s e rp r o g r a m m a b l ef e a t u r e s ) 提供了一套f o r t r a n 7 7 函数和例程以扩展或修改程序的功能，该项技术充分显示了 a n s y s 的开放体系，用户不仅可以采用它将a n s 、r s 程序剪裁成符合自己所需的任何 组织形式( 如可以定义一种新的材料，一个新的单元或者给出一种新的屈服准则) ， 9 a l l g 予a n s y s 的磨床参魏化分析系统 而且还可以编写自己的优化算法，通过将整个a n s y s 作为一个子程序调用的方式实 现。 鉴于上述特点，近几年来，a n s y s 软件在国内外工程建设和科学研究中得到了广 泛的应用。但这些应用大多局限于直接运用a n s y s 软件进行实际工程分析，对利用 a n s y s 提供的二次开发工具进行有限元软件设计却很少涉及。本文利用a n s y s 软件的 二次开发功能，运用a p d l 语言、u i d l 语言对a n s y s 进行二次开发，编制了磨床重要 部件结构设计分析程序。 2 2 1a n s y s 的参数化编程语言( p d l ) a n s y s 参数化设计语言( a n s y sp a r a m e t r i cd e s i g nl a n g u a g e ，a p d l ) 是- - f u 可用 来自动完成有限元常规分析操作或通过参数化变量方式建立分析模型的脚本语言，用 建立智能化分析的手段为用户提供自动完成有限元分析过程，即程序的输入可设定为 根据指定的函数、变量以及选用的分析类型来做决定，是完成优化设计和自适应网格 的最主要的基础。a p d l 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，如分析模型的尺寸、材料的性能，载荷、边界条件旌加的位置和网格的密 度等。a p d l 扩展了传统有限元分析的范围，并扩展了更高级运算包括零件库参数化 建模、设计修改和设计优化、热分析等。 一、参数化流程控制 a n s y s 程序总是逐行执行命令，即按顺序逐条语句的执行命令但是，有时需 要改变程序执行的顺序、重复执行语句块等，这就需要一套控制程序流程的方法陋铡， a p d l 语言典型语句介绍： l 、* i f - * i f e l s e - * e l s e - * e n d i f 条件分支 a p d l 可以有选择地执行多个语句块中的一个，通过比较两个数的值( 或等 于某数值的参数) 来确定当前所满足的条件值。* i f 命令的使用格式如下，口中 值域表示可以不输入。 i f ，v a l l ，o p e r l ，v a l 2 ，b a s e l ，v a l 3 ，o p e r 2 ，v a l 4 ，b a s e 2 】 其中：v a l l 是比较的第一个数值( 或数字参数) ； o p e r l 是比较运算符，有以下八种：e q ( 等于) 、n e ( 不等于) 、l t ( 小于) 、 g t ( 大于) 、l e ( 小于或等于) 、g e ( 大于或等于) 、a b l t ( 绝对值小于) 、a b g t ( 绝对值大于) ； 1 0 | ；于a n s y s 的魔f 庳参舅化分析勇0 晓 v a l 2 是比较的第二个数值( 或数字参数) ； b a s e l 是第一个条件( o p e r l ) 为真时执行的操作，如果后面没有第二个条件 ( o p c r 2 ) ，则b a s e l = t h e n ；如果后面有第二个条件( o p e r 2 ) ，则b a s e l 取下列 值，从而将两个条件组合成一个更复杂的条件； a n d ：表示o p 盯1 与o p t 2 条件同时为真时结果为真； o r ：表示o p e r l 与o p e r 2 都为假时结果为真； v a l 3 是比较的第三个数值( 或数字参数) ： 0 p e r 2 是比较运算符，与o p 盯l 一样，但用于比较v a l 3 和v a 1 4 ： v a i a 是比较的第四个数值( 或数字参数) ； 一个完整的i f - t h e n - e l s e 条件结构中，所有的比较条件判断中只有一个为 真并执行属于它的语句块，假如所有比较条件都不为真则执行* e l s e 命令后的程 序体。图2 - 2 是一个i f t h e n - e l s e 条件结构实例。 i f , l b ，e q , 1 ，t h e n ! b l o e k l e l s e i f , l b ，e q , 2 1 b l o c k 2 + e l s e i f , l b j t q , 3 1 8 1 0 c k 3 + e l s e ! b l o c k 4 e n d i f 图2 - 2i f - t h e n e l s e 结构举例 f i g 2 - 2t h ei l l u s t r a t i o no f i f - t h e n - e l s es t r u c t u r e 2 、从数据库提取数据并赋值给参数： + g e t ，p a r ，e n t i t y ，e n t n u m ，i t e m i ，i t i n u m ，i tm 2 ，i t 2 n u m p a r ：参数名；e n t i t y ：实体名( 如n o d e ，e l e m ，k p ，l i n e ，a r e a 或v o l u ) ： e n t n u m ：实体编号；i t e m l ：项目编号。 基于a n s y s 的磨床毒教化分析习l 筑 例：从数据库提取静态分析的z 向变形量，便于优化分析需要 n s o r t , u z g e t , , z m a x , s o r t m a x * g e t , z m i n ，s o r t m i n 二，a p d l 宏文件 宏是包含一系列a n s y s 命令并且后缀为m a c 或m a c ：的命令文件。宏文件往往 记录一系列频繁使用的a n s y s 命令序列，实现某种有限元分析或其它算法功能。宏 文件在a n s y s 中可以当作自定义的a n s y s 命令迸行使用，可以带有输入参数，也 可以有内部变量，同时在宏内部可以直接引用总体变量。除了执行一系列a n s y s 命 令外，宏还可以调用g u i 函数或把值传递给参数。 宏文件可以相互嵌套，相互调用，即一个宏可以调用另一个宏。宏文件允许最多 嵌套2 0 层，其中包括由a n s y s 命令i n p u t 执行任何文件读入操作。每次嵌套的宏 执行完毕后，a n s y s 程序的控制权仍回到前一个宏之 f t 3 0 。 三、a p d l 参数化语言的优点 a n s y s 软件提供了两种工作模式，即人机交互方式( 6 0 i 方式) 和命令流输入方式 ( b a r c h 方式) 。 g _ u i 方式适合做简单的有限元分析模型，但对于一个复杂的有限元模型，由于一 个分析的完成往往需要进行多次的反复，特别是当要对模型进行修改后再进行分析 时，在g u i 方式中就会出现大量的重复操作，这些重复工作有时会占有大量的计算 时间。简单而繁杂的重复工作有时甚至会影响到设计人员的心情，从而造成模型分析 质量的下降。另外使用g u i 方式往往会生成大量的文件，对于一个较大的分析模型， 其生成的数据文件很大，因此非常不方便交流。 而对于命令流输入方式来说，它具有下列优点： l 、可以减少大量的重复工作，特别适用于经少许修改( 如修改网格的密度) 后 需要多次重复的场合，可为设计人员节省大量的时间，以利于设计人员有更多的精力 来从事产品的构思。 2 、便于保存和携带，一个a p d l 的a s c i i 文件一般很小，其数据文件的容量仅 为g u i 数据文件的千分之一，无论是在网上或平常的交流都很方便。 3 、不受a n s y s 软件的版本的限制。一般情况下，a n s y s 软件以g u i 方式生成 的数据文件只能向上兼容一个版本，也就是a n s y s l 0 0 版本的软件只能调出 1 2 墓于a n s y s 的磨床参舞“匕分析毒麓 a n s y s 9 0 版本的数据文件，而不能直接调用a n s y s 9 0 及以前的数据文件。而a p d l 文件则不存在这个限制，仅有个别命令会有影响。 4 、利用a p d l 语言，用户很容易建立参数化的零件库，以利于其快速生成有限 元模型。可以利用a p d l 从事二次开发。在进行优化设计时，则必须使用a p d l 文件。 一般a p d l 文件的取得方法是充分利用第一次分析时生成的l o g 文件，对这个 文件作适当的修改即可得到自己的命令流文件，再添加一些a p d l 控制命令，就可以 得到a p d l 宏文件了 2 2 2 惦y s 用户界面设计语言( u 1 0 1 ) 利用a n s y s 用户界面设计u i d l 语言( u s e ri n t e r f a c ed e s i g nl a n g u a g e ) 可以修改 a n s y s 应用程序的主菜单及各级菜单，对话框和在线帮助等f 3 i 】删。u i d l 是一种程序 化的语言，它允许用户改变a n s y s 的图形用户界面( g u i ) 中的一些选项。以使用户开 发的程序融入a n s y s 环境。u i d i 在a n s y s 的命令重组、架设其他用户程序与a n s y s & 间 的桥梁方面起到不可低估的作用。通过把u i d l 命令流写入控制支件( 后缀为g r n ) ， 用户可以在扩充a n s y s 功能的同时建立起对应的图形驱动界面，u i d l 主要完成以下3 种 图形界面的设计： 主菜单系统及菜单项 对话框和拾取对话框 帮助系统 a p d l 参数化语言在开发应用程序上具有强大的功能，但在图形用户界面的开发 上则相当有限。u i d l 为应用程序的驱动界面提供了强大的开发工具。实际上，a n s y s 界面的汉化也可通过u i d l 实现。 一、u i d l 控制文件总结构 由u i d l 语言编写的程序文件称为控制文件，控制文件必须把g r n 作为扩展名。在 a n s y s 中，所有的菜单和标准对话框都是由控制文件建立起来的。 每个u i d l 程序都包含一个控制文件头和一系列的构筑模块。构筑模块由一系列 u i d l 命令组成，用来创建图形用户界面g u i 的内容。在u i d l 中，构筑模块一般分为两 类，一类是菜单模块，用来创建图形用户界面g u i 的菜单；另一类是功能模块，用来 创建图形用户界面g u i 的对话框。当重新启动a n s y s 时，u i d l 程序被执行。程序处理器 阅读控制文件( u i d l 源程序) ，并在控制文件中插入a n s y s 索引信息，这样新的图形用 | ；于, n s y s 的磨床参数化分析膏t 筑 户界面就会出现。 控制文件相当于用u i d l 语言编写的源程序文件，它包含一个控制文件头和至少一 个构筑模块。控制文件头和构筑模块都有严格的格式。一个完整的u d l 控制文件结 构大致如图2 3 ： 图2 - 3 控制文件结构 f i g 2 - 3c o n t r o ld o c u m e n ts t r u c t u r e 控制文件名的命名规则同f o r t r a n 语言中文件的命名，但必须以g r n 为文件的扩 展名。在a n s y s 中，所有的菜单和标准对话框都是由控制文件建立起来的，这些控制 文件被保存在c ：p r o g r a f i l e s