（机械工程专业论文）基于ansys的大型船用螺旋桨数控龙门式砂带磨床的参数化分析.pdf

中文摘要 摘要 螺旋桨作为轮船的重要部件，其加工制造技术也成为了船舶工业的核心技术 之一。由于国内的砂带磨削的发展时间比较短，虽然在一些领域有所突破但是在 结构和控制系统设计都相对复杂的数控砂带磨床的发展还是落后于发达国家。本 课题基于以上原因而提出对砂带磨床的整体和关键部件进行结构分析和优化设计。 从而降低该机床的结构方面和国外的差距。通过结构分析和优化设计得到结构强 度满足设计要求而且用的材料大大降低的目的，从而使机床的整体成本也有了较 大的降低。从数控变形误差补偿角度来讲，通过静力分析所得到的磨头接触轮在 四个位置三个方向的变形量，通过四个位置的变量生成一条通过四个点的光滑曲 线。在生成数控加工代码的过程中，对磨头在加工移动过程中进行位移量补偿， 从而减小了静态变形的影响。 本文在总结机床结构分析发展现状的基础上，针对数控龙门式砂带磨床的结 构分析问题，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 统中开发了具有界面的集参数化建模、有限元分析、加载和求解、结果分析与提 取于一体的龙门式砂带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 技术应用于龙门式砂带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。本程序模块在龙门式砂带磨床结构分析方 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的整体进行了静态、模态分析，改 进结构。通过分析结果可以得到接触轮的位移变形是最大的，而且可以得到最大 变形量。本文中分别取磨头在横梁上移动的四个位置并得出每个位置的变形量， 通过分析磨头接触轮不同方向的位移量就可以得到磨头在移动过程中各个方向的 变形曲线。通过该曲线一方面可以很直观的观察到各个方向的具体变形量，为结 构设计提供参考。另一方面为后期的数控代码补偿提供了数据支持。通过对机床 的整体进行模态分析分析可以得出了各阶的振型和共振频率，通过修改结构的刚 度和质量来防止机床在工作过程中发生共振。 关键词：a n s y s ，龙门式砂带磨床，静态分析，模态分析，参数化设计 重庆大学硕士学位论文 i i 英文摘要 a b s t r a c t a st h em a j o rp a r t so fm ep r o p e l l e r ，i t sm a n u f a c t u r i n gt e c l l i l 0 1 0 9 yh a sb e c o m et h e c o r e t e c l l i l o l o g y o fm es h i p b u i l d i n gi n d u s 吼b e c a u s ed o m e s t i cb e l t 面n d i n g d e v e l o p m e n tt i m ei ss h o r t ，a l t h o u g hi t h a ss o m eb r e a k t | l r o u 曲i ns o m e6 e l d s ，t h e r e l a t i v e l yc o m p l e xn u m 鲥c a lc o n t r 0 1b e l t 舒n d i n gm a c h i n ei ns t r u c t u r ea i l dc o n t r o l s y s t e md e s i g nl a g sb e h i n dt h ed e v e l o p e dc o u n t d e s t h i si s s u ei ti sb a s e do nt h eb o m r e a s o n sa n dm ew h o l eo fb e l t 面n d i n gm a c h i n ea n dk e yc o m p o n e n t sa r ep r o p o s e dt o s t m c t u r ea 1 1 a l y s i sa n do p t i m i z a t i o nd e s i 弘s oa st or e d u c et h ed i s t a n c ei nt h es t m c t u r e a n a l y s i so fm a c h i n et oa b r o a d t l r o u 曲t h es t m c t l 盯ea 1 1 a l y s i sa n do p t i m i z a t i o nd e s i 盟 g e ts t m c t u r es t r e n 舀ht om e e tm ed e s i g nr e q u i r e m e n t s ，t h eo v e r a uc o s ta n dt h em a t e r i a l s o ft 1 1 em a c l l i n eh a sa1 a r g er e d u c e f r o mt h en u m e r i c a lc o n t r 0 1p e r s p e c t i v e ，m r o u g ht h e s t a t i ca n a l y s i st h ef o u rp o s i t i o no ft h e 鲥n d i n gh e a dc o m a c tw h e e li nt l l r e eo ft h e d i r e c t i o no fd e f b n n a t i o nh a v eb e e no b t a i n e d ，t h es m o o t hc u r v ei sd r a w nb yf o u rp o i n t s t h r o u g ht h ef o u rp o s i t i o n s i nm ep r o c e s so fg e n e r a t i n gn cc o d e ，m ed i s p l a c e m e n to f t h e 鲥n d i n gh e a di nt h em a c h j n i n gp r o c e s so fm o v i n gh a sb e e nc o m p e n s a t e d ，t h u st o r e d u c em ei n n u e n c eo fs t a t i cd e f b m a t i o n o nm eb a s e o fs u 姗a r i z a t i o no fm a c h i n es 仇j c t u r e a 1 1 a l y s i so ft h ep r e s e n t d e v e l o p m e n t ，i no r d e rt os o l v et h en m n 甜c a lc o n 仃o lg a n t r y 鲥n d i n gm a c h i n es t m c t u r e a 1 1 a l y s i sp r o b l 锄w i t ha n s y sf i n i t ee l e m e n ts o r w a r ef o rt h ep l a t f o 蛐，a n du s i n gt h e s e c o n d a r yd e v e l o p m e n tt 0 0 1 si na n s y ss y s t e md e v e l o p e dw h i c hh a sac 0 1 1 e c t i o no f i n t e r f a c ep a r a m e t 舐z e dm o d e l i n g ，f i n i t ee l e m e n ta 1 1 a l y s i s ，l o a d i n ga 1 1 dt h es 0 1 v i n g ， r e s u l ta i l a l y s i sa 1 1 de x 仃a “o ni no n eo fm eg a n t i yb e l t 酣n d i n gm a c h i n ef i n i t ee l e m e n t a n a l y s i ss y s t e m 、m t hd e v e l o p m e n to ft 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 s t h ep l a t f o mo fd e v e l o p i n gp r o f e s s i o n a lm o d u l ew a sv 嘶丘e da n dw o r k i n ge 伍c i e n c y w a si m p r o v e d f i r s y ，t h i sa n i c l ea p p l i e dt h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n tt e c t l i l i q u eo f a n s y st og a n t r yb e l t 鲥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 i l a l y s i sa n d d e v e l o p e dap r a c t i c a lp r o c e d u r em o l dp i e c ea n ds e ti t i na n s y sa sap a r to ft h e p r 0 铲锄 t h i sp r o c e d u r em 0 1 dp i e c ei sac 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 鲥n d i n g m a c h i n ec o n s t m c t i o na i l a l y s i s t h ee s s e n t i a lm e t h o da i l dp r o c e d u r ei n c l u d e di nm i s a n i c l ef o rm es e c o n d a 巧d e v e l o p m e i l to fa n s y sh a saw i d e s p r e a d 印p l i c a b i l i t y s e c o n d l y ，t h es t a t i c ，m o d a la i l a l y s i sa 1 1 di m p r o v i n gt h es t m 咖r ea r ef i n i s h e db y c o m b i n e dw i t hm es e c o n d a r yd e v e l o p m e n to ft l l ew h 0 1 eo fm e 鲥n d i n gm a c h i n e i u 重庆大学硕士学位论文 i n t e r f a c e t h r o u 曲t l l ea n a l y s i so ft h er e s u l t sc a ng e tc o n t a c tw h e e lo fd i s p l a c e i i l e n t d e f o r m a t i o ni st h eb i g g e s t ，a n dc a ng e tt h em a x i m u md e f o n l l a t i o n t h ed e f o n i l a t i o no f t h e 鲥n d i n gh e a di nt h eb e 锄o fm ef o u rp o s i t i o n si so b t a i n e di nt h i sp a p e r t h r o u 曲t h e a n a l y s i so f 鲥n d i n gh e a dc o n t a c tw h e e lm ed i f l 臼e n td i s p l a c e m e n ti nm et i l r e e d i r e c t i o n st h ed e f o 姗a t i o nc u r v ec a j ld r a w n t h r o u 曲m ec u r v eo nt h eo n eh a l l dm a y v e 巧i n t u i t i v eo b s e r v ee a c hd i r e c t i o no ft h es p e c i f i cd e f 0 彻a t i o n 锄o u n t ，t op r o v i d e r e f i e r e n c ef o rs t n l c t u r ed e s i g n o nm eo t h e rh a i l dm ed a t ac a np r o v i d e sas u p p o r tf o r l a t e rn cc o d ei nc o m p e n s a t i o n t h ea n a l y s i so ft h en a t u r a lv i b r a t i o nm o d ea 1 1 dt h e r e s o n a n t1 j r e q u e n c yc a i lb ec o n c l u d e dt l l i o u 曲t h ew h o l eo fm a c h i n e m o d a la 1 1 a l y s i s t h e r e s o n a i l c ei sp r e v e n t e di nm ep r o c e s so fo p e r a t i o nt l l r o u 曲t h em o d m c a t i o ns t m c t l j r e s t j 硒e s sa n dm a s s k e y w o r d ：a n s y s 、g a n t 巧b e l t 咖n d i n gm a c h i n e 、s t a t i ca 1 1 a l y s i s 、m o d a la n a l y s i s 、 p a r 锄e t r i cd e s i 盟 i v l 绪论 1 1 引言 1 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。龙门式砂带磨床作为一种重要的机械零件精密 加工设备，具有精度高、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船用螺旋桨和整体涡轮盘，目前大多数船用螺旋桨的 最后一道修磨工序都是由人工完成。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，重庆三磨海达磨床有限公司与重 庆市科委联合研制了大型船用螺旋桨砂带数控磨床。随着船舶工业的大力发展， 对船用螺旋桨的要求也越来越高了，在这种背景下，仅仅依靠手动加工已经远远 不能满足要求了。因为手动加工的影响因素很多，这样就造成了螺旋桨表面质量 的一致性比较差。该机床则能在满足螺旋桨设计精度的条件下，保证螺旋桨的表 面质量的一致性。 当前针对砂带磨床结构的强度、刚度、模态问题运用大型有限元a n s y s 软件 进行计算参数化分析，对磨床的主要部件，如床身、滑座、滑柱、磨头的静态和 模态以及整体的静态和模态分析，已经取得了很好的效果。但仍存在着很多问题， 例如有限元模型的参数化程度不高，生成的模型总体结构不便修改，只能做一些 壁厚和位置的修改，筋板位置和厚度的修改，以及导轨副和丝杆螺母副结合面的 简化，在大多数情况下都简化为直接把它们简化为绑定接触，这样的简化在总体 的分析来说误差不是很大，如果是要求很高的话，这就必须把滚动导轨副和滚动 丝杠螺母副之间的滚珠和滚道变形考虑进去。由于该机床的加工精度要求比较高， 所以滑座在横梁上的移动过程中计算出磨头接触轮相应的位移量为数控化的插补 工作提供相应的数据。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间，建立有限元模型耗费的时间直接关系到整 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，有必要开发出一套适合该磨床设计人员专用的龙门式砂带磨床参数化分析 重庆大学硕士学位论文 系统，该分析系统不仅在满足要求的条件下节约材料还能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 提供的a p d l 、u i d l 、u f s 等语言，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 - 2 】将这一困难归结为两个方面：对设计模型几何特 征的参数化描述手段比较缺乏；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 g o 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【3 】。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： 1 绪论 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，己取得了很好的效果。 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【4 。南昌大学的黎雪芬 5 】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【6 j 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【7 j 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【8 】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【9 】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。广西大学陈宗帖做的 基于a n s y s 的磨床参数化分析系统。东北大学张耀满等人做的数控机床直线滚动 导轨结合面有限元分析。华中科技大学李修平做的基于a n s y s 的高速加工中心有 限元分析。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零部件和整体结构分析。 国外在a n s y s 二次开发方面有很多的应用。如a 1 e x e yi b o r o v k o v 【j 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。大大提高了软件分析的效率，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，且经过二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。龙门式砂带磨床的结 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。 重庆大学硕士学位论文 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 的龙门式砂带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，运用龙门砂带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，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龙门式砂带磨床主要部件的结构 分析。从事龙门式砂带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 界面中添加龙门式砂带磨床分析系统。其主要研究内容有： 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 语言进行建模及分析，从而建立参数化宏文件。使模型参数化建模、网格划分以 及施加载荷和约束的位置参数化设计，通过修改参数尺寸可以更好、更快的修改 模型，并进行分析。 以a p d l 语言为核心，运用u i d l 语言对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、模态振型等等。此部分为本论文的核心部分。 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。 点击用户自定义界面中的建模菜单和对话框，对大型部件，如横梁与立柱、 4 1 绪论 滑座和滑柱进行优化分析，通过优化分析，既可使结构满足设计要求，又可减轻 磨床重量，降低成本。 点击用户自定义的界面中的静力分析菜单和对话框，可以得到砂带磨床的 各个部件在不同位置时的应力、位移以及模态分析，从而可以对机床进行设计评 估和对数控系统中相关数据进行补偿。 通过想查阅相关的资料和论文，把导轨副和丝杆螺母副中的复杂的接触问 题简化为一些弹簧阻尼单元从而准确地反映导轨副和丝杆副的真实受力和变形情 况。 重庆大学硕士学位论文 6 2 参数化设计技术及a n s y s 二次开发 2 龙门式砂带磨床的参数化设计技术 2 1 参数化设计概念 参数化设计( p a r 锄e t r i cd e s i 盟) 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 1 。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 13 。1 4 】。 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。在龙门式砂带磨床传统的设计过 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 的龙门式砂带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。龙门式砂带磨床一般由立柱、横梁、滑座、 滑柱、磨头、五部分组成。龙门式砂带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龙门式砂带磨床部件的体形。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 分析龙门式砂带磨床的效率。 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 重庆大学硕士学位论文 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 1 o 。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【l 5 i 。 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素，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【l6 ；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 s 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。 分析 图纸 翟絮普雾 二= 剖模型简化 磨床图纸广1 i 。犬土川 合理简化 提取参数 模型的参数 化模型编写 图2 1 参数化建模流程图 f i g 2 1t h ep a r a m e t r i cm o d e l i n gp r o c e s s 修改设 计参数 生成对应的 三维模型 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。 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 17 1 。具体实施步骤如下： 2 参数化设计技术及a n s y s 二次开发 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： 1 ) 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 1 分析结果的提取与处理定义。 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 2 龙门砂带磨床二次开发参数选取 在进行参数化分析之前首先要确定那些尺寸作为参数化分析的变量，由于该 机床的尺寸比较大，厚度方向的尺寸相对于它的长和宽很小，所以这里我们就把 该类结构进行简化，把它用一种壳单元进行等效，误差在工程允许范围内。磨头 的结构比较复杂不宜进行优化。下面对龙门式砂带磨床的主要有板焊接而成的四 个零件进行参数化因为它们总质量之占机床总质量的7 5 左右。 图2 2 的参数设置，设置立柱方钢的壁厚为第1 z t l ( 与后面的默认值相对应) ，其 默认值为1 2 m m ；设置立柱右视图的筋板壁厚为1 z t 2 ，其默认值为2 0 舢n ；设置立 柱主视图的左边两个壁厚为1 z t 3 和l z t 4 ( 与后面的默认值相对应) ，而默认值为 2 3 m m 和2 5 m m ；设立柱的俯视图中底板的尺寸为l z t 5 ( 与后面的默认值相对应) ， 而其默认值为4 0 m m 。图2 3 的参数设置，设置横梁方钢的壁厚为h l l ( 与后面的 默认值相对应) ，其默认值为1 2 m m ；设置横梁右视图的底板厚壁厚为h 1 2 ( 与后面 的默认值相对应) ，其默认值为2 3 m m ；设置横梁主视图的左边两个壁厚为h 1 3 和 h 1 4 ( 与后面的默认值相对应) ，而默认值为2 1 m m 和2 5 m m ；图2 4 的参数设置， 9 重庆大学硕士学位论文 设置滑座主视图的壁厚为l l z u 0 1 和h z u 0 2 ( 与后面的默认值相对应) ，其默认值为 2 0 m m 和1 5 m m ；设置滑座右视图的筋板壁厚为h z u 0 3 、h z u 0 4 及1 1 z u 0 5 ( 与后面的 默认值相对应) ，其默认值为2 0 m m ，1 2 m m ，1 0 m m ，图2 5 的参数设置，设置滑 柱矩形管的壁厚为h z h u l ( 与后面的默认值相对应) ，其默认值为8 m m ；设置滑柱 的筋板壁厚为h z h u 2 ( 与后面的默认值相对应) ，其默认值为1 0 m m ；设置滑柱的 圆弧板壁厚为1 1 z h u 3 ( 与后面的默认值相对应) ，其默认值为1 0 m m ；设置该机床 的节点最大等效应力应力为s m a ) 【其默认值为5 m p a 1 0 0 m p a ；轨的直线行走平行 度如m a x ；其默认值为0 2 0 ；机床的最大节点位移量为d m a x ，其默认值为 o m m 1 m m ；共振频率v m a x ，其默认值为1 3 4 1 7 2 h z 。由于该分析的主要是 在状态变量在工作范围内减轻质量，虽然优化后的位移量有所上升但是这可以通 过数控加工代码进行补偿，但是质量有了很明显的降低。这里选择机床的总体质 量作为目标函数o v a l m a s s ，其默认值为最小； 图2 2 立柱简图 f i g 2 2t h ec o l u md i a g r 锄 图2 3 横梁简图 f i g 2 2t h eb e 锄d i a g r a m 1 0 扯 l圃噬 2 参数化设计技术及a n s y s 二次开发 。一“ 、 r7 、 【 1 ； ： i 囊i 一 ”- j l j ir ： 球 图2 4 滑座简图 f i g 2 4t h es l i d er e s td i a g r 锄 图2 5 滑柱简图 f i g 2 5t h es l i p p e 巧c 0 1 u 砌d i a g r 锄 2 3 参数化界面设计原则 针对某一实际工程问题一磨床加工精度问题，运用a n s y s 所提供的a p d l 语言a n s y s 软件进行封装。使用a p d l 语言进行封装的系统可以只要求操作人 员输入前处理参数，然后自动运行a n s y s 进行求解。但完全用a p d l 编写的宏还 存在弱点。它虽然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。 针对这种情况，本文用u i d l 对g u i 界面进行编程，用u i d l 语言对a n s y s 系统 菜单进行扩充，使a n s y s 系统具有针对某项特定功能进行有限元分析的专用菜单， 并利用u i d l 创建相应的对话框。而真正实现功能的有限元分析过程都是通过 a p d l 语言在a n s y s 系统中实现的。 本程序设计目标是以a n s y s 软件为c a e 平台，利用a n s y s 中的二次开发 重庆大学硕士学位论文 工具a p d l 语言和u i d l 语言实现磨床界面的设计和对磨床各部件的分析。让即 使从未认真学习过a n s y s 软件的工程设计人员也能很好地借助本系统进行结构 有限元分析，具有较强的处理实际问题能力。 用户通过a n s y s 对话框输入计算参数，建立磨床各部件模型进行计算， a n s y s 把计算结果返回给用户，进行后处理。 参数化界面设计的主要原则和功能如下： 方便原则，即程序模块应具有良好的用户界面和易用性。程序前台设计采 用w i n d o w s 提供的标准图形用户界面g u i ，用户无须接受专门训练即可使用。同 时，程序应具有良好的容错和纠错能力，避免用户操作不当造成损失。 程序应具有良好的可移植性，不依赖于特定的硬件设备，只要能安装 a n s y s 的硬件环境都能使用本系统，保证程序使用的广泛性。 程序代码应具有开放性和可重用性。这样，在进一步的设计中，能保证设 计者可以方便地对代码进行修改扩充。 程序系统能够提供用户以下功能： 允许用户可以根据实际计算工况，输入特定的计算参数，包括磨床各部件 的材料属性和结构参数及载荷参数等。 用户在输入各种参数以后、进行计算之前可以对输入的数据进行修改、添 加和删除操作，以保证输入正确的参数。 用户通过界面调用后台的a n s y s 命令流进行计算，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。程序的开发平台是a n s y s 9 0 。程序实 现是利用a n s y s 公司提供的a n s y s m u l t i p h y s i c s 产品，采用面向对象的程序设 计方法。 2 4 本章小结 在本章中主要介绍了a n s y s 的二种开发工具，主要内容有下面这些： 介绍了a n s y s 参数化设计语言( a p d l ) 的丰要功能。 龙门砂带磨床二次开发参数选取。 a n s y s 用户自定义界面开发的目标和原则。 1 2 3 基于a n s y s 龙门式砂带磨床分析系统的开发 3 基于a n s y s 龙门式砂带磨床分析系统的开发 本系统是在熟练应用a n s y s 软件的基础上，利用a n s y s 内部提供的二次开 发工具，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，是在a n s y s 系统中开发了具有中文 界面的龙门砂带磨床c a e 模块，是一套基于有限元分析的，集设计、计算、建模、 有限元分析、接触分析、结果提取分析于一体的龙门砂带磨床参数化分析系统。 下面对龙门砂带磨床参数化分析系统进行开发，运用上面讲到的开发过程和方法 对本系统的实现过程加以说明。 3 1 专业模块界面的开发 a n s y s 软件具有强大的求解器和前、后处理功能，为解决复杂、庞大的工程 项目提供了一个强有力的工具。然而，正是由于a n s y s 的通用性特点，使其对不 同行业的有限元分析不具有针对性，复杂的英文界面和繁琐的分析步骤都给从事 有限元分析的技术人员造成了很大的障碍。另外，虽然a n s y s 有较强大的前、后 处理功能，但使用者必须具有较高的相关力学知识和丰富的分析经验，在几何建 模简化和力学建模等前处理方面需要花费很多时问和精力。基于这些不利因素， 在a n s y s 系统中开发具有中文界面的龙门砂带磨床有限元分析系统，具有非常重 要的意义。用户只需点击几下鼠标，输入一些相关参数就可以完成分析任务。在 条件改变时，只需对程序做出少量修改，就可以再次胜任工作。如果采用g u i ( 图 形用户界而) 方式，用户需对a n s y s 软件非常了解，且在修改某一参数重新分析 时，都要重复前边步骤，造成不必要的麻烦和时间浪费，不能体现通用化、参数 化的特点。龙门砂带磨床分析系统的开发，充分体现了专业化、用户化、便捷化 的特点。 系统应用的目的是将人和计算机的最好特性联系起来，共同解决设计计算问 题。人机界面是联系系统各子功能的必不可少的组成部分。友好的人机界面能扩 大系统的使用范围，提高利用率，加速系统的实用化和商品化过程。本程序采用 通用的a n s y s 软件，添加新的用户自定义模块，以菜单、对话框作为人机交互的 界面，各项功能通过屏幕一目了然，易学易用。 开发龙门砂带磨床分析系统主要完成四个方面的工作：修改g u i 界面控制文 件；利用u i d l 编写龙门砂带磨床有限元分析和结果提取分析的专用菜单；利用 a p d l 编写龙门砂带磨床有限元分析子模块，编写前置处理的所有基本信息，有些 信息是通过调用u i d l 编制的对话框输入；后处理，显示计算结果，以图或数据的 重庆大学硕士学位论文 方式显示，并保存在数据文件中。下面，就对如何修改g r n 文件，从而编写龙门 砂带磨床系统有限元分析和结果提取分析的专用菜单，以及调用u i d l 参数对话框 做一简单描述。 3 2 创建