机械毕业设计62基于ProE的CADCAE集成研究与开发

目 录 摘要 . 2 1 绪论 . 3 1.1 引言 . 3 1.2 CAD/CAE 集成技术研究现状及发展 . 3 1.2 本课题的历史背景与研究内容 . 8 2 集成系统的设计思想与开发平台 . 11 2.1 系统设计思想 . 11 2.2 系统开发平台 . 12 3 Pro/TOOLKIT程序设计 . 18 3.1 Pro/TOOLKIT 简介 . 18 3.2 VC + 6.0 编译环境的设置 . 18 3.3 Pro/TOOLKIT 程序设计过程 . 21 3.4 Pro/TOOLKIT 程序的注册 . 22 4 集成系统的实现 . 24 4.1 Pro/E 三维建模 . 24 4.2 有限元分析 . 29 4.3 系统菜单和界面设计 . 32 4.4 控件的实现 . 38 5 系统实例分析 . 41 5.1 阶梯轴的有限元自动分析 . 41 5.2 齿轮的有限元自动分析 . 43 6 结论与展望 . 46 致 谢 . 46 参考文献 . 47 基于 Pro/E 的 CAD/CAE 集成研究与开发 摘要： 本文 研究了 Pro/E 二次开发工具 Pro/TOOLKIT 的程序设计方法 和 有限元分析 方法。基于 Pro/E 和 ANSYS 软件平台，应用 Pro/TOOLKIT 和 Visual C+程序设计语言， 开发了 CAD/CAE 集成系统。该系统能够根据 Pro/E 所建 模型 自动转化为 CAE 模型，调入ANSYS 中进行有限元分析 ，实现了 Pro/E 和 ANSYS 的弱耦合集成 。 关键字： 二次开发 CAD/CAE 有限元分析 弱耦合 集成系统 Abstract The method of Pro/TOOLKIT program design and the finite element analysis is studied in this article. Using Pro/TOOLKIT and Visual C+6.0, an integrated system of CAD/CAE is developed based on Pro/E and ANSYS. The system can transform the model in Pro/E into finite element model, make the finite element analysis in ANSYS, and realize weak integration of Pro/E and ANSYS. Keywords Secondary Development; CAD/CAE; Finite Element Analysis; Weak Integration; Integrated System 1 绪论 1.1 引言 随着市场的全球化和用户对高性能、低成本和个性化产品的要求的不断提高，在过去的十几年里，制造行业的竞争环境发生了巨大的变化，这些变化表现在以下几个方面：a) 产品生命周期缩短； b) 产品复杂性提高； c) 产品个性化、多样化； d) 产品质量要求提高； e) 产品成本降低； f) 供货期缩短。 面对这些竞争压力，制造商都在寻求新的技术和方法，以便能够：缩短产品开发周期；减少制造集中，充分利用外部资源；与供货商充分合作、集成。大量的经验和资料研究表明，产品的开发阶段决定了产品的基本特性，这是因为 ： 1） 产品生命周期成本的 7585%在开发阶段确定，尽管只有 57%的产品成本在这一阶段发生； 2） 80%的约定被固定； 3） 70%的产品质量被确定。 因此，重视产品开发过程，特别是产品开发的设计阶段，充分利用先进的 CAD（ Computer Aided Design,计算机辅助设计）、 CAM（ Computer Aided Manufacture,计算机辅助制造）、 CAE（ Computer Aided Engineering,计算机辅助工程）技术和工具，建立能够贯穿产品生命周期各个阶段的统一的产品定义模 型，集成企业全部资源，实现并行工程，优化产品开发过程，成为制造商保持和提高企业竞争力的最根本的手段。 然而，现存的大多数 CAD、 CAM、 CAE 系统是针对不同应用、相互独立的，彼此之间缺乏相互联系，因此也称为 “自动化孤岛 ”。这些独立的孤岛不利于开发人员之间的信息交流和设计数据的充分共享，信息传递存在断点，必然造成大量的重复劳动和传递的错误。尽管目前各系统之间可以通过标准的数据交换规范和中间介质实现数据交换，但这种交换难以满足数据交换速度和数量的要求。因此，实现 CAD/CAM/CAE 技术的一体化集成成为必要。 1.2 CAD/CAE 集成技术研究现状及发展 1.2.1 CAD 技术及其发展 计算机辅助设计（ CAD）技术来自 50 年代初由美国麻省理工学院 D.T.ROSS 先生开发的 APT 程序以来，即以其 “当代十大技术革命之一 ”的旺盛生命力，蓬蓬勃勃发展起来。最初， CAD 技术并不是现今的 Computer Aided Design 所指的利用计算机辅助产品设计及研究开发技术，而是 Computer Drawing 含义所指二维绘图技术。 随着计算机软硬件的发展， 60 年代，出现了三维 CAD 系统，但此时， CAD 技术仍处于只能表 达基本几何信息的二维、三维线框造型的基础上，不能有效地表达几何形体数据间的拓扑关系，因此也很难实现 CAE 及 CAM 技术。 70 年代，飞机、汽车工业的发展，提出更新设计手段的强烈要求，需求促使了 CAD 技术的发展，出现了以贝塞尔算法为理论的三维曲面造型系统，从而引发了 CAD 技术的第一次革命。第一次 CAD 技术革命的成功带来了产品开发模式的质的飞跃，也使计算机辅助制造 CAM 技术得以发展，但是表面的模型技术只能描述形体的表面信息，并不能表达零件的质量、重心、惯性等特性，因此也不便于实现 CAD/CAE 一体化研究。实际需求 又促进了实体造型技术的诞生，由此引发了 CAD 技术的第二次革命。 在工业技术革命的深入开展的过程中，人们产生了将 CAD、 CAPP、 CAM、 CAQ 等需要计算机辅助参与的产品设计、工艺规程制定、加工制造及监控、质量管理等一系列工业活动集成化的想法，提出了计算机集成制造的新概念（ CIMSComputer Integrated Manufacturing System）。 CAD 技术又发生了根本性的变革，在 80 年代产生了基于特征的参数化实体造型的技术。它的特点为：基于特征，全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修 改、其中基于特征除了具有尺寸约束的形状特征外，还加入了零件的其他特征如精度特征、管理特征、技术特征、材料特征、装配特征等实现了 CAD/CAPP/CAM 集成必不可少的信息。参数化技术的成功应用，大大地推进了计算机辅助集成制造系统的进程，也为其本身的发展注入了强大的生命力，使其成为 CAD 发展进程中第三次革命的核心技术。高科技的发展速度，可谓日新月异。到了 90 年代， SDRC 公司推出了全新体系结构的 IDEAS Master Series 软件系统。该软件实现了一种比参数化造型更为先进的实体造型技术，即变量化技 术。变量化技术的出现标志着 CAD 技术发展中第四次革命的开始。它突破了参数化技术中全尺寸约束的局限，增加了形状约束，使得工程关系也可以驱动几何形状的改变。 由前所述可知当前 90 年代 CAD 技术两大主流派技术是参数化造型技术和变量化造型技术。这两项技术的共同点在于都是基于特征实体造型、全数据相关、尺寸驱动修改设计，两项技术的区别在于参数化技术解决的是在尺寸全约束下的几何图形问题，表现形式是尺寸驱动几何形状的改变；而变量化技术解决的是尺寸约束和工程约束下的产品设计问题，即可实现尺寸驱动又可实现约束驱动，由工程关 系驱动几何形状的改变。另外，变量化技术在特征管理上也有别于参数化技术，并具备 VGX（ Variational Geometry Extended）技术。 VGX 技术，使系统可在全约束或欠约束的情况下完成几何造型，可以拖动方式修改、编辑 3-D 实体模型；容许形状和拓扑关系发生变化，而不仅用尺寸驱动一种方式修改模型。两种技术的应用范围也略有区别。参数化技术主要用于稳定成熟的零配件和改变某关键尺寸即形成系列化产品项目；变量化技术适于进行产品的概念化设计，新产品开发、老产品改形类的创新式设计研究。 1.2.2 CAE 技 术及其发展 基于 CAD 技术的开发，其他相关学科也迅速发展起来。首先 CAD 技术的诞生促进了计算机图形学的发展，伴随着 CAD 三维曲面技术的出现，使计算机辅助制造得以实现并促进了设计方法学的发展。 CAD 实体造型技术，又加速了计算机辅助工程 CAE 的发展，有限元数值计算方法被广泛应用，并在解决实际问题中促进了自身技术的进步。CAD 基于特征的参数化实体造型技术和变量化技术，在技术实践中不断完善，加上网络技术的出现，使计算机集成制造系统由概念转为实际应用，在将来必会引起生产技术及生产组织结构的大变革。 CAE 是以有限元数值 计算方法为核心，将 CAD 实体造型技术运用于工程分析的技术。它经历了最初的探索发展、独立发展、专家应用等阶段，到 90 年代，已发展为与 CAD 特征建模相结合，集成为一体的面向设计者的技术。解决的技术问题也从弹性力学问题拓展到塑性力学问题，从静力平衡问题拓展到稳定问题、动力问题和波动问题。分析对象从弹性材料拓展到塑性、粘塑性和复合材料；应用领域则从固体力学拓展到流体力学、传热学各学科领域等。目前随着 CAD 技术的迅速发展及工程实际的需要， CAE 技术正在朝 CAD/CAE/CAM/CAPP 一体化技术方向发展，相信 CAD 变量化技术的推广与应用，定会影响到分析领域，实现变量化分析将为期不远， CAE 技术将能更方便、快捷、高效地解决工程实际的分析问题。而随着现代设计要求的不断提高，有限元分析软件也正朝着如下趋势不断发展：应用平台逐渐向 PC 发展；低端的设计产品开始向 CAD 渗透，让设计工程师也可以使用；向多物理场发展；在软件应用上，能越来越方便地构造有限元模型。相信此类软件将不断满足设计工程师的各种设计分析需求，成为用户的得力助手，达到事功倍的效果。同时， CAE 软件如何将可靠、及时的信息传递给设计工程师，从而在设计阶段发挥应有 的作用，已成为强烈的需要，用虚拟模型替代实际物理模型，即用高度可靠的数据模拟，是 CAE 的目标，也是 CAE 软件发展的方向。 1.2.3 CAD/CAE 集成技术 集成的概念 CAD 技术的迅速发展迫切要求研究集成化系统开发的关键技术。 CAD/CAE/CAM 集成技术是优化 CAD 应用系统运行模式、提高 CAD 技术应用效益的关键。企业应用集成化 CAD/CAE/CAM 系统后，可以大大提高产品的设计质量和精度、减少失误、缩短设计周期、降低成本、提高生产率。一般认为，所谓集成是以提高系统整体效益为主要目标，按照 一定的哲理和方法，把有关的硬件、软件和人有机地结合起来，形成一个协同工作的整体。在 CIMS 技术中， “集成 ”有更广泛的 内容，它包括信息集成、过程集成及企业间集成等三个阶段的集成优化 。其中，信息集成和过程集成代表了集成的两种不同的水平，是集成发展的阶段性标志。 集成的方法 CAD/CAE 集成的方法主要有建立公用的工程数据库和文件传输两种。而文件传输按照最初的 CAD 建模时零件信息的不同储存方式，分为直接文件存储和以特征文件形式存储两种。 1）建立公用的工程数据库 采用数据库和图形集成技术是处理有限 元软件中大量数据的有效途径。利用数据库技术，可以使数据的管理和传输更方便，减少数据的冗余度，并且为建立基于图形系统的前处理和后处理系统提供了可能。用户通过图形系统交互输入有限元计算程序所需数据，程序通过开放数据链接 ODBC(Open Data Base Connectivity) 或数据访问对象技术DAO(Data Access Object )，将数据定向到数据库中，各种模块均可通过内嵌的 SQL 查询语言实现对数据的访问和管理。一个 CAD 图形的零释信息包括几何信息和非几何信息。其中几何信息包括点、线、面、 体的坐标、长度；非几何信息包括材料特性数据、几何特性数据、单元组、载荷、位移约束方程和求解控制等等。所有的信息数据都存储在公用的工程数据库中，然后通过类和函数进行访问。 2）文件传输 (1) 特征文件的存储 目前，特征建模技术在计算机辅助工程产品设计、加工、管理等方面应用广泛，比基于几何的产品建模方法有许多优点。特征从总体上包括了几何特征和非几何特征两个方面。几何特征反映了产品的几何形状，并将产品的几何形状隐含在高层语义描述中；非几何特征则主要描述了与产品相关的材料属性、精度要求、工作状况、管理信息等。如 何在计算机内尽可能完全地表示并便利地操纵零件的各种几何与非几何信息是特征建模好坏的关键，它直接影响到下游各种应用 (如 CAE 设计分析、 CAPP 工序设计等 )的成败。 基于特征的有限元前处理主要包括四个方面的内容： (a)基于特征的有限元网格划分； (b)基于特征的几何模型简化； (c)基于特征的降维处理； (d)基于特征的边界条件和载荷处理。在这四个方面中，基于特征的网格划分和边界条件及载荷处理是前处理研究的重点。这是因为有限元分析程序求解的基本要求就是物理模型必须网格离散化，己知的边界条件和载荷分解在单元节点上。几 何模型简化主要是为了加快分析计算而采取的删除某些对分析结果影响不大的细节。降维处理主要是在三维分析算法不太成熟或计算过于复杂的情况下而采取忽略某一个方向儿何尺寸的简化处理手段。在引入特征技术的基础上，有限元前处理更便利地、快速地建立有限元分析模型，使有限元建模的自动化程度更进一步。 (2) 直接文件的存储 直接文件存储就是依据各个 CAD,CAE 软件自带的接口，存储为正确的文件格式，从 CAD 软件输出后 CAE 软件可以直接读取。由于在本文 CAD 造型选用的软件是 Pro/E Wildfire，有限元分析选用的软件 是 ANSYS10.0，所以只分析这两种软件的连接方式。 I几乎所有的 CAD 软件都可输出 IGES 格式的几何模型文件，将在 Pro/E 中建立好的模型保存为 *.IGES 格式，进入 ANSYS 后直接由菜单 Read file from 读取。 II在 Pro/E 中利用 Mechanical 模块直接将己经建立了的几何模型进行前处理，包括确定载荷、施加约束，进行网格划分，然后以 .ans 文件格式输出，在 ANSYS 读取进行后处理。 III利用 ANSYS 本身自带的功能，即运行 ANSYS 下子模块 utility-ANS_ADMIN进行 Pro/E 的连接配置，由程序自动生成 config.anson 和 protk.dat 文件，然后进行调整程序的工作路径，就可以从两个软件里面进行数据传输。 集成的发展现状 近年来，我们可以看到，基于 CAD/CAE 集成技术的产品设计理论和方法已取得了一定的进展，有限元分析技术代替了传统的产品零件刚强度的计算；根据产品工况的变化，采用动态设计代替原有的静态设计；在系统优化设计的基础上进行局部优化设计的方法代替了可行性设计；以可靠性设计和有限元寿命设计代替了安全系数法设计；以计算机辅助设计代替了人工和 经验设计等等。以上现代设计方法使产品设计产生了可喜的飞跃，尤其是 CAD 技术与 CAE 技术的集成更使工程设计人员如鱼得水，充分利用这一技术提高了产品各种零部件的设计水平，减少了研制时间和成本，由此带来了巨大的经济效益。开发产品设计 CAD/CAE 信息集成系统时，如何规划和实现系统数据的存贮、交换方式以保证 CAD/CAE 信息的共享是十分重要的。目前，实现产品设计 CAD/CAE 信息集成系统已有以下几种方式 ： (1)专用文件接口方式 适用于 CAD 和 CAE 系统建立的产品模型不一致的情况下，其数据交换与共享的层次较低， 文件只能用于指定的 CAD 和 CAE 系统，而不能通用。这样方式的特点是原理简单，转换程序易于实现，效率高。各种应用系统所建立的产品模型各不相同，相互之间的数据交换需要在两个系统之间进行。 (2)中性文件接口方式 各子系统的数据通过前后置处理，转换成与 CAD 和 CAE 系统无关的预先约定好的标准格式文件（如 IGES 图形文件格式和 STEP 标准），进行数据交换与共享，它的作用主要是提供批量数据的交流， 是一种极其理想的集成方式。但由于 STEP 标准定义范畴广，内容多，目前还很不完善，难以完全满足数据交换的要求，特别是对于参数 化几何模型和基于特征的产品描述，还有待于改进与完善。 (3)共享数据库集成 (SDBI)方式 通过数据库应用程序接口或标准 SQL 语言存取共享数据库的设计数据、几何图形、工艺数据和其它数据。该方式充分利用了数据库的数据建模、存贮、查询、控制等管理功能，具有广泛的适用性。 集成的发展趋势 研究 CAD/CAE 系统集成是为了达成设计与分析的自适应，真正做到用 CAE 分析去指导设计，而不是用 CAE 分析去验证设计结果。在以往的计算机工程应用中，设计(CAD)与分析 (CAE)是两个独立运行的系统，它们之间 的集成性很差， CAE 的作用往往表现为设计结果的验证手段。现代产品设计模式强烈地需要将分析工具 (CAE)真正地融入到设计 (CAD)中，作为设计的指导模块，而不是设计完成之后的验证结果模块。设计与分析在工程中应用的理想关系是，一旦设计有误，则马上由分析系统反馈信息给设计系统，设计系统及时修改错误，然后再提交设计信息给分析系统进行深入一步的检查。这种 “设计一分析一设计 的过程就是设计的自适应。在设计的 “自适应 ”过程中，分析系统 (CAE)起到了极其重要的作用，摆脱了 “分析工具可有可无 ”的传统狭隘观念和设计方式。 随 着我国 CAX 技术的进一步发展，二者的集成必将更加迅速地发展，使用贯穿整个产品制造过程，应用范围将进一步扩大，软件功能将进一步增强，使用人群从专家人群扩散到普通设计者和开发工程师。因此现阶段进行这方面研究有长远的意义。 1.3 本课题的历史背景与研究内容 1.3.1 课题的提出 采用先进的建模技术，建立统一的产品定义模型，优化产品开发过程 ,采用产品开发过程中 CAD/CAE 技术集成和并行工程是制造企业保持竞争力的最根本手段，但目前国内外这方面的研究还很不完善，特别是针对比较复杂的产品。 目前的 CAD/CAE 信息集成系统开发主要有三种形式： (1) 完全自行开发式。这种方式可以开发完全符合国内和行业内实际情况的CAD/CAE 信息集成系统。但是自行开发整个 CAD/CAE 系统，需要投入大量人力物力，开发周期长，开发出的软件功能较弱，系统较不稳定，开发也有一定的难度。 (2) 在商品化 CAD/CAM 软件平台基础上集成开发 CAE 系统。这种方式可以将 CAE 子系统很好的结合到原有的 CAD 环境中，省却了 CAD 和 CAE 软件之间各种传输和转换之苦，极大地提高了产品开发人员的工作效率。但是在如何利用原 CAD 系统环境上，仍 有相当难度。很多商品化 CAD/CAM/CAE 软件就是采用的这种方式，如SDRC/IDEAS 集成的是 MSC/NASTRAN ， COSMOS/Mdesigner 是 AutoCAD 和 COSMOS/M(FEA)的集成，并且由于这些软件原来以 CAD/CAM 为主，所以其分析功能都不强大，多局限于线性应力应变分析和简单的频率 (振动 ) 分析等常见问题 。 (3) 在商品化 CAD 和专业 CAE 软件系统基础上开发集成系统。这种方式利用了 CAD 软件强大的建模工具与 CAE 软件专业化的分析引擎，因而能够满足极大多数情况下产品设计的需 要。但子系统的接口问题，直接决定了集成系统的紧密结合程度，对系统的使用性、实用性产生直接影响。特别是子系统之间的前后处理和产品模型的信息共享问题，还有很多地方需要完善和改进。 本课题采用第三种集成形式，选用 Pro/ENGINEER Wildfire 2.0、 ANSYS10.0、 Visual C+6.0 对 CAD/CAE 集成技术进行了研究，并提出了基于 Pro/E 的 CAD/CAE 集成技术。 1.3.2 论文的主要研究内容 本课题主要研究内容： 1） 对 CAD、 CAE 的发展状况及国内外的研究情况进行了 综述， 系统地 研究了目前CAD/CAE 集成的概念、方法 、发展现状和发展趋势； 2）研究 Pro/Toolkit 开发技术，确定系统所采用的开发模式及其应用程序开发的方法； 3）介绍了 Pro/ENGINEER 2.0 的三维建模方法，编写了 ANSYS10.0 有限元分析的命令流； 4）明确所要开发界面功能，利用 Pro/Toolkit 的菜单技术开发系统所需菜单，应用VC+6.0 的 MFC 工具设计对话框，开发出操作自然、简便、快速的人机交互界面。 2 集成系统的设计思想与 开发 平台 2.1 系统设计思想 到目前为止， CAD/CAE 集成有紧耦合和弱耦合两种。紧耦合集成是将有限元分析作为 CAD 的一个子模块，实现 CAD 和 CAE 的无缝集成，需要大量的人力、物力和财力的投资，适用于一些像汽车、航空等大型工业领域。由于这些工业零部件需要根据要求不断改变，因而开发专业的 CAD/CAE 紧耦合集成软件系统将大大减少 CAD、 CAE 之间的数据传输而浪费的时间，能得到较高的性价比。但是，对于一些行业，例如标准件行业，其结构和参数大多是国家标准，很少发生变化。因此对这些行业紧耦合 CAD/CAE集成就不太适用了。 本文采取弱耦合 CAD/CAE 的集成，弱 耦合 CAD/CAE 的集成是将有限元工具看成一个 “黑盒 ”，通过接口程序来传输 CAD 模型，然后在 CAE 软件中进行分析，模型信息交换过程中会丢失一些数据。但弱耦合 CAD/CAE 集成具有自身的优点： I CAD、 CAE 软件之间通过数据交换接口进行数据共享，开发人员可以自由选择 CAD、 CAE 软件，具有很大的自主性和相对独立性； II开发人员不必重复地开发 CAE 分析模块，只需将精力放在 CAD/CAE 接口程序的设计上，避免了大量人力、物力和财力的浪费； III可以选择著名 CAE 分析软件，享用 CAE 软件的强大功能 ，可以完全满足一些中小型工业领域的设计分析需要，用户不需要开发 CAE 模块，只需将在三维软件中建好的模型通过接口程序导入到 CAE 分析软件中进行有限元自动分析，不需要大量的投入，就能得到较高的性价比。 本系统是在 WINDOWS XP 下使用 VC + 6.0 编写基于 Pro/ENGINEER Wildfire 2.0的 Pro/TOOLKIT 应用程序以及基于 ANSYS10.0 的有限元分析命令流。 本系统结构 如下 图 2-1： 图 2-1 系统结构 本系统功能 ： 通过本系统用户可以对 Pro/E 中所建阶梯轴，齿轮进行有限元自动分析，分析时的载荷参数，单元类型，网格大小，材料特性均可参数化输入。根据分析结果对 Pro/E 中所建阶梯轴，齿轮的合理性进行正确判断，从而对阶梯轴的设计方案进行优化，改正设计中的缺陷，缩短分析时间，提高分析与设计的效率。 2.2 系统开发 平台 2.2.1 Pro/ENGINEER Wildfire 2.0 环境 20 世纪 80 年代以来，国际上推出了一大批通用 CAD 集成软件，如 UG， AutoCAD, Pro/E， SolidWorks 等。相比之下， Pro/E 在曲面造型、数控加工及实现参数的全相关性方面有着很大的优势并且提供了齐全二次开发工具。 Pro/E 是美国 PTC（ Parametric Technology Corporation）公司开发的参数化设计系统，是一套由设计至生产的机械自动化软件，是当今世界上应用最为广泛的 CAD 软件之一。它提出的单一数据库、参数化、基于特征、全相关性的概念改变了机械 CAD/CAE/CAM的传统观念，这种全新的概念已经成为当今世界 CAD/CAE/CAM 领域的新标准。 Pro/E与传统的 CAD 系统仅提供绘图工具有着极大的不同，它提供 了一套完整的机械产品解决方案，包括工业设计、机械设计、模具设计、钣金设计、加工制造、机构分析、有限元分析和产品数据管理，甚至包括产品生命周期的管理，它使产品的设计效率大大提高，使产品在设计初期具有更多的灵活性，保证在日后根据系统要求进行相应的更改和计算；另外在产品的设计方案阶段，可以形象的表现系统的组成特点，而在产品的生产阶段可以方便地与加工中心数据连接。由于 Pro/E 的功能强大并且通用性非常强，其应用范围Pro/E 二次开发接口 Pro/TOOLKIT 二次开发接口 Pro/TOOLKIT 菜单 二次开发接口 Pro/TOOLKIT Pro/E 三维建模 二次开发接口 Pro/TOOLKIT MFC 对话框 二次开发接口 Pro/TOOLKIT VC 程序 确定参数 二次开发接口 Pro/TOOLKIT ANSYS 有限元 自动分析 程序 二次开发接口 Pro/TOOLKIT 遍布汽车、机械、电子、航天等诸多行业，其应用主要体现在以下几个方面： 1）绘制 3D 图 这一方法是在画出 二维截面草图后，应用 Pro/E 将二维截面草图进行拉伸、旋转、扫描、混合等操作，形成所需的三维实体模型。在屏幕上可直接显示、修改设计尺寸，并可以检查结构等方面是否合理、规范。 2） 创建 3D 装配视图 该方法是将零件装配后，形成 3D 装配组件，我们可以从任何一个位置、角度去观察单个零件或组件的 3D 视图，如果设计结构不合理或比例失调，很容易就被发现，并对零件加以修改，既可以保证零件组合的协调性，又可以避免出现零件在构造上的相互干涉，如果出现零件的相互干涉，可以及时进行修改，在修改中只要将有尺寸结构错误的零件相应部分进行修 改，就能达到要求，这比手工绘图节省人力、物力、财力，减少浪费。 3） 计算组件、零件重量和表面积 当我们设计完成一个零件或组件后，在很多时候要确定它的整体重量、表面积等外观因素，应用 Pro/E 可方便快速的得到相关信息。 4） 生成工程图 建立三维实体模型后，可以对其进行任意方向上的观察，看其是否满足设计与使用要求，满意后可利用该实体模型，自动生成三图，还可以生成任意位置剖视图，然后进行简单的修改及尺寸标注，即可生成二维的工程图。 5） 生成动画图像 将所设计的三维实体模型与 3DMAX 等软件结合，同时调整灯光布置场景，赋以模型 一定的材料等，可以生成具有光照效果的逼真的模型动画图像。 此外，我们还可以应用 Pro/E 对机械机构进行动力学的分析，得出各个点的动力学参数，对机构的挠度、弯曲等加以分析，使其结构得以优化。 2.2.2 有限元软件 ANSYS 的介绍 ANSYS 的发展及现状 ANSYS 是 Analysis System 的简写，是在 20 世纪 70 年代有 ANSYS 公司开发的工程分析软件。开发初期是为了应用于电力工业，现在已经广泛应用于航空、航天、电子、汽车、土木工程等各种领域，能够满足各行业有限元分析（ FEA）的 需要。 ANSYS 的第一个版本与现在广泛应用于微机上的版本有很大的差别 仅提供了热分析和线性结构分析功能。而且只是一个批处理程序，只能在大型机上运行。在 20世纪 70 年代早期， ANSYS 程序中加入了许多新的技术以及用户需求的东西，包括有非线性、自结构以及更多的单元类型，是程序具有更强的通用性。随着计算机和矢量终端的发展， ANSYS 加入了交互式操作方式，这成为 ANSYS 的一个显著特点，他大大简化了模型的生成和对计算结果的评价（前处理和后处理）。用户可以在进行分析之前使用交互式图形来验证模型的集合形状、材料属性 和边界条件。在进行求解分析之后能够立即利用图形交互来检查计算结果。 ANSYS 已经从 1971 年的 2.0 版本至现在的 8.0 版本，已有 30 多年的历史了。在毕业设计过程中，我主要运用的就是 10.0 的版本，它提供了广泛的模型声称功能，使用户可以快捷的建立实际工程系统的有限元模型。它提供了三种不同的建模方法，即模型导入、实体建模及直接生成。 ANSYS 10.0 提供了与条件共轭梯度（ PCG）求解器，以及不完全公共轭梯度（ ICCG）求解器。针对特定的问题，用户可以从中人选一个最适合的求解器求解，从而最大限度的提高效率。在 前处理和求解之后，他可以通过友好的用户界面获得求解过程的计算结果别并对这些结果进行运算。 ANSYS10.0 分析过程中包含三个主要的步骤： 1） 创建有限元模型 （ 1）创建或读入几何模型 （ 2）定义材料属性。 （ 3）划分网格（节点及单元） 2） 施加载荷并求解 （ 1）施加载荷及载荷选项，设定约束条件。 （ 2）求解。 3） 查看结果 （ 1）查看分析结果。 （ 2） 检验结果（分析是否正确） ANSYS 有限元模型的生成 ANSYS 程序为用户提供了下列三种生成几何模型及有限元模型的方法：一是在ANSYS 中 直接生成有限元模型；二是在 ANSYS 中创建几何模型，然后划分网格，生成有限元模型；三是导入在其它 CAD 系统中创建的实体模型或者有限元模型，若导入的是实体模型，需经过处理后再划分网格，生成有限元模型。 1） 直接生成有限元模型 直接生成有限元模型是一种利用有限元程序直接定义节点和单元的方法。这种方法对于小型或简单模型的生成比较方便，并且能够对几何形状以及每个节点和单元的编号进行完全控制。 但直接生成有限元模型，需要大量数据处理工作 。这种建模方式不能用有限元程序的自适应网格划分功能，而且进一步改进网格划分十分困难 ，使优化设计变得很不方便。 2） 实体建模 实体建模就是在有限元程序中通过创建点、线、面、体的方式，生成实体模型，然后建立单元属性，划分网格生成有 限元模型 。对于庞大而复杂的模型，特别是对三维实体模型，一般要采用实体建模的方法。 实体建模的最终目的是为了对构造的几何模型划分网格以生成节点和单元得到有限元模型。因此，在建立模型之初，就需要考虑网格的划分，这关系到建立的几何模型能否生成有限元网格以及能否得到比较好的有限元网格。 综上所述，两种生成有限元模型的方法各有其优缺点，一般情况下用户可以在两种方法之间切换， 对模型的不同部分采用适当的建模技术。 3） 导入在其它 CAD 系统中创建的实体模型 通常情况下，对于非常复杂的不规则线、面或体，在 ANSYS 中建立其几何模型将会非常复杂。这时可以采用在熟悉的专用的 CAD 系统中建立几何模型，然后通过 ANSYS提供的接口导入到 ANSYS 中，进行一些处理后得到适用的模型，而后准确地在该模型上划分网格并求解，这样用户不必重新建模而耗时费力。不过如果从 CAD 系统中导入的实体模型不适于网格划分，则需要大量的修补工作。因此，通常对于实体模型的细节进行一定的几何简化，尽量忽略一些不必要的细节。 有限元模型是进行有限元分析的数学模型，它为计算分析提供所有原始数据。 建立有限元模型时应遵循两个基本原则，即保证计算结果的精度和控制模型的规模。有限元模型的主要要素是：节点、单元、实常数、材料属性、边界条件、载荷以及其他用来表现这个物理系统的要素。实体模型建好后，或直接建立有限元模型时，首先确定所要求解的结构的分析方案，决定模型采用什么样的基本形式，选择合适的单元类型、实常数、材料属性、网格密度以及坐标系等。 单元类型 对于同一结构的有限 元分析，针对不同的分析类型所采用的单元类型和单元属性 不尽相同。 1） 单元的选用原则 单元类型的选用对于分析精度有着重要的影响，工程中常把平面应变单元用于模拟厚结构，平面应力单元用于模拟薄结构，膜壳单元用于包含自由空间曲面的薄壁结构。由于三角形单元的刚度比四变形单元略大，因此相对三节点三角形单元，优先选择四边形四节点单元。在许多情况下，对一个特定问题，最好的单元不是显而易见的。所以，在结构有限元分析中，可参考如下单元类型选择原则： （ 1）尽量选用维数低的单元去获得预期的结果，做到能选择点而不选择线，能选择线而不选择平面，能选择平面而不选择壳，能选择壳而不选择三 维实体。 （ 2）对于复杂结构，应当考虑建立两个或者更多的不同复杂程度的模型。 （ 3）为了保证单元之间的协调性，注意尽量在有限元模型中避免产生不必要的不同单元的连接，保证自由度的相容性，通常选用一种单元类型来产生一个有限元模型。 2） 实常数 实常数是用于描述某一种类型的几何特性，如梁单元的截面尺寸，壳单元的厚度等。但是并非所有的单元都需要定义实常数。实常数根据单元类型的不同而不同，但是它并不依附于单元，即一种类型的单元可以有多种不同的实常数。 3） 材料属性 一般有限元分析都需要输入材料的属性，例如在结构静力 学分析中至少需输入弹性模量，动力学分析中需输入材料的弹性模量和密度。 网格划分 有限元法和其它任何近似数值方法一样，都存在算法的可靠性和有效性问题。有限元分析结果的误差可能来自分析过程的各环节。其中一个主要的误差来源是模型的离散化。有限元网格划分的质量对分析结果的精度有着重要的影响。所以划分网格是建立有限元模型的一个重要环节。它要求考虑的问题较多，需要的工作量较大，所划分的网格形式对计算精度和计算规模将产生直接影响。为建立 正确、合理的有限元模型，这里介绍划分网格时应考虑的一些基本原则。 1） 网格数量 网格数量的多少疏密将影响计算结果的精度和计算规模的大小。一般来讲，网格数量增加，计算精度会有所提高，但同时计算规模也会增加，所以在确定网格数量时应权衡两个因数综合考虑。在静力分析时，如果仅仅是计算结构的变形，网格数量可以少一些。如果需要计算应力，则在精度要求相同的情况下应取相对较多的网格。 2） 网格疏密 网格疏密是指在 结构不同部位采用大小不同的网格，这是为了适应计算数据的分布特点 。因此，在计算数据变化梯度较大的部位 (如应力集中处 )，为了较好地反映数据变化规律，需要采用比较密集的网格。而在计算数据变 化梯度较小的部位，为减小模型规模，则应划分相对稀疏的网格。 3） 网格布局 当结构形状对称时，其网格也应划分对称网格，以使模型表现出相应的对称特性 (如集中质矩阵对称 )。不对称布局会引起一定误差 载荷和边界条件的施加 一般有限元分析中的载荷包括边界条件和内外环境对物体的作用，可以分为： 自由度、集中载荷、面载荷、体载荷和惯性载荷。可以在实体模型上或者有限元模型上加载。但是无论采取何种加载方式，有限元分析程序在求解前都将转化到有限元模型上，因此，加在实体上的载荷将自动转化到其所属的节点单元上。 施加载荷应遵循的原则是： 1） 简化越少越好； 2） 使施加的载荷与结构的实际承载状态保持吻合； 3） 在加载时，必须清楚各载荷的施加对象； 4） 如果必须简化处理，必须忽略不合理简化的边界附近一定区域内的应力。 3 Pro/TOOLKIT 程序设计 3.1 Pro/TOOLKIT 简介 Pro/TOOLKIT 工具包提供开发 Pro/ENGINEER