基于ProE的三维建模设计与ANSYS集成技术的研究

1、基于Pro/E的三维建模设计与ANSYS集成技术的研究闻霞，吴龙，李青虹（三明学院，福建 三明 365004）摘要：随着计算机技术的发展，基于各种三维软件的设计仿真分析应用越来越广泛。然而，当用ANSYS分析软件实现结构的分析与仿真时，复杂模型的建立比较繁琐与费时。因此提出一种新方法，即基于Pro/E完成复杂结构的建模，将Pro/E的模型数据转入ANSYS中划分网格、进行有限元分析的转换方案。阐述了采用 IGES、.ans 和 Pro/E-ANSYS 接口三种可供实现的途径 ,分析讨论了各自的优缺点。结果表明 , 采用 Pro/E- ANSYS 接口实现数据交换是最优办法,从而实现了快捷方便的

2、复杂结构设计与仿真。关键词: 分析仿真；ANSYS；集成；建模Based on Pro/E 3D modeling design and ANSYS integration technology researchWEN Xia, WULONG，LIQINGHONG(Sanming university ,Fujian Sanming 365004;) Abstract: With the development of computer technology, based on various 3D simulation of the design of software application

3、s more widely. However, when used ANSYS analysis of the structure of software analysis and simulation, the complex model of a relatively cumbersome and time-consuming. Therefore propose a new method, that is based on Pro/E complex structure of the modeling, Pro/E data into the model of ANSYS in the

4、grid, finite element analysis of the conversion programme. On the use of IGES,. Ans and Pro/E-ANSYS interface for the realization of the three channels, discussed their respective advantages and disadvantages. The results showed that the use of Pro/E- ANSYS interface data exchange is the best way to

5、 achieve a speedy and convenient complex structure design and simulation.0 引言1Pro/ENGINEER是美国PTC公司开发的基于特征和参数化技术的专业CAD软件,在航空、航天、汽车和消费类电子产品的设计和制造中得到了广泛应用,极大地提高了用户的设计能力。Pro/ENGINEER在中国的高端CAD市场上占有很大份额,是目前国内应用最为广泛的高端CAD产品。它具有统一的数据库功能, 通过Pro/E可以快速方便地建立各种庞大复杂的模型。Pro/E中的机械设计模块是一个高效的三维机械设计工具, 可以绘制各种复杂形状的零件。虽

6、然Pro/E软件包也包括了功能仿真 (CAE)模块, 它的主要作用是进行有限元分析, 但它是基于P-method进行工作的,进行网格划分时划分出的网格中单元较大、数目较少,只能实现简单的静力学分析,而且求解的结果处理也十分繁琐,可见 Pro/E 的优势是在CAD 而不在 CAE。ANSYS诞生于 20 世纪 70 年代 , 目前是世界上最有影响力的以有限元分析为基础的 CAE 软件之一 , 广泛应用于机械制造、石油化工、汽车交通、航空、航天、轻工及土木工程等行业的一般工业设计及科学研究。使用 ANSYS 进行分析必须构建几何模型 ,虽然其本身附带三维建模模块 , 但其建模能力与主流三维造型软件

7、如Pro/ENGINEER、UG和 CATIA等相比较弱 , 特别是构建复杂结构和曲面,在 ANSYS中很难完成。ANSYS分析的标准过程为：建立模型、定义荷载、求解和解释结果，若对这个标准过程中的任意一个环节进行修改，就必须重新建立模型并重复上述步骤。当模型稍有复杂或修改内容稍多时，建模过程既繁琐又费时。虽然 ANSYS 自身带有参数化设计语言 APDL，但APDL 语言本身功能有限，并不提供图形化界面输入，模型修改必须从源程序开始，给结构设计与分析带来诸多不便2。通过发挥 Pro/E 与 ANSYS 这两个软件在各自领域的优势, 并将其结合起来用以研究和开发复杂模具设计与分析已成为当前的一

8、个重要发展趋势。1 Pro/E与ANSYS数据转换的不同方法评析3-4为充分发挥 CAD/CAE软件的优势 , 关键问题是如何实现数据转换。本文以目前主流应用的 Pro/E Wildfire 2.0 与 ANSYS 10.0为例 , 研究将 Pro/E 的模型数据转入ANSYS中并划分网格、进行有限元分析的3种数据转换方案。1.1 利用 IGES 格式文件进行数据传输IGES(Initial Graphics Exchange Specification基本图形交换规范标准) 是 1981 年由 ANSI( AmericanNational Standards Institute美国国家标准局

9、) 公布为美国标准的 , 目前已经得到广泛应用 , 它以 ASCII或二进制的形式存储图形信息 , 并且能在不同的CAD系统间进行信息交换3。IGES是一种普遍接受的中间标准格式,用来在不同的 CAD和 CAE 系统之间实现模型数据共享。ANSYS本身内置了IGES转换过滤器, 它支持IGES格式文件的输入。因为过滤程序可以输入部分文件,故用户至少可以输入模型的一部分。而在Pro/E中也可以方便地将建立的PRT文件另存为IGES文件副本。因此通过IGES格式进行这两个软件之间的数据转换是比较常用的方法,且比较容易实现。在ANSYS里输入IGES格式文件时,在出现的选择界面中,有 Nodefea

10、turingDefeaturemodel两个选项,在多数情况下用户应该选择Defeaturemodel选项,ANSYS在这一选项下自动对IGES文件进行转换, 自动生成体。当转换过程中遇到问题时,ANSYS会向用户提示,并激活增强的拓扑和几何工具,使用户可以采用交互方式对模型进行修改。如果使用 Defeaturemodel选项转换 IGES格式文件有困难时, 用户只能使用 Nodefeaturing选项, 该模式下转换时,不具有自动生成体的能力,用户不能使用拓扑工具进行几何修补, 而只能使用前处理模块PREP7 几何工具进行修补。而分别组合“MERGEMergecoincidentkeypts

11、( 合并重合的关键点), Solid Createsolidifapplicable( 产生实体), SMALLDeletesmallareas( 删除小面积)”这3 个选项时,得到的模型也将产生很大差异。虽然IGES作为一种表达产品数据和转换成中性文件格式的行业标准,其在开发和维护方面与专用的转换软件相比有明显优势。但也存在一些问题:首先,IGES没有规范化的模型,表达结构及某些几何模型时较为复杂, 容易导致转换不稳定的现象。其次,IGES的 80 列文件格式使得文件过于冗长。此外,由于这些文件的数据安排方式相当复杂以至于难以被人理解。因此如果文件中某处出错,很难将其找出并修正。再次,由于这

12、种方法是间接进行的, 如果Pro/E中建立的模型特征过多或者结构过于复杂,生成的IGES文件会丢失很多特征,导致数据不完整, 导入ANSYS后会影响分析结果的准确性。IGES主要适合于在计算机集成生产中的各子系统领域传送信息以形成技术绘图或简单的几何模型。如果仅靠IGES作为数据交换的借口,用户就不可能得到生产中整个系统的完整解决方案, 会导致大量重复工作和高投资的维护。1.2 利用.ans 格式文件进行数据传输这种方法与通过 IGES转换类似, 不同的是它先在 Pro/E 里进行网格划分, 再导入 ANSYS进行分析。.ans文件是在Pro/E 的MECHANICA模块前处理后生成的用来与后

13、续 CAE 相连接的文件, 需要第二方解算器进行后续处理才能生成。在 Pro/E中,打开建好的模型, 选择菜单 ApplicationsMe-chanica,此时会进入有限元FEM模式,可以进行结构分析、热分析等。选择 structuremeshcreatesolidstart,开始划分网格,完成后关闭对话框,选择菜单中的 Run 选项, 在对话框的求解器中选择ANSYS, 输出到文件, 即可生成一个.ans 文件。.ans 文件其实是一个文本文件,该文件包含了材料属性、节点、单元、约束条件以及载荷等信息。运行ANSYS,从FileReadinputfrom中,选择产生的.ans 文件, 就可

14、以完成输入, 且输入的是已经划分好网格的模型。但由于 FEM是通过在几何模型上生成一些控制点, 由这些控制点控制有限元网格的数目和位置, 与ANSYS中指定单元大小来分解实体的情况是不一样的, 对于同样的零件, 即使在相同的约束与受力情况下,由同样的软件进行计算处理也会因为单元大小、类型和网格划分方式的不同而导致结果出现变化。并且Pro/E提供的单元种类的有限性也影响了它运用于各种不同零件的情况,可能由于选择不合适单元类型导致计算结果的错误。因此,在实际设计、分析的集成过程中, 采用这种方案有很大的局限性。1.3 通过Pro/E-ANSYS 接口软件转换许多 CAD程序与 ANSYS程序有直接

15、的接口,由ANSYS公司或CAD软件供应商编写。该种接口软件是嵌入于应用程序的独立软件包中。同样,ANSYS也内嵌了对 Pro/E的支持,这就 是Pro/E-ANSYS接口。它不仅将Pro/E模型数据直接转换给ANSYS,同时也提供了以执行部件为基础的参数化设计功能。该功能允许由部件为基础的参数化Pro/E模型开始, 用ANSYS程序对其进行优化,并以一个优化的模型结束, 而且仍是以部件为基础的参数化模型。该模块能给工程人员在有限元分析过程中考虑采用何种后处理提供良好的支持。利用软件自带接口能够快速准确地导入数据。直接数据转换有一些独特优点,比如可以方便地修改模型,可以对各个体划分网格,这些对

16、于ANSYS后处理都是很有帮助的。以这种方案进行模型数据转换目前是最有效也是最优的选择。2 Pro/E- ANSYS 接口的实现ANSYS 在默认的情况下是不能将 Pro/E 中的PRT 文件直接进行转换的，必须通过相应的配置设置来激活该接口软件使其正常工作。下面就是进行配置的整个过程: 点击ANSYS10.0UtilitiesANS_ADMIN,出现ANS_ADMIN 10.0对话框，如图1,选择ConfigurationoptionsOK, 出现 Configuration options 配置对话框。 图1 ANS_ADMIN 10.0对话框 在接下来的对话框中分别做如下选择:Confi

17、gure Connection for Pro/EOK;ANSYS Multiphysics & win32OK; 图2 所示。图2 配置步骤配置成功后会出现连接成功的对话框 , 如图3所示。图3 ANSYS系统配置文件创建成功 再进行如下设置 :Pro/Engineer Installation path: 输入 Pro/E 安装路径 , 如 G:Program FilesproeWildfire 2.0;LanguageusedwithPro/Engineer: 这里用默认的usascii OK; 会出现如图4所示的配置成功对话框, 提示在 Pro/E 目录下成功建立了一个 pro

18、kt.dat文件,点击确定即完成配置。图4 ANSYS 与Pro/E 连接成功对话框 运行Pro/E并配置在上述配置过程全部完成之后,Pro/E主菜单上出现如图5 所示的 ANSYS 10.0 菜 单 , 包 括ANSConconfig 和 ANSYSGeom 两个子菜单, 其中ANSYSGeom就可以把 Por/E 中的模型直接传送到ANSYS中。图5 配置成功后Pro/E中的ANSYS10.0 菜单但为了实现ANSYS与Pro/E 更全面的连接,我们还需要对 Pro/E 的 文件作进一步的配置。点击Toolsoptions, 在出现的 Options

19、 对话框中,分别找到所需的选项名称并设置相应的值,其中各个选项名称及值如表1所示。表 1 选项设置值选项名称值说明fem_ansys_annotationsyes将外壳名称的传递切换到ANSYSfem_ansys_groupingyes将组/层的传递切换到ANSYSfem_default_solverANSYS指定缺省的求解器fem_which_ansys_solverFRONTAL指定要使用的ANSYS求解器femansys_annotationsyes切换载荷工况名称到 ANSYSpro_ansys_pat“ansys.exe的路径”指定到可执行的 ANSYS 的路径至此,Pro/E与ANSYS的接口已设置完成, 此时Pro/E界面中出现ANSYS挂接菜单，以摇臂零件在Pro/E三维建模为例，如图6所示。图6 摇臂零件在Pro/E中三维建模及其ANSYS菜单通过该接口可以直接把Pro/E的模型数据转换到ANSYS中,而无需再通过中间格式的数据转换,这对于模型的修改再输入以及ANSYS的后处理都会有所帮助。通过建立如此配置, 利用ANSYSGeom项就可以把Pro/E中的模型直接传送