基于ANSYS的系列化零部件的参数化有限元建模分析
孙路 殷雪艳
摘 要：在ANSYS的基础上，利用APDL参数化的特征，根据系列化零部件的一些結构特点，生成相关的APDL命令。在建模的同时，在输入对话框输入基本的某些参数，再利用计算机的指令完成其他相关操作。在这一过程中实现同一个系列型号不相同的零部件的参数化有限元建模。这样可以有效避免重复性的操作，分析的效率也会有很大的提升。
关键词：APDL；ANSYS；系列化零部件；有限元建模
所谓系列化零部件，顾名思义即同一个系列有多个不同型号的零部件，这些零部件主要是型号的不同，主要体现在零件大小尺寸的变化，并且这些型号尺寸的变化都会有一定的规律[1]。各种零件之间的拓扑结构不会发生改变以及零件之间相关特征不会有很大的差距。对于某种系列的零部件，如果按照常规方法进行有限元之间的分析，需要对每个零部件都进行从一开始的建立模型到加载等重复性的建模工作。所以，根据系列化零部件的一些特点，及ANSYS具有二次开发的功能，再加上APDL语言相关参数化的特征[2]，在某种程度上节省了人力物力，只需要输入相关参数，所有的建模工作都由计算机来完成。
1 ANSYS二次开发技术研究以及现状
从目前国内发展来看，参数化所涉及到的集合模型十分的有限，在很多方面综合考虑这种方式所能处理的仅仅是一些简单的几何模型，如果能在三维结构或者是比较复杂的几何模型上有开发造型系统，可以预计它的花费将会很大。所以相关研究者将目光转移到了有限元的开发软件[3]。通过有限元的软件以及几何模型造型软件的有机融合、相互渗透，通过两个软件之间的接口，处理的模型数据在软件间的交换已经不麻烦。就目前情况来看，一些通用有限元软件为相关模型的参数化提供了比较全面的功能，较多的二次开发的工具，以及开发环境相对来说比较开放。比如ANSYS参数化二次开发研究提供的APDL语言，这种语言类似于C语言，可以给用户提供开发的自编程序，完成参数化的程序设计，以及有限元计算的参数化[4]。在通用有限元的二次开发环境的条件下，对它们进行二次开发的前处理操作。实现参数化有限元的建模过程，这种方式已经成为相关研究者首要考虑的方案。ANSYS是一种集热学、声学、电磁学、流体以及融结构为一体的软件。如今使用的ANSYS版本在功能以及性能和环境适应性、可靠性等方面取得了重大的改进，能满足用户的基本需要[5]。利用这个软件系统，相关的设计工程师能够构造出比较复杂的模型，并将模型进行分析，评估零部件使用的合理性，使设计方案最优化，减少在实际生产过程中的成本投资，大大地缩短了零部件的生产周期，有效地提高利润。APDL是一种参数化设计的相关解释性语言，它的核心内容是循环语句、参数等。可以通过建立零部件的模型自动地完成一些任务，这些任务的通用性很强，是一门脚本语言。APDL允许客户输入比较复杂的数据，使得用户对于模型的设计以及属性具有绝对的控制权。比如分析模型的大小，以及材料的使用性能，划分网格的密度以及边界施加的条件等。这种语言扩展了原有结构分析的范围。ANSYS在一般情况下总是按照顺序执行命令，但是有时也是需要改变程序执行时的顺序。这种语言的优点是提供了两种工作的模式，即命令流输入以及人机交互这两种方式。其优势在于方便保存以及携带，一个APDL的文件所占用的存储空间很小，无论是上网还是一般的交流在实际应用过程中都很方便。
2 参数化设计相关内容
第一，参数化设计是在实际的CAD设计中被提出的，并且在这项技术中得到迅速的发展，发挥着强大的价值的一门技术。它主要采用的参数预定义建立几何图形的相关约束集，指定一组系列的尺寸并且使其与相关的约束集关联。在应用程序中体现所有的关联式。通过计算机的对话框，以人和计算机交互的方式修改零部件的参数，相关程序会在一定程度上根据参数变化来执行程序实现算法功能。这种工程设计需要无数次反复的修改，对于零部件的形状以及尺寸的大小综合调控并且进行优化操作。并且对于零件的结构变化相对不大，或者产品的设计过程相对较为稳定。在这种情况下就更需要根据产品的实际需要自动地选择产品的设计方案以及零部件尺寸的修改，这就是参数化设计的过程。不同设计人员的想法构思不同，所以设计方案也会千差万别，另外零部件的结构的种类很多，研究者在设计的过程中所涉及到的参数很多，计算的式子相对繁琐，人工计算的方式不仅工作效率低下而且难免造成一系列的差错，影响后续的进程[6]。这种人工计算的方法已经很难满足机械发展的需要，而计算机的出现能准确地、快速地得到计算结果，还可以进行多个方案的综合比较，从中得到应用性能相对较高的设计结果。参数化设计为零部件模型的可变性以及其他方面的性能提供了有效的手段，用户可以利用以前的模型参数方便重建新的模型结构，在原设计图的基础上改动模型，生成系列化的零部件，大大地提高了生产的效率[7]。
第二，参数化设计的实现过程。在有限元使用的范围中，参数化设计技术的应用极其具有局限性。参数化建模实质上是在计算机中输入一定的参数后，计算机能够读出模型数据，并且能够自动地修改数据，生成有限元建模的过程。以平面磨床为例，平面磨床是由床身、磨头、后床身等六部分组成，一些平面磨床的结构形式变化微小，其结构的相关尺寸可以由计算机输入的参数来描述，参数的确定意味着平面磨床结构的确定。将这些参数提取出来，在ANSYS中利用它的二次开发的相关技术实现有限元建模，可以有效地提高ANSYS加工的磨床精确度。参数化设计所包含的内容很广泛，一般情况下指的是参数化造型。它使用几何参数修改几何造型以及快速构建造型的方案。这些参数主要是控制几何模型的大小以及模型方向矢量。总的来说，有限元建模是生成的图形具有参数化的性能。参数化造型适用于模型结构类似、但是在尺寸上有微小变化的系列产品。参数化方法分为下面主要几类：代数法、直接操作法、人工智能以及语言描述等方法。在这里主要讲的是语言描述的方法，用户可以直接用语言描述的方法直接定义模型造型的参数。参数的体素可以直接描述图形，也可以首先生成体素，根据体素计算机系统自动地生成几何模型的描述语言。ANSYS二次开发提供的APDL语言自动地完成上述的过程。它是一种三维参数化造型设计的开发方法，主要是以下两种。一种是应用APDL语言的函数完成建模的过程，用人机交互的方式，建立输入对话框，实现三维参数化的过程。但是这种程序设计相对较为繁琐，对于某种形状很复杂的零部件来说，使用这种程序设计来完成三维参数设计是很困难的。第二种就是采用三维模型和程序的设计相互融入的方式，主要的步骤为：在ANSYS的开发环境下以交互的形式生成模型，由于零件的模型已经创立完全，在这个基础上，根据零件的系列要求设立一组完全控制零部件大小以及尺寸的参数，设计的语言程序根据参数的要求来完成编程。用语言程序控制造型完成三维参数化设计的三项基本内容为参数的获取以及显示，参数的修改，以及模型的重建。
3 有限元建模的步骤
文章根據零部件结构的特点以及相关要求，零部件的尺寸用参数来描述，建立有限元模型，并且进行分析。有限元分析的具体方法如下：第一，利用参数化的这一思想进行设计，依据模型的几何结构抽象地描绘出几何模型的特征参数值。并对模型在不影响其精度的前提下进行化简。第二，利用ANSYS的指令文件进行建模以及处理结果和有限元的分析过程。第三，用APDL中的参数取代在建模的过程中建立的参数，使参数具有可变性。最后，将参数赋予有效的特征值，进而进行有限元的分析计算，并得到计算结果。这种方法只需要重复第四步操作即可得到新的结果。对于非专业工作人员来说甚至不用了解有限元的过程以及方法就可以得到计算结果。
综上所述，有限元建模是一种非常专业的软件，需要专业知识储备很强的工程师使用，并且有限元需要进行前后处理过程，尤其是前处理，需要大量繁杂的工作。如上述平面磨床举例的结构特点，使得工作人员按照传统的结构分析方案进行分析时，要进行多次重复性的操作步骤，大大地延长了零部件生产的周期。为了避免上述的问题出现，在有限元建模的过程中融入了参数化设计程序的思想，能够使用户有效避免前处理以及建模和划分网络等工作，很大程度上提高了工作效率。鉴于以上的特点，ANSYS软件在国内外的相关工程设计以及科学研究等领域都取得了广泛的应用和认可，对于实际的工程分析有很大的探索
意义。
参考文献：
[1]陶颖，许航，王春梅.基于ANSYS的齿面啮合参数化建模及有限元分析[J].北华航天工业学院学报， 2016， 26（1）：24-26.
[2]刘博林，谢里阳，张娜.基于Isight的冲压驱动桥壳参数化有限元建模方法[J].东北大学学报：自然科学版，2018， 39（3）： 373-377.
[3]李慎龙，赵恩乐.基于ANSYS的汽车膜片弹簧参数化建模[J].机械工程师，2016，4（8）：170-172.
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[5]王金龙，陈俊龙.基于ANSYS的90°管道弯头有限元分析[J].潍坊学院学报，2016， 16（2）：44-49.
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[7]庞志宁，连涛，王冬明.基于BIM技术的机电设备零部件参数化建模及分析方法[J].港口装卸，2017，7（05）：25-29.
