基于ANSYS的擦窗机工作臂有限元参数化分析研究

［收稿日期］2018-01-18
［作者简介］雷天星
（1971-），男，山西太原人，太原工业学院就业指导中心，助理工程师.基于ANSYS 的擦窗机工作臂有限元参数化分析研究
雷天星
（太原工业学院就业指导中心，山西太原030008）
0引言
当今有限元分析软件的一个大的发展趋势是与通用的CAD 软件（例如Pro/E 、Solidworks 、IDEAS 、Bentley 、SolidEdge 等）的集成使用，即在用CAD 软件完成部件和零件的设计后，能直接将模型传送到有限
元分析软件中进行有限元分析
［1］.然而，不论是在有限元分析软件中建立模型，还是通过导入得到模型，在做有限元分析的过程中，都需要按照有限元分析的步骤来.
传统的模式是采用人机交互的GUI 模式，即人工手动反复操作实现对模型的网格划分、施加载荷、施
加约束，直到最终生成我们需要的分析结果［2］.
本文从擦窗机工作臂的有限元分析出发，将参数化用于有限元分析过程中，当模型导入（建立）好之后，通过ANSYS 的二次开发语言使有限元分析过程实现半自动化，操作人员只需要修改或输入需要添加的网格大小、载荷或者约束，然后将编写好的程序输入到ANSYS 软件中，便可实现自动划分网格，自动分析，并且最终在指定的目录下生成需要显示的受力云图、变形云图等需要观测的结果.这样就不必进行繁琐的软件操作，几乎节省了百分之九十的时间，大大提高了工作效率，并且程序编写完成后只需要简单地输入参数值就可完成有限元分析，也使得操作过程简单易行，降低了对操作人员的技术要求.
1软件要求与参数说明
本文提出的ANSYS 二次编程语言APDL 主要针对ANSYS12.0版本，而12.0对于系统及硬件的要求有：操作系统为Windows2000或WindowsXP 以上；内存至少256M ；采用显存不少于32M 的显卡，分辨率至少为1024×768，色彩为真彩色32位；硬盘剩余空间至少2G ；安装网卡，设置好TCP ／IP 协议，并且TCP ／IP 协议绑定到此网卡上.注意在TCP ／1P 协议中要设定计算机的hostname.
由于在对擦窗机工作臂进行有限元分析时使用的参数符号是自由定义的，在此我们先设定一个固定的符号，以便于说明.规定沿擦窗机工作臂的方向为X 轴方向，竖直方向为Y 轴方向，根据分析擦窗机工作臂在工作时主要在其臂头处受力，而在臂头上主要有竖直方向的重力（PY ）、左右摆动时的惯性力（PZ ）以及
转动时产生的围绕Y 轴、Z 轴的力矩（MY 、MZ ）［3］.
摘要：
有限元分析即利用数学近似的方法对真实的物理系统或几何模型进行模拟.在使用ANSYS 有限元分析软件对擦窗机的工作臂模型进行分析时，多采用传统的GUI 人机交互模式，
而ANSYS 软件使用复杂，这样就对做分析的技术人员有了较高的要求.区别于传统方式，本文
提出对ANSYS 进行二次开发，使用其二次开发语言APDL 语言对擦窗机工作臂有限元分析过
程进行编程，实现有限元分析过程参数化，以提高分析的效率与可操作性.
关键词：
ANSYS ；有限元分析；工作臂；二次开发语言中图分类号：TU976.42文献标志码：A 文章编号：
1673-1808（2018）
03-0079-04第35卷第3期
2018年6月晋中学院学报Vol.35No.3
Jun.2018
79··
2有限元分析参数化的基本思路
APDL是ANSYS的二次开发工具，它为用户提供了简单的交互界面，如图1，可以实现参数值的输入与变更，十分快捷.
图1交互界面
模型导入ANSYS（或是在ANSYS中创建模型）中后，需要进行的有限元具体步骤是：（1）定义单元类型、材料属性、实常数；（2）划分网格；（3）求解选项设置；（4）施加边界条件；（5）施加载荷；（6）求解；（7）结果后处理.
那么在做擦窗机工作臂有限元分析参数化时，也是按照以上的思路，将相应的操作编写成程序代码.具体步骤：第一步：工作臂模型导入或者建立好之后，先初始化工作环境；第二步：定义工作臂的单元类型、材料属性，即确定工作臂的材料；定义需要施加载荷、约束、网格密度等的参数；第三步：对工作臂进行网格划分；第四步：设置求解，指定分析类型；第五步：施加边界条件、载荷；第六步：计算求解；第七步：设置需要显示的观测结果；第八步：结果后处理.
本文的核心即由APDL语言编写程序，因而这就需要对二次开发语言有一定的了解.
3程序的编写
本文将使用APDL命令编写参数化的模块程序，将它编写成一个宏文件，通过调用宏文件来实现有限元分析的参数化.
编写的宏文件如下：
第一步：初始化ANSYS工作环境.
FINISH
/CLEAR
/FILNAM，Gongzuobi!命名文件名为“Gongzuobi”
/TITLE，Gongzuobi
!
第二步：定义工作臂的单元类型、材料属性，即确定工作臂的材料；定义需要施加载荷、约束、网格密度等的参数.
……
*SET，PY，7600！设定PY（y方向的力）为7600N
……
NX=1000！设定NX（x方向的扭矩为1000N*m）
NY=2000
/PREP7！进入预处理
/PNUM，VOLU，1
ET，1，SOLID45！定义单元类型为SOLID45
MP，EX，1，2e5！定义弹性模量为2*100000
MP，PRXY，1，0.3！定义泊松比为0.3
……
第三步：对工作臂进行网格划分.
……
SMRT，10！划分网格的大小为10
··
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MSHAPE，1，3D！指定划分的网格为四面体单元
MSHKEY，0！采用自由划分网格的方式
VMESH，ALL！开始划分所有的体
FINISH
需要注意的是：针对立体模型，ANSYS中对于网格划分有4种不同的方法，分别是：映射网格划分、延伸网格划分、自适应网格划分和自由网格划分［4］.由于前三种划分方法对模型的要求比较高，并且需要设定的参数也较多，参照现在ANSYS有限元分析的实例，本文使用自由网格划分的方法对工作臂进行网格
化
划分，如图2.这种方法设定参数少，并且能够自动适应模型的大小进行划分，粗细有秩，在需要进一步细
图2自由网格划分
的地方，使用KREFINE（对指定关键点的周围的网格进行细化）命令［5］.
第四步：设置求解指定分析类型.
/SOLU！进入求解阶段
ANTYPE，0！指定分析类型为静态分析
……
需要说明：因为是对工作臂静态受载荷时进行的有限元分析，指定分析类型为静态分析，命令表示为0或STATIC［6］.
第五步：施加边界条件、载荷.
DA，34，ALL！对34号面的所有自由度进行约束
FK，81，FY，PY！对81号关键点施加力与力矩
FK，81，FZ，PZ
……
需要说明：这一步对于指定节点、关键点、面进行
加约束、载荷，结束后在显示界面上出现红色的箭头，
表示施加成功，如图3.在添加载荷时可以选择直接
均匀地加在面上，也可以分别加在不同的关键点上［7］
，本文采用的是后者.
第六步：求解.
图3施加约束与载荷
ALLSEL！全部选中
SOLVE！开始求解
FINISH
第七步：设置需要显示的观测结果.
/POST1！进入后处理阶段
PLNSOL，U，SUM，0，1.0！查看合位移等值线图
PLNSOL，S，EQV，0，1.0！查看有效应力等值线图
··
81
……
需要说明：这一步进入后处理操作.其中PLNSOL ，U …是设置查看合位移等值线图，如图4，生成的图像默认保存在ANSYS 安装目录下，可以调出查看.若需要指定保存目录在ANSYS 的载入证书中进行修改，但APDL 较难实现这一功能
.
图4合位移等值线图（以三节臂为例）
图5运算结束
第八步：结果后处理.
FINISH
需要说明：界面中出现窗口“solution is done ！”表示运行结束，如图5，即有限元分析全部分析结束，需要查看的结果到指定目录调取即可
.
除了进行有限元分析参数化外，ANSYS 的二次开发语言APDL 还可以与其他软件的开发语言进行混合编程，实现在CAD 软件中制作的立体模型导入到ANSYS 中这一过程的参数化，并且本文将有限元分析参数化过程编写在宏文件中，为了更高效地实现建模、分析，可以通过VB 语言将其进行封装，后台调用ANSYS 软件进行分析，然后再把分析结果调出显示在VB 中进行对比观测.
4结论
在ANSYS 环境中，采用人机交互GUI 模式对擦窗机的工作臂进行有限元分析必然会导致工作效率低下，而且在分析过程中一旦出现需要修改的数值，就需要从模型的建立开始重新做起，使工作变得复杂麻烦.现在提出对有限元分析过程参数化，需要修改数值参数时仅仅需要改动某一参数即可，使得分析过程自动化，无需再次进行冗长繁琐的工作，这就极大地提高了工作效率，并且降低了对操作人员的技术要求.
参考文献
［1］谭浩强.Visual basic 6.0程序设计基础教程［M ］.北京：清华大学出版社，2003.
［2］王栋.Visual basic 程序设计实用教程［M ］.北京：清华大学出版社，2002.
［3］张新占.材料力学［M ］.西安：西北工业大学出版社，2006.
［4］李裕春，时党勇，赵远.ANSYS 10.0LS-DYNA 基础理论与工程实践［M ］.北京：中国水利水电出版社，2006.
［5］孙伟，李朝峰，李杰，等.基于VB 的可视化设计计算系统的研究与实现［J ］.中国机械工程，2008，19（19）：2325～2328.［6］商跃进.有限元原理与ANSYS 10.0应用指南［M ］.北京：清华大学出版社，2005.
［7］高荣慧，张岩，罗辉.基于VB 和ANSYS 的塔式起重机臂架参数化设计［J ］.机械工程与自动化，2008（1）：12～13.
（编辑
申嫣平）82··。