文章-三维虚拟仿真系统中有限元参数化方法实现

三维虚拟仿真系统中有限元参数化方法实现

廉江2，马青1，曹卫星2，王欣1

(1 大连理工大学机械工程学院116023 2 中石化第二建设公司210033)

摘要：为保证吊装的安全进行，吊装辅助件的选择与设计至关重要，通常采用人工校核的方法，且多有重复性，有必要对有限元分析软件ANSYS进行二次开发，实现吊装辅助件的参数化分析。本文采用ANSYS自带编程语言APDL编写参数化命令流程序，对其进行参数化有限元分析，并通过具体算例证明了该方法的可行性与准确性。

关键字：ANSYS；参数化；APDL；吊装辅助件；三维虚拟仿真系统

引言

在大型设备的吊装过程中，为保证安全有效地进行吊装作业，对吊装辅助件如平衡梁、索具、吊耳等的设计及强度与刚度的校核计算至关重要。目前，国内多家建设公司采用以手工校核为主的计算方式，计算公式较多，内容繁锁，且多有重复性。近几年来，随着有限元理论的不断发展与成熟，一些国际知名的有限元分析软件如ANSYS等被越来越多的用户所认可，将有限元理论应用到对吊装辅助件的强度校核中有极大地现实意义，可以避免传统的手工计算只能对特定的吊耳截面进行校核的局限性，能够查看吊耳任何位置的应力情况，同时，由于吊耳的结构形式基本相同，采用有限元参数化的方法，省去重复建模的过程，能够为设计人员减轻工作负担，提供设计依据，缩短设计周期。

本文采用有限元分析软件ANSYS自带编程语言APDL对吊装辅助件进行参数化分析，抽象提取各种设计参数，编制APDL命令流程序，同时通过xml格式的文件实现三维虚拟仿真系统中不同模块间的数据传输问题[1]。用户在使用时按照界面要求输入相应数据，即可对ANSYS进行批处理分析，同时自动截取各种方位的吊装辅助件的应力云图，提取最大应力点，生成各节点应力分析报告。

1. 吊装辅助件的参数化特点

在吊装过程中常用的吊装辅助件一般结构型式比较固定[2]，如图1所示。从图中可以看出，虽然不同类型的吊耳结构相差较大，但同类型的吊耳结构却十分相似，如管轴式吊耳的区别之处仅为主筋板类型的不同，对于这种拓扑结构基本一致只有少量特征差异的系列化产品，对其进行有限元参数化设计计算是完全可行的。同时在吊装过程中当吊装设备长度较长时，容易出现挠度过大的现象，对设备造成破坏，因此完全有必要验证吊装过程中设备的稳定性是否满足要求。分析其结构特点可知，吊装设备基本上由圆柱、圆台和球体等规则的几何体组成，完全能够实现参数化分析，保证设计人员能够随时查看设备各位置的应力情况及整体稳定性。

a. 管轴式吊耳

b. 吊盖

c. 遛尾单板式吊耳

d. 遛尾双板式吊耳

图1 各吊耳的结构型式

2.有限元参数化技术

有限元分析软件ANSYS通常有两种操作方式，交互式图形用户界面方式（GUI）和命令流批处理方式（BATCH）[3]。通过GUI方式可以方便地实现交互式访问程序的各种功能，适合初学者和简单的工程问题的分析和计算。命令流批处理方式是一种后台工作方式，批处理文件的编写是通过ANSYS软件自带的参数化设计语言——APDL来实现[4]，用户可以利用APDL将ANSYS命令组织起来，编写出参数化的用户程序，从而实现有限元分析的全过程，即建立参数化的CAD模型、参数化的网格划分与控制、参数化的材料定义、参数化的载荷和边界条件定义、参数化的分析控制和求解以及参数化的后处理。

APDL语言编程比较容易，调试也较简单，可以利用文本编辑器如写字板、记事本等，或者借助专门的编辑器如UltraEdit、Pspad等，直接进行参数化命令流的编写，编写完成后，在ANSYS命令输入窗口中直接输入文件名即能完成全部操作[5]。

本文根据各吊耳的结构类型，运用参数化的建模及求解思想，分别对其编写APDL命令流程序，通过仿真系统其它模块生成的xml文件提取吊耳类型的信息，选择相应的命令流文件，最终完成有限元分析的全过程。

3. 吊装辅助件的有限元参数化方法研究

典型的有限元分析过程为前处理、加载求解、后处理三大模块。前处理模块用来完成单元类型的选取、材料属性的定义及创建有限元模型；加载求解模块用

来完成载荷及边界条件的确定及有限元的求解；后处理模块可以查看模型的应力及变形等。

3.1 单元类型的选取

ANSYS 结构分析中最重要最常用的是梁单元(beam3、beam4、beam54、beam188等)、杆单元(link8、link10)、管单元(pipe16)、板单元(shell41、shell63、shell181等)、实体单元(solid45、solid186等)。

分析各种形式的吊耳结构可知，其厚度要远远小于长度，不适合用实体单元建模，且实体单元划分网格时对模型要求较高，因此在保证精度要求的基础上，对以上所述的各种吊耳形式采用shell63单元对进行模拟分析，该单元有弯曲和薄膜两种功能，面内和法向载荷都允许，每个节点上有六个自由度：X ，Y ，Z 方向的平动和绕X ，Y ，Z 轴的转动。对吊盖的有限元分析中，由于其厚度较大，更接近于实体，因此采用solid 45单元进行模拟分析，该单元由八个节点组成，每个节点有三个自由度，节点坐标系的X ，Y ，Z 方向的平动。

3.2 参数的确定

要实现有限元参数化建模，首先必须根据模型的几何结构抽象出描述模型的特征参数，并在不影响精度的情况下对分析模型进行简化，不论是吊耳、吊盖或长细设备，均可将参数分为以下几大类，如图2所示：

图2有限元分析参数

1) 几何模型参数

几何模型参数也就是结构尺寸参数，有限元模型中几何参数的选取，并不是把每一个结构尺寸全部都参数化。原因在于，这里的几何模型实际上是吊耳等结构物理特征的反映，它必须有利于有限元的计算和分析。有时，对于那些于整体分析不重要的细部结构参数甚至可以忽略。同时，对于相互间有约束关系的局部结构，将其尺寸进行关联，修改一个即可驱动与其关联的尺寸随动变化。如在管轴式吊耳的建模上，十字型主筋板的参数只需确定其厚度即可，其它类型的主筋板除厚度外还需确定筋板间距，筋板长度受吊耳长度参数的驱动。不同筋板形式的吊耳建模采用APDL 提供的if else 语句进行类型切换。各种主筋板类型的有限元模型如图3所示。

有限元分

析参数 几何模型参数

物理特性参数

材料特性参数 实常数参数

载荷参数