APDL参数化有限元分析技术及其应用

０ 引言
分析软件的接口， 导入有限元软件进行网格划分； 二是 生成的三维模型直接在 ＣＡＤ 软件中进行网格划分， 然后
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ＡＰＤＬ （ ＡＮＳＹＳ Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ Ｄｅｓｉｇｎ Ｌａｎｇｕａｇｅ） 即 ＡＮ－ ＳＹＳ 参数化设计语言。它 是 一种 类 似 ＦＯＲＴＲＡＮ 的 解 释 性语言， 提供一般程序语言的功能， 另外还提供简单界 面定制功能， 实现参数交互输入、消息机制、界面驱动 和运行应用程序等。ＡＰＤＬ 扩展 了 传统 有 限 元 分 析 的 范 围， 并开发了更高级运算包括灵敏度研究、零件库参数 化建模、设计修改和设计优化等。其优点如下： ①减少 大量的重复工作， 特别适用于经少许修改后需要多次重 复计算的场合， 可为设计人员节省大量的时间； ②文件 数据量小， 便于保存和携带， 其数据量仅为 ＧＵＩ 数据文 件的千分之一， 无论交流还是应用都很方便； ③不受 ＡＮＳＹＳ 软 件 的 版 本 和 系 统 操 作 平 台 的 限 制 ， 用 户 编 辑 时 即 可 在 Ｗｉｎｄｏｗｓ 平 台 进 行 交流 运 行 ， 也 可 以 在 ＵＮＩＸ 或 其 它的 操 作 平 台 上 运 行 ； ④不 受 ＡＮＳＹＳ 软 件 的 版 本 限 制 ， 一 般 情 况 ， ＡＮＳＹＳ 软 件 以 ＧＵＩ 方 式 生 成 的 数 据 文件只能向上兼容一个版本， 也就是 ＡＮＳＹＳ ７．０ 版本的 软件只能直接调出 ＡＮＳＹＳ ６．１ 版本的数据文件， 而不能 直接调用 ＡＮＳＹＳ ５．７ 及以前的数据文件。而 ＡＰＤＬ 文件
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飞行器设计中的热防护技术是发展可重复使用运载 器的关键性技术之一， 长期以来受到航天航空领域广泛 的关注。文献利用有限元方法并结合有限元软件 ＡＮＳＹＳ 的参数化分析 语 言 ＡＰＤＬ， 建 立 可重 复 使 用 运 载 器 热 防 护系统内部一维传热模型， 模拟再入条件下隔热结构内 部辐射和传导复合换热， 分析再入环境下热防护系统瞬 态温度响应。
摘 要： 为解决使用传统三维有限元建模方法存在的问题， 通过实例探讨 ＡＰＤＬ 参数化有限元分析 技 术 及其应用； 它提供一般程序语言的功能， 实现参数交互输入、消息机制、界面驱动和运行应用 程序等， 并具有文件数据量小， 工作量小等优点。
关键词： ＡＰＤＬ； ＡＮＳＹＳ； 有限元建模； 优化设计 中图分类号： ＴＨ１２２ 文献标识码： Ａ 文章编号： １００２－ ６６７３ （ ２００８） ０２－ １０３－ ０２
Ｏｎ ＡＰＤＬ Ｐａｒ ａｍｅｔｒ ｉｃ ＦＥＡ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｉｔｓ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ
ＸＩＡ Ｒｕｉ－ Ｗｕ （ Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ｊｉａｎｚｈｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ｌｉａｏｎｉｎｇ １１０１６８， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ａｉｍｓ ａｔ ｓｏｌｖｉｎｇ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｔｈａｔ ｃａｎｎｏｔ ｂｅ ｓｅｔｔｌｅｄ ｂｙ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ３－ Ｄ Ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ， ａｎｄ ｔｈｅｎ ｈａｓ ａ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ＡＰＤＬ ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ＦＥＡ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｉｔｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ． ＡＰＤＬ ｐｅｒｆｏｒｍｓ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｍｍｏｎ ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ ｌａｎｇｕａｇｅ ａｎｄ ｍｕｔｕａｌｉｚｅｓ ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ｉｎｐｕｔｓ， ｍｅｃｈａｎｉｚｅｓ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ， ｄｒｉｖｅｓ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ａｎｄ ｏｐｅｒａｔｅｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｐｒｏｇｒａｍｓ． ＡＰＤＬ ｈａｓ ｔｈｅ ｍｅｒｉｔｓ ｏｆ ｓｍａｌｌ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｄｏｃｕｍｅｎｔａｌ ｄａｔａ ａｎｄ ｌｉｔｔｌｅ ｄｅｖｏｔｉｏｎ ｏｆ ｌａｂｏｒ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： ＡＰＤＬ； ＡＮＳＹＳ； ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌｉｎｇ； ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｄｅｓｉｇｎ
则不存在这种限制， 仅有个别命令会有影响； ⑤利用
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ＡＰＤＬ 可以编写一些常用命令的集合即宏命令。
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１ ＡＰ ＤＬ 参数化有限元分析技术的应用
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１．１ ＡＰ ＤＬ 在机械领域的应用
传统曲轴有限元建模通常是两种方法： 一是使用 ＣＡＤ 软件 建 立 三 维 模 型 ， 然 后 通过 ＣＡＤ 软 件 与 有 限 元
电力车转向架方面， 文献采用 ＡＰＤＬ 为基础的有限 元优化设计方法， 将构架结构进行了有效的优化设计分 析， 得到了受力更为合理、应力分布更加均匀的轻量化 构架。
１．４ ＡＰ ＤＬ 在其他领域的应用
ＡＰＤＬ 应 用 领 域 非 常 广 泛 ， 黄 克 权 等 利 用 ＡＰＤＬ 参 数 化 分 析 ， 设 计了 ２５ 号 钢 双 丝 焊 接 仿 真 的 方 法 ， 包 括 有限元模型的参数化建立、焊接热源模型的参数化表 示、热源移动的参数化实现、后处理模式的参数化方
２ ＡＰ ＤＬ 参数化有限元分析技术的展望
虽然对于 ＡＰＤＬ 的研究和应用只是刚刚起步， 但从 各方面的成果我们不难看出它在众多领域中的优越性， 然而这些对于工程及研究是远远不够的， 需要我们更进 一步完善， 主要从几个方面： ①在 ＡＰＤＬ 应用中， 对于 常用的计算方法及建模方法应该系统化、模块化， 从而 减少在常规计算和建模中的时间； ②对于复杂模型， ＡＰＤＬ 的 使 用 受 到 限 制 ， 所 以 要 注 重 软 件 间 的 互 补 性 ， 从 而 更 有 效 的 提 高 ＡＰＤＬ 适 应 性 ； ③ 增 强 程 序 的 可 读 性， 增加解释性语句。
１．３ ＡＰ ＤＬ 在汽车领域的应用
对于车辆耦合振动的有限元计算问题， 目前常采用 的一种方法： 考虑运动的质量点与桥梁做整体振动分 析， 采用质量点生死的方法来模拟。这种方法对于车辆 模型模拟的效果还可以， 但是对于实际中作为一独立的 具有悬挂系、车轮等的振动系统的车辆而言， 模拟的就 过 于 粗 糙 。 文 献 成 功 的 将 ＡＮＳＹＳ 的 ＡＰＤＬ 技 术 运 用 到 模拟中， 并提出了一种将移动质量与弹簧相结合的建立 车辆模型的方法。
复合传热分析［Ｊ］．飞机设计， ２００７， １． ［４］ 陈卓．基于 ＡＮＳＹＳ 二次开发的车桥动力响应方法研究［Ｊ］．铁路计
算机应用， ２００７， ６． ［５］ 李涛， 肖守讷， 陈喜红， 张卫 华．基 于 ＡＰＤＬ 的 高 速 电 力 机 车 转 向
架构架有限元优化［Ｊ］．机车电传动， ２００７， ２．
参考文献： ［１］ 孙明明， 侯力， 王炳炎， 牟赟， 郭春华．ＡＰＤＬ 参数化三维建模的曲
轴有限元模态分析［Ｊ］．机械设计与制造， ２００７， １． ［２］ 唐进元， 刘艳萍， 周长江， 吕文利．基于 ＡＰＤＬ 与 高 级 语 言 的 齿 轮
有限元建模方法［Ｊ］．机械传动， ２００７， ３． ［３］ 赵玲， 吕国志， 任克亮．可重复使用飞行器热防护系统辐射－ 传导
通过接口， 导入有限元软件。这两种方法存在很多缺陷， 如模型信息丢失， 网格不兼容等， 给后续工作造成很大 的麻烦。为了避免使用传统三维有限元建模方法所带来 的问题， 文献摒弃了传统的有限元建模方法， 使用 ＡＰＤＬ 语言， 在 ＡＮＳＹＳ 环境下直接进行某四缸内燃机曲轴的参 数化三维建模及网格划分， 保证了有限元模型和后续分 析过程的无缝连接， 无需繁琐的模型网格修复工作。
ｇｅｎｅｒ ａｔｅｄ ｆｒ ｏｍ ａｄｖａｎｃｅｄ ｌａｎｇｕａｇｅ
研究方向： 机械设计方法。
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·制 造 业 信 息 化·
图 ２ ＡＮＳＹＳ 中生成的齿形几何模型 Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅ ｔｏｏｔｈ－ ｐｒ ｏｆｉｌｅｄ ｇｅｏｍｅｔｒ ｉｃ ｍｏｄｅｌ ｇｅｎｅｒ ａｔｅｄ ｉｎ
ＡＮＳＹＳ
１．２ ＡＰ ＤＬ 在航空航天领域的应用
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－８ －６ －４ －２ ０ ２ ４ ６ ８
图 １ 高级语言生成的曲线合成后的齿形
收稿日期： ２００８－ ０１－ １８
Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ｔｏｏｔｈ ｐｒ ｏｆｉｌｅ ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｃｕｒ ｖｅｓ
作者简介： 夏瑞武 （ １９６９－ ） ， 男， 副教 授 ， 在 读 硕 士 研 究 生 。
第 ２１ 卷第 ２ 期 ２００８ 年 ３ 月
机电产品开发与创新
Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ＆ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ ＆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ
Ｖｏｌ．２１，Ｎｏ．２ ·制 造Ｍａ业ｒ．，信２ ０息０ ８化·
ＡＰ ＤＬ 参数化有限元分析技术及其应用
夏瑞武
（ 沈阳建筑大学， 辽宁 沈阳 １１０１６８）
对于带凸台滚刀加工的齿轮， 由于齿形非常复杂， 若直 接 在 ＡＮＳＹＳ 中 创 建 齿 轮 的 几 何 模 型 ， 或 在 常 用 的 ＣＡＤ 软件中生成的齿形， 齿廓形状都不会很精确。文献 提出采用 ＭＡＴＬＡＢ 或 Ｖｉｓｕａｌ ＦＯＲＴＲＡＮ 等数值计算和处 理能力突出的科学计算软件， 先准确计算出齿廓曲线， 并把曲线上的足够多的样本点坐标以纯文本的形式 “写 入”数据文件中， 再由 ＡＰＤＬ 编程调用该数据文件， 在 ＡＮＳＹＳ 图形窗口中准确地生成齿廓， 图 １ 和图 ２ 分别为 高级 语 言 生 成 的 齿 形 和 ＡＮＳＹＳ 生 成 的 齿 形 ， 从 图 中 可 以看出， 两种方法生成的齿形完全一致。这种方法融合 了两软件的优点， 成功解决了工程中的这一难题。
法； 张 光 明 等 利 用 ＡＮＳＹＳ 软 件 的 ＡＰＤＬ 语 言 编 写 了 程 序， 实现了呈高斯函数分布且移动的焊接热源的施加； 赵 燕 以 ＡＮＳＹＳ 为 平 台 ， 采 用 ＡＰＤＬ 语 言 ， 在 深 基 坑 开 挖工程中， 对土体开挖、支撑架设和拆除等工况的关键 技术问题实现自动动态模拟， 进行参数化建模、计算及 数 据 处 理 ， 为 利 用 ＡＮＳＹＳ 进 行 深 基 坑 工 程 的 数 值 模 拟 提 供 了 一 种 快 捷 方 法 ； 张 慧 等 利 用 ＡＮＳＹＳ 参 数 化 编 程 语言 ＡＰＤＬ， 对侧向 受 荷 桩 土互 相 作 用 方 面 进 行 了 一 些 关 键 性 的 研 究 ； 陈 锦 喜 等 采 用 ＡＮＳＹＳ 的 ＡＰＤＬ 程 序 语 言对某自动武器的复进簧进行参数化建模及有限元分 析； 熊刚等利用软件后处理中的面操作， 通过面积分和 矩阵运算， 编制了 ＡＰＤＬ 宏程序求实体单元模型内力图 的方法。