黃洲，李龍華

（河海大學機電學院，江蘇常州 213022）

0 引言

隨著機械產(chǎn)品更新速度的加快，為了克服傳統(tǒng)設計階段工作重復、效率低的弊病，市面上涌現(xiàn)了諸多CAD/CAM參數(shù)化設計軟件，如本文所提的液壓缸參數(shù)化設計系統(tǒng)。這些軟件可快速建模、生成圖樣，但是對產(chǎn)品性能進行校核、分析的功能相對薄弱。其自帶的校核模塊一般是利用傳統(tǒng)材料力學公式進行計算校核，只能做出定性判斷，不能對產(chǎn)品性能做出深入細致的分析。本文針對液壓缸參數(shù)化設計系統(tǒng)，開發(fā)出基于VB的ANSYS二次開發(fā)模塊，并將其嵌入到系統(tǒng)中，利用ANSYS強大的力學分析功能對產(chǎn)品進行分析、校核，為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)。用戶只需在交互式界面選擇相關(guān)參數(shù)即可實現(xiàn)對液壓缸參數(shù)化設計系統(tǒng)下所生成零件的ANSYS有限元分析，高效完成對產(chǎn)品性能的評定，從而提高液壓缸零件的開發(fā)效率、降低開發(fā)成本?；赩B的ANSYS二次開發(fā)模塊可以使用戶省去對復雜的ANSYS軟件進行研究的時間，大大減輕設計者的工作強度。

1 液壓缸參數(shù)化設計系統(tǒng)

本文所述液壓缸參數(shù)化設計系統(tǒng)采用solidworks建模，利用VB編制人機界面。該系統(tǒng)主要包括整體設計、單獨設計、標準件庫和非標準件庫等模塊，并通過選擇相關(guān)參數(shù)以此確定驅(qū)動尺寸，系統(tǒng)根據(jù)驅(qū)動尺寸定義從動尺寸并生成液壓缸模型。液壓缸參數(shù)化設計使設計人員從大量、繁瑣的繪圖工作中解脫出來，有效提高了設計速度，同時為液壓缸產(chǎn)品的并行設計提供了手段，使用戶在遵循原設計意圖的情況下方便地改動模型，生成系列產(chǎn)品。圖1是該系統(tǒng)單獨設計模塊中用于活塞桿設計的界面窗體。用戶在窗體中輸入活塞桿的有關(guān)尺寸并點擊“生成三維模型”按鈕，程序便驅(qū)動 solidworks建立對應的活塞桿模型。

2 VB對ANSYS的封裝

2.1 ANSYS二次開發(fā)方法

圖1 活塞桿參數(shù)化設計窗口

ANSYS具有強大的前、后處理功能，但使用者必須具有較高的力學知識和分析經(jīng)驗，尤其在前處理階段需要花費較大精力。ANSYS二次開發(fā)模塊則可使用戶不用掌握ANSYS也可進行有限元分析。ANSYS自身提供了三種二次開發(fā)技術(shù)，分別是參數(shù)化設計語言APDL、用戶圖形界面設計語言UIDL和用戶可編程特性UPFs。其中UIDL是針對ANSYS軟件窗口進行修改的語言，用于控制GUI界面的各類二次開發(fā);APDL主要是實現(xiàn)從前處理建模、加載求解到后處理結(jié)果查看等全過程性的參數(shù)化語言;UPFs提供fortran函數(shù)以擴展和修改程序功能，用于實現(xiàn)最復雜的二次開發(fā)。本文所描述的ANSYS二次開發(fā)模塊主要針對液壓缸參數(shù)化設計系統(tǒng)生成的液壓缸零件，模塊的運行實際上是后臺調(diào)用ANSYS相關(guān)文件，介于APDL語言可以實現(xiàn)ANSYS分析的全過程，本文選其作為此次二次開發(fā)的設計語言。

2.2 VB對APDL命令流的調(diào)用

ANSYS的分析過程一般包括前處理建模、加載求解和后處理結(jié)果查看。ANSYS log文件包含分析過程的全部APDL命令流。筆者首先建立對液壓缸各零件如缸體、活塞桿的log文件，對這些文件進行整理，去除不必要的APDL命令流。然后建立關(guān)于材料性能、ANSYS單元類型的數(shù)據(jù)庫，并利用VB建立可視化的圖形交互界面，實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫與log文件中記錄諸如彈性模量、泊松比、單元類型以及網(wǎng)格精度等命令流的對接，完成對log文件的修改。最后再通過VB后臺調(diào)用ANSYS并將修改后的log文件導入ANSYS中進行分析，將結(jié)果云圖調(diào)給用戶。整個過程的流程圖如圖2示。用戶設定不同的參數(shù)值會得到不同尺寸的液壓缸零件，利用ANSYS二次開發(fā)界面，可省去用戶在ANSYS中對同類型零件進行重復性分析所需的時間。

3 實例分析

液壓缸參數(shù)化設計系統(tǒng)中涉及的零件眾多，本文選取其中的核心部件—缸體，作為實例來說明利用VB建立ANSYS二次開發(fā)模塊的過程。

3.1 缸體命令流文件的建立

圖2 調(diào)用流程圖

啟動ANSYS，更改工作文件名為gangti。由于該缸體的結(jié)構(gòu)是軸對稱的，載荷分布在缸體內(nèi)表面，也是軸對稱的，因此將模型沿對稱面除去一半轉(zhuǎn)化為軸對稱問題，方便后期內(nèi)部云圖的查看。選擇單元類型為solid186（3維20節(jié)點實體模型），按20號鋼材料性能定義彈性模量和泊松比，智能分網(wǎng)，精度取默認值。在缸體的兩端面對Ux，Uy，Uz施加約束，在缸體對稱面施加 Symmetry B.C.對稱約束，在缸體內(nèi)表面施加10 MPa的壓力并求解。求解結(jié)束后關(guān)閉ANSYS，找到ANSYS默認路徑下的gangti.log文件，去掉該文件中不必要的命令，如旋轉(zhuǎn)、移動等，即可得到關(guān)于缸體分析的初始命令流文件。

3.2 界面程序

缸體有限元分析界面如圖3所示，用戶在列表中選擇材料，點擊“查看材料性能”按鈕，程序會從數(shù)據(jù)庫中提取相應的材料屬性值并賦給下面的材料性能狀態(tài)框，在“單元類型”和“劃分精度”中選擇相關(guān)參數(shù)，輸入載荷值，便可完成對log文件中控制單元、精度和壓力值等命令流的修改。最后點擊“加載求解”按鈕，系統(tǒng)迅速將新生成的log文件后臺調(diào)用到ANSYS中進行求解。

圖3 缸體有限元分析窗口

利用該界面，用戶可快速完成對缸體的有限元分析，得到缸體的應力和位移等云圖，實現(xiàn)對缸體整體結(jié)構(gòu)性能的全面性判斷，從而可以有針對性地對缸體結(jié)構(gòu)進行改進。

該界面的主要VB程序代碼如下:

3.3 結(jié)果分析

圖4 缸體有限元應力云圖

圖4是調(diào)用“缸體有限元分析”窗口得到的應力云圖。本次分析采用45號鋼，單元類型為solid186（3維20節(jié)點實體模型），網(wǎng)格精度為常用的 6級，載荷值取16 MPa，是該類型液壓缸的公稱壓力值。由云圖分析可知，整個缸體內(nèi)壁受力比較均勻，大致在60 MPa左右;油口的應力值最大，約為149 MPa，而45號鋼的屈服極限為355 MPa，應力值遠小于許用應力，因此在滿足強度、剛度要求的情況下可對缸體進行優(yōu)化設計，適當減小壁厚，節(jié)約成本。

4 結(jié)語

1）本二次開發(fā)模塊彌補了原液壓缸參數(shù)化系統(tǒng)在零件性能分析上的不足。

2）人機友好的交互式界面操作簡單，可省去用戶在ANSYS中對同類型零件進行重復分析所需的操作時間。

3）基于VB的二次開發(fā)模塊具有良好的嵌入性，可作為窗體添加到原液壓缸參數(shù)化設計系統(tǒng)中。

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