紀(jì)艷麗，汪惠芬，劉婷婷，鐘維宇

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京210094)

0 引言

在制造業(yè)快速發(fā)展的形勢下，機(jī)床的加工精度、主軸轉(zhuǎn)速和伺服進(jìn)給速度不斷提高，由此造成的熱變形問題也日益突出。數(shù)控機(jī)床在進(jìn)行精加工時的切削力一般不大，與機(jī)械系統(tǒng)靜、動態(tài)特性對加工精度的影響相比，機(jī)床熱誤差已經(jīng)成為影響加工精度的主要因素。所以，現(xiàn)在人們?nèi)遮呎J(rèn)同這樣一個看法:加工精密往往取決于結(jié)構(gòu)熱變形的大小，而且高于動剛度的大小［1］。根據(jù)英國伯明翰大學(xué)JPECLENIK教授調(diào)查統(tǒng)計表明:在精密加工中，熱變形引起的制造誤差占總制造誤差的40% ～70%，熱誤差已經(jīng)成為提高加工精度的主要障礙［2］。德國機(jī)床專家認(rèn)為“降低機(jī)床熱變形是今后研究工作的主題”［3］。

由于計算機(jī)輔助工程(CAE)的迅速發(fā)展，已開發(fā)了用于計算各種復(fù)雜模型的通用分析軟件(例如ANSYS，sap，nastran等)，利用有限元法求解分析溫度場和熱變形成為主流方法。孟玲霞等［4］應(yīng)用ANSYS對車削中心熱邊界條件進(jìn)行了詳細(xì)的分析計算，并且建立了機(jī)床溫度場分析的有限元模型。通過對模型進(jìn)行有限元計算分析，模擬數(shù)控機(jī)床高速加工運(yùn)行狀況，進(jìn)行了整機(jī)溫度場求解，初步預(yù)測了車削中心整機(jī)的溫度場分布，為機(jī)床的有限元熱分析提供了參考，為進(jìn)一步研究機(jī)床溫升控制措施提供了依據(jù)。周芝庭等［5］應(yīng)用ANSYS對以滾珠絲杠、電主軸以及工件的切削熱為整機(jī)熱源的臥式加工中心進(jìn)行了溫度場分析和熱變形分析，為熱變形補(bǔ)償提供了參考。Jin Kyung Choi等人［6］采用有限元模型計算主軸-軸承系統(tǒng)的溫度場分布，通過與實(shí)驗數(shù)據(jù)對比，表明采用有限元法進(jìn)行主軸系統(tǒng)熱分析是完全可行的。

如何在機(jī)床的設(shè)計階段利用這些軟件對所設(shè)計的產(chǎn)品進(jìn)行熱特性的分析和預(yù)測，是機(jī)床行業(yè)亟待解決的一個問題。從大多數(shù)文獻(xiàn)中可以看出ANSYS在溫度場分析和熱變形分析中占有很重要的位置，而且分析結(jié)果是相對可信的。但是ANSYS分析過程比較復(fù)雜，對于不了解ANSYS功能的人需要一定時間的學(xué)習(xí)，而且它的菜單都是英文的，這更加大了使用的難度。此外，在機(jī)床主要零部件的詳細(xì)設(shè)計過程中，國內(nèi)企業(yè)往往采用經(jīng)驗類比方法，缺少對結(jié)構(gòu)部件及整機(jī)的熱特性分析數(shù)據(jù)，沒有全面考慮熱特性對機(jī)床產(chǎn)品性能所產(chǎn)生的影響，也無法預(yù)測機(jī)床零部件變形與整機(jī)結(jié)構(gòu)熱特性之間的關(guān)系，在設(shè)計過程中存在漏洞。為解決行業(yè)設(shè)計依據(jù)不足，加強(qiáng)企業(yè)設(shè)計分析管理的能力，開發(fā)一個能專門分析溫度場、熱變形以及對分析結(jié)果進(jìn)行管理的軟件是很必要的。本文基于ANSYS分析的強(qiáng)大功能，對其進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)質(zhì)是把ANSYS進(jìn)行溫度場和熱變形分析的流程固定化，通過流程來導(dǎo)航溫度場和熱變形的分析。這樣用起來簡單、方便、高效，簡化了ANSYS分析過程，提高了企業(yè)設(shè)計分析管理水平。

1 進(jìn)給系統(tǒng)熱特性分析工具系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 熱特性分析的固化流程

根據(jù)有限元軟件對實(shí)體模型進(jìn)行溫度場分析和熱-結(jié)構(gòu)耦合分析過程的總結(jié)歸納，得出有限元進(jìn)行溫度場和熱-結(jié)構(gòu)耦合分析的流程如圖1所示。即所開發(fā)的進(jìn)給系統(tǒng)軟件的工作流程，實(shí)際上是固化ANSYS熱分析的流程，這樣不僅能把與熱分析不相關(guān)的功能過濾掉，同時簡化的流程能提高分析設(shè)計人員的工作效率，大大節(jié)約分析時間，從而間接地提高設(shè)計效率。

圖1 進(jìn)給系統(tǒng)熱特性分析工具的工作流程

1.2 熱特性分析的軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次

根據(jù)上述進(jìn)給系統(tǒng)熱特性分析的工作流程，并結(jié)合現(xiàn)有熱分析軟件的特點(diǎn)，本著模塊化的設(shè)計原則，把系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次分為應(yīng)用層、功能層、支撐軟件層和數(shù)據(jù)層，如圖2所示，這樣的層次結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了系統(tǒng)的可維護(hù)性和可擴(kuò)展性。

應(yīng)用層即用戶操作界面層，用戶登陸后既可以進(jìn)行相應(yīng)功能的操作，對實(shí)體進(jìn)行溫度場分析和熱—結(jié)構(gòu)耦合分析，或者對分析過的結(jié)果進(jìn)行查詢、保存和生成分析報告說明書等操作。

功能層是系統(tǒng)的核心邏輯層，它一方面從數(shù)據(jù)庫獲取數(shù)據(jù)與ANSYS進(jìn)行交互；另一方面對分析者所做的結(jié)果進(jìn)行分類保存，以方便查詢，減少重復(fù)分析，節(jié)約分析時間。

支撐軟件層是支持平臺開發(fā)的現(xiàn)有CAD/CAE軟件，該系統(tǒng)中包括了建模軟件以及進(jìn)行溫度場分析和熱-結(jié)構(gòu)耦合分析的支撐軟件。

數(shù)據(jù)層主要管理材料的參數(shù)，用戶輸入的參數(shù)和計算出的結(jié)果圖片以及圖片路徑等相關(guān)信息。

之所以選擇ANSYS作為熱特性分析的支撐軟件，集成到熱特性分析軟件中，是因為一方面充分考慮到ANSYS軟件出色的多物理場耦合分析能力，另一方面ANSYS也有著良好的用戶開發(fā)環(huán)境、開放性，用戶可以利用APDL，UIDL，UPFs這些二次開發(fā)工具方便的定制自己的有限元分析程序。

圖2 熱特性分析工具系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)層次

2 熱特性分析工具的關(guān)鍵技術(shù)——基于APDL語言的ANSYS二次開發(fā)

ANSYS作為主流的大型通用有限元分析軟件不僅提供了強(qiáng)大的有限元分析程序，而且具有良好的開放性。為滿足用戶不同層次的需要，ANSYS提供了四種開發(fā)工具，分別是UIDL，UPFs，APDL和數(shù)據(jù)接口［7］，其中APDL參數(shù)化設(shè)計語言(ANSYS Parametric Design Language)作為自動完成有限元常規(guī)分析操作或通過參數(shù)化變量的方式建立分析模型的腳本語言，即程序的輸入可設(shè)定為指定的函數(shù)、變量以及選用的分析類型，通過建立智能化分析的手段，為用戶自動實(shí)現(xiàn)有限元過程分析提供了保障，是完成優(yōu)化設(shè)計和自適應(yīng)網(wǎng)格的最主要的基礎(chǔ)［8］。程曉敏等［9］利用VB語言對ANSYS進(jìn)行二次開發(fā)，開發(fā)了高溫相變儲熱系統(tǒng)模擬功能模塊。韓沖等［10］利用APDL語言和VC++相結(jié)合對ANSYS進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星結(jié)構(gòu)優(yōu)化的計算程序化。但上述二次開發(fā)的實(shí)現(xiàn)過程都是把ANSYS作為后臺處理程序，然后調(diào)用處理后的結(jié)果，界面可視化不強(qiáng)。李新平等［11］在VB的開發(fā)環(huán)境中把ANSYS的圖形界面嵌入到所開發(fā)的機(jī)床動態(tài)特性分析軟件中，使軟件界面具有很強(qiáng)的友好性，讓用戶應(yīng)用自如。本文應(yīng)用C#的開發(fā)環(huán)境，采用APDL語言對ANSYS進(jìn)行二次開發(fā)，熱特性分析軟件與ANSYS之間的交互過程如圖3所示。

圖3 熱特性分析軟件與ANSYS之間的交互過程

實(shí)現(xiàn)交互過程最重要的是把用戶輸入的相關(guān)數(shù)值轉(zhuǎn)換為APDL命令流中相應(yīng)參數(shù)，通過編寫的解析代碼程序傳給ANSYS軟件，相應(yīng)模塊將完成命令流要求的功能，把施加的載荷、網(wǎng)格劃分和計算結(jié)果等顯示在界面上。以上交互過程最關(guān)鍵是對命令流的解析，只有完整、精確、無誤的解析命令流，才能讓ANSYS做出相應(yīng)的反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。解析命令流的關(guān)鍵代碼如下:

publicvoid SendStr(string strAPDL，IntPtr hWnd)

{

int strCount=strAPDL.Length；

string［］strObject=newString［strCount］；

for(int i=0；i＜ =strCount-1；i++)

{

strObject［i］=strAPDL.Substring(i，1) ；

……

SendMessage(hWnd，WM_CHAR，Convert.ToInt16(strChar［0］)，0x1C0001)；

}

SendMessage(hWnd，WM_KEYDOWN，VK_RETURN，0x1C0001)；

}

其中，Sendtr函數(shù)是用于解析ANSYS命令流，向ANSYS發(fā)送命令的接口方法定義。SendMessage是C#的API函數(shù)，用于向ANSYS傳送命令消息。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

本文以某機(jī)床廠的雙驅(qū)動進(jìn)給系統(tǒng)為例，在轉(zhuǎn)速為1 500r/min的情況下，設(shè)置了如表1所示的相關(guān)參數(shù)，進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)溫度場的分析。

表1 雙驅(qū)動進(jìn)給系統(tǒng)在轉(zhuǎn)速為1 500 r/min的相關(guān)參數(shù)

將邊界條件和熱生成率(或熱流密度)施加到相應(yīng)的面或體上，按照左側(cè)的導(dǎo)航流程逐步進(jìn)行，完成了此進(jìn)給系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)溫度場分析。其中涉及到的網(wǎng)格劃分結(jié)果、軸承產(chǎn)熱量、絲杠產(chǎn)熱量以及穩(wěn)態(tài)溫度場分析結(jié)果如圖4，圖5(a)(b)，圖6所示。

圖4 網(wǎng)格劃分圖

圖5 熱量計算

圖6 穩(wěn)態(tài)溫度場分析結(jié)果

相應(yīng)的還可以對進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行瞬態(tài)溫度場和熱-結(jié)構(gòu)耦合分析。

4 結(jié)語

本文在C#的開發(fā)環(huán)境下，用APDL對ANSYS進(jìn)行二次開發(fā)，登陸到軟件界面，通過批處理文件啟動ANSYS，使ANSYS的圖形界面自動嵌入到所開發(fā)的軟件中，同時以固化熱分析流程作為軟件開發(fā)的導(dǎo)航，實(shí)現(xiàn)了進(jìn)給系統(tǒng)溫度場分析和熱—結(jié)構(gòu)耦合分析。這樣不僅使用戶更直觀的對模型進(jìn)行操作，而且簡化了操作步驟，即使對ANSYS不熟悉的設(shè)計人員，也能操作此軟件，增加了可操作性。

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