階梯軸的有限元分析及其優(yōu)化.doc

學(xué)校代號 學(xué) 號 分 類 號 密 級 HUNAN UNIVERSITY碩士學(xué)位論文階梯軸的有限元分析及其優(yōu)化專用軟件的開發(fā)學(xué)位申請人姓名 李 實 培 養(yǎng) 單 位 機械與汽車工程學(xué)院 導(dǎo)師姓名及職稱 陳芳祖 副教授 學(xué) 科 專 業(yè) 機械電子工程 研 究 方 向 機械制造自動化及有限元分析 論文提交日期 2008年4月 摘 要軸是組成機械的重要零件之一，它用來安裝各種傳動零件，使之繞其軸線旋轉(zhuǎn)，傳遞轉(zhuǎn)矩或回轉(zhuǎn)運動，并通過軸承與機架或機座相聯(lián)結(jié)。其結(jié)構(gòu)參數(shù)和加工工藝水平不僅影響著整個機械的尺寸和重量，也在很大程度上影響著機械的可靠性與壽命。因此階梯軸的設(shè)計研究是機械設(shè)計必不可少的重要組成部分。ANSYS是一個功能十分強大的、通用性很強的有限元分析軟件，本文采用ANSYS的參數(shù)化設(shè)計語言APDL與VISUAL C+結(jié)合起來進行開發(fā)階梯軸的有限元分析及其優(yōu)化專用軟件。該系統(tǒng)共包括四個部分:用戶界面模塊、ANSYS計算模塊、VC調(diào)用接口模塊和后處理模塊。用VC的對話框編程來編制用戶界面模塊，用ANSYS的參數(shù)化設(shè)計語言APDL編寫ANSYS計算模塊，并通過VC調(diào)用接口模塊，將VC與APDL編寫的命令流嵌套起來:用VC將APDL命令流寫入指定的文本文件中，并提取對話框控件中的數(shù)據(jù)賦給APDL中的數(shù)據(jù)變量，然后通過批處理方式啟動ANSYS調(diào)用APDL命令流進行建模、網(wǎng)格劃分、載荷施加以及計算等有限元分析過程，計算完畢之后針對階梯軸現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，進行優(yōu)化設(shè)計。以階梯軸為優(yōu)化對象，以提高性能和節(jié)約成本為優(yōu)化目標(biāo)。利用ANSYS的APDL參數(shù)化設(shè)計語言，選用ANSYS自帶的優(yōu)化工具完成階梯軸的優(yōu)化，使階梯軸結(jié)構(gòu)重量最輕，并具有良好的強度性能。最后通過將該系統(tǒng)應(yīng)用于六階階梯軸的實例，并將該實例的理論計算值與有限元分析值進行比較，驗證了該系統(tǒng)的可行性和計算結(jié)果的可參考性。實踐證明，采用大型有限元分析軟件ANSYS的二次開發(fā)語言APDL和VISUAL C+ 6.0的界面開發(fā)技術(shù)，研究開發(fā)階梯軸的有限元分析及其優(yōu)化專用軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)了階梯軸建模和分析計算的自動化、智能化，大大減小階梯軸建模與分析的工作量，提高了新產(chǎn)品研發(fā)效率。關(guān)鍵詞:階梯軸、有限元分析、參數(shù)化用戶界面、重量優(yōu)化、APDL ABSTRACTAxis is an important component parts of machinery, It used to install a variety of transmission parts, so that the rotation around its axis, transmission torque or rotary movement, and through the bearing and a rack or frame of the association. The structure parameters and the level of processing technology not only affects the entire machinery of the size and weight, are largely affect the reliability of machinery and life. Therefore stepped shaft on the design of mechanical design is essential for an important component part.ANSYS is a function of very powerful, very strong universal finite element analysis software, Based on APDL of the current finite element analysis software ANSYS and the object-oriented programming language Visual C+，the parameterized finite element analysis system of multidiameter is developed. There are four major parts of this system:the user interface part,ANSYS analysis part,VC interface part and the post processor part，Using dialogue box programming of VC to make user face，using APDL to realize the ANSYS parameterized finite element analysis process,then the APDL order and VC code:writing APDL order to appointed text file，then run ANSYS through batch file to call APDL order and realize the finite element analysis.When solving is ended,user can check and deal with the result through the post processor part.Aiming at improving the performance of the product and retrenching the cost,the optimization of multidiameter is realized. Parameterizing the multidiameter model using APDL and adopting the design optimization tool in ANSYS,the optimum structure of this multidiameter is obtained,with better torsional fatigue strength.Finally, the system used in the six bands multidiameter.The feasibility and the credibility of this system are proved，by using this system to a case and comparing the finite element analysis results and the theoretical results of the case.Practice proved that multidiameter of finite element analysis and optimization system is developed by utilizing VC and APDL which is a secondary development language of ANSYS in this thesis.It can create and analysis the multidiameter automatically and intelligently.So it can reduce the multidiameter design load and advance Efficiency.Key words:finite element method, multidiameter,parametrical,ANSYS，APDL目 錄摘要ABSTRACT第1章 緒論1.1 本文研究的目的和意義1.1.1 本文研究的目的1.1.2 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀1.1.3 本文的研究意義1.2 本文研究的主要內(nèi)容1.3 階梯軸結(jié)構(gòu)參數(shù)化有限元分析系統(tǒng)的方法1.3.1系統(tǒng)要實現(xiàn)的目標(biāo)1.3.2 ANSYS二次開發(fā)技術(shù)1.3.2.1 參數(shù)化技術(shù)和參數(shù)化設(shè)計語言APDL1.3.2.2 用戶界面設(shè)計語言UIDL1.3.2.3 用戶程序特性UPFs1.3.2.4 ANSYS數(shù)據(jù)接口1.3.3 面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)1.3.3.1 面向?qū)ο蠓椒?.3.3.2 面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計1.3.3.3 面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計語言VISUAL C+ 1.4 本章小結(jié)第2章 有限單元法和有限元分析軟件ANSYS2.1 彈性力學(xué)基本方程2.1.1 彈性力學(xué)的基本量2.1.2 外力與內(nèi)力的關(guān)系靜力平衡方程2.1.3 位移與應(yīng)變的關(guān)系幾何方程2.1.4 應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系物理方程2.2 有限元原理2.3 ANSYS軟件簡介2.3.1 ANSYS軟件基本構(gòu)架2.3.2 ANSYS的典型分析過程2.4 ANSYS參數(shù)化設(shè)計語言APDL及ANSYS命令流2.5 本章小結(jié)第3章 軸分析算法思想3.1 階梯軸簡介3.2 階梯軸的設(shè)計3.2.1 階梯軸的材料3.2.2 階梯軸的設(shè)計內(nèi)容3.2.3 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計3.2.4 提高軸的疲勞強度的結(jié)構(gòu)措施3.3 軸的強度計算3.3.1 按扭轉(zhuǎn)強度或剛度計算3.3.2 按彎扭合成強度計算3.4 軸的剛度校核3.4.1 軸的扭轉(zhuǎn)剛度3.4.2 軸的彎曲剛度3.5 疲勞強度的基本理論3.5.1 影響疲勞強度的主要因素3.5.2 軸的疲勞強度計算 3.6 本章小結(jié)第4章 VISUAL C+與APDL相互嵌套的實現(xiàn)4.1 VISUAL C+與APDL的相互嵌套4.1.1 VISUAL C+對話框編程4.1.2 VISUAL C+中文本文件的讀寫4.1.3 VISUAL C+中APDL命令流文件讀寫的實現(xiàn)4.2 VISUAL C+調(diào)用ANSYS以批處理方式運行的實現(xiàn)4.2.1 進程和線程4.2.2 ANSYS批處理方式運行的程序?qū)崿F(xiàn) 4.3 本章小結(jié)第5章 用戶界面模塊的實現(xiàn)5.1 軟件編寫思想5.2 階梯軸有限元模型的規(guī)范化5.2.1幾何模型的選取5.2.2 參數(shù)化建模5.2.3網(wǎng)格單元的選擇5.2.3.1網(wǎng)格類型5.2.3.2定義單元屬性 5.2.2 加載情況的規(guī)范化5.3 階梯軸有限元分析的參數(shù)化5.4 參數(shù)化階梯軸有限元分析系統(tǒng)的開發(fā)5.4.1 參數(shù)化階梯軸有限元分析系統(tǒng)的工作流程和原理5.4.2 參數(shù)化階梯軸有限元分析系統(tǒng)功能介紹5.5 本章小結(jié)第6章階梯軸優(yōu)化設(shè)計6.1 ANSYS優(yōu)化概述6.1.1基本概念6.1.2 優(yōu)化設(shè)計的步驟6.2 階梯軸的優(yōu)化6.2.1 主軸的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型6.2.2 主軸優(yōu)化的實現(xiàn) 6.3 本章小結(jié)第7章 階梯軸分析示例7.1 參數(shù)化設(shè)計流程7.2 有限元模型的自動生成7.3 網(wǎng)格劃分7.4 載荷的計算7.5 運行結(jié)果7.6 優(yōu)化結(jié)果7.7 本章小結(jié)第8章 結(jié)論與展望8.1 結(jié)論8.2 展望參考文獻致謝第1章 緒論1.1 本文研究的目的和意義1.1.1 本文研究的目的軸系零件是機械產(chǎn)品中的通用零件，應(yīng)用非常廣泛。軸系零部件的設(shè)計效率直接影響了機械產(chǎn)品的設(shè)計效率。軸是組成機械結(jié)構(gòu)的重要零件之一。它是軸系零件中的主要零件, 也是支撐軸上零件、傳遞運動和動力的關(guān)鍵部件。機器的工作能力和工作質(zhì)量在很大程度上都與軸有關(guān), 軸一旦失效, 有可能造成嚴重后果。軸的設(shè)計不同于一般零部件的設(shè)計。它包含兩個主要內(nèi)容: 強度設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計。為了保證其足夠的工作能力, 必須對軸進行強度計算, 必要時還要做剛度計算、振動穩(wěn)定性計算等。為了保證安裝在軸上的零件能正確地定位和固定, 滿足軸的加工和裝配的要求, 必須合理地定出軸各部分形狀和結(jié)構(gòu)尺寸, 也即進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。實際設(shè)計中,強度計算和結(jié)構(gòu)設(shè)計互相關(guān)聯(lián)、互相影響, 需要不斷地交互進行1。有限元技術(shù)的出現(xiàn)，為工程設(shè)計領(lǐng)域提供了一個強有力的計算工具，經(jīng)過迄今約半個世紀的發(fā)展，它已日趨成熟實用，在近乎所有的工程設(shè)計領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。有限元技術(shù)的應(yīng)用，使得幾何形狀復(fù)雜的零件，其強度和剛度等計算能夠?qū)崿F(xiàn)，且其精度滿足工程實際需要；同時提高了機械零部件設(shè)計的可靠性，縮短了設(shè)計周期，大大推動了機械工業(yè)的發(fā)展。本課題的設(shè)計思想是通過面向?qū)ο蟮姆椒?，實現(xiàn)自動計算階梯軸精確強度及其優(yōu)化分析的有限元軟件的開發(fā)。1.1.2 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 有限元方法的發(fā)展，其基本思想的提出可以追溯到上世紀40年代初。1956年，美國波音飛機制造公司M.J.Tuner和R.W.Clough等人2分析大型飛機結(jié)構(gòu)時，第一次采用了直接剛度法，給出了用三角形單元求解平面應(yīng)力問題的正確解答，從而開創(chuàng)了利用電子計算機求解復(fù)雜彈性平面問題的新局面。有限元或有限單元 (Finite Element)這一術(shù)語，是R.W.Clough3于1960年在一篇論文中首次提出的。隨著計算機的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，有限單元法得到了巨大的發(fā)展，成為在計算數(shù)學(xué)、計算力學(xué)和工程科學(xué)領(lǐng)域的最有效的計算方法。它己成為科學(xué)研究和工程設(shè)計必不可少的數(shù)值分析工具。隨之出現(xiàn)了很多通用和專用的有限元計算軟件，著名的有ANSYS、ABAQUS、Ideas、Marc等，其中ANSYS的應(yīng)用最為廣泛。經(jīng)過30多年的發(fā)展，它已經(jīng)成為一個功能強大的，靈活的設(shè)計分析及優(yōu)化的軟件系統(tǒng)。在機械工程中，小到螺栓、軸承等通用零件，大到機床、汽車、飛機等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和應(yīng)變分析，采用有限元法計算均可以獲得一個足夠精確的近似解來滿足工程實際上的要求。目前，國內(nèi)外機床廠家已經(jīng)在機床設(shè)計中廣泛地應(yīng)用有限元分析方法，并在機床基礎(chǔ)件(如床身、立柱、框架等)和主軸部件等的靜、動態(tài)特性分析計算中取得成就。在國外Velagala R.Reddy4等人利用有限元法對車床主軸建模，并以軸承間隙，軸承剛度以及工件直徑大小為設(shè)計參數(shù)，對其進行靜、動態(tài)分析。A.M.Sharan5對實際車床的主軸進行動態(tài)分析。K.W.Wang和C.H.Chen6對高速主軸一軸承系統(tǒng)的動力學(xué)特性進行了詳細研究，指出在高速條件下滾動軸承的剛度隨轉(zhuǎn)速的升高而降低，導(dǎo)致主軸系統(tǒng)的固有頻率隨之下降。在國內(nèi)，西安交通大學(xué)張波、陳天寧7等在ANSYS環(huán)境中建立了機床主軸部件的有限元動力學(xué)模型，并對主軸部件進行了靜、動態(tài)特性的計算和動態(tài)優(yōu)化設(shè)計。他們在對某型數(shù)控車床進行空運轉(zhuǎn)、切削及模態(tài)試驗的基礎(chǔ)上，確定了機床主軸部件動剛度薄弱是引起機床切削的結(jié)構(gòu)顫振方面的原因。據(jù)此建立了簡化的有限元動力學(xué)模型，在ANSYS中分析其前8階的模態(tài)頻率，確定動態(tài)優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)，然后設(shè)計和修改主軸的結(jié)構(gòu)使之達到預(yù)期的動態(tài)特性。武漢理工大學(xué)陳龍、文湘隆8等人以ANSYS為基礎(chǔ)對各類軸進行了分析與優(yōu)化設(shè)計。他們先用ANSYS校核普通圓軸的強度、剛度和臨界速度，并給出在滿足要求情況下軸的優(yōu)化設(shè)計方法。優(yōu)化設(shè)計時，以軸的直徑作為設(shè)計變量，應(yīng)力、應(yīng)變、臨界轉(zhuǎn)速作為狀態(tài)變量，軸的總重作為目標(biāo)函數(shù)，在ANSYS中進行參數(shù)定義，優(yōu)化設(shè)計。隨著CAD/CAM/CAE技術(shù)的不斷發(fā)展，有限元分析、優(yōu)化設(shè)計方法等現(xiàn)代機床設(shè)計方法的發(fā)展與推廣運用，將對我國機床制造業(yè)發(fā)展起著重要的促進作用。1.1.3 本文的研究意義在產(chǎn)品設(shè)計和開發(fā)過程中，零、部件的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化和系列化是提高產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期的有效途徑。參數(shù)化設(shè)計方法作為一種靈活多變的CAD方法，采用參數(shù)化模型，通過調(diào)整參數(shù)來修改和控制幾何形狀，進行產(chǎn)品的造型。它將圖形尺寸與一定的設(shè)計參數(shù)相關(guān)聯(lián)，即將圖形尺寸看成是設(shè)計參數(shù)的函數(shù)，當(dāng)設(shè)計條件發(fā)生變化時，圖形尺寸便會作相應(yīng)的變化，是實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、通用化和系列化的重要途徑。APDL是ANSYS參數(shù)化設(shè)計語言，提供一般程序語言的功能，如參數(shù)、標(biāo)量、向量及矩陣運算、宏、分支、循環(huán)、重復(fù)以及訪問ANSYS 有限元數(shù)據(jù)庫等。利用APDL 語言編制宏文件，即可實現(xiàn)參數(shù)化建模分析，大大提高工作效率。另外，參數(shù)化建模也是進行產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計的要求。因為在優(yōu)化設(shè)計的迭代中需要不斷地變更設(shè)計變量，故建模中有關(guān)設(shè)計變量數(shù)值應(yīng)該以參數(shù)化的形式輸入。在此基礎(chǔ)上，利用Visual C +語言開發(fā)出用戶操作界面，實現(xiàn)參數(shù)化分析，即使用戶對ANSYS軟件不熟悉，也可以輕松對結(jié)構(gòu)相同、尺寸相異的機構(gòu)進行分析。1.2 本文研究的主要內(nèi)容本文在系統(tǒng)開發(fā)的過程中，主要將整個系統(tǒng)分成四個模塊:用戶界面模塊、ANSYS計算模塊、VISUAL C+調(diào)用接口模塊和后處理模塊，因此本文研究的主要內(nèi)容就是這四個模塊的實現(xiàn)。如圖1.1為整個系統(tǒng)的一個框架圖。用戶界面模塊VC調(diào)用接口模塊接受輸入ANSYS計算模塊調(diào)用用戶界面模塊計算結(jié)束圖1.1 系統(tǒng)框架圖用戶界面模塊用VISUAL C+編制輸入?yún)?shù)對話框，同時起到一個向?qū)У淖饔?，使設(shè)計者在對話框的指引下輸入需要的參數(shù)，按一定的順序完成有限元分析和后處理。ANSYS計算模塊由APDL語言編寫，完全實現(xiàn)有限元建模、求解和后處理的參數(shù)化，并按照需要將不同的功能部分保存成不同的模塊。VISUAL C+調(diào)用模塊在本系統(tǒng)中起著接受用戶界面輸入、創(chuàng)建進程調(diào)用ANSYS進行計算的重要作用。因此在VISUAL C+調(diào)用模塊中主要有兩方面的工作需要做:一是要使接口程序可以修改ANSYS命令流文件的保存路徑和文件名稱，二是要能夠在接口程序中實現(xiàn)ANSYS以批處理方式運行。最后一個模塊為后處理模塊，在這個模塊中，有兩種方案可以采用:一種是用APDL編寫命令流將需要的結(jié)果保存成圖片文件的形式，不用啟動ANSYS，直接通過VISUAL C+調(diào)用顯示這些圖片:另一種方案是將不同工況計算結(jié)束后的結(jié)果模型保存成不同的數(shù)據(jù)文件，然后針對每一種工況的數(shù)據(jù)文件，用APDL編寫一個調(diào)用宏文件，在ANSYS中加載這些宏文件形成一系列工具條。要查看的時候，就用VISUAL C+將ANSYS啟動(當(dāng)然要出現(xiàn)ANSYS界面)，設(shè)計者可以根據(jù)自己的需要在ANSYS中查看相應(yīng)的結(jié)果情況。在以后的章節(jié)中，將分別對這幾個模塊功能的實現(xiàn)進行詳細的介紹。首先在第4章介紹面向?qū)ο蠹夹g(shù)和VISUAL C+調(diào)用模塊的實現(xiàn)；第5章介紹用戶界面模塊，并結(jié)合實例說明整個系統(tǒng)的運作流程;第7章結(jié)合實例介紹進行后處理的模塊，并將理論計算的實例的計算結(jié)果與利用該系統(tǒng)計算得出的結(jié)果進行比較，證明該系統(tǒng)的可行性;第8章對本文所做的工作進行總結(jié)，并展望未來要做的工作。課題所做的主要工作有下列幾個方面:。、在有限元軟件ANSYS中實現(xiàn)階梯軸的精確建模課題研究了利用ANSYS軟件自身的建模功能建立較精確的階梯軸模型的方法，減少了資源浪費，軟件投入，避免了在CAD軟件(PRO/E, SOLIDWORK等)中建模后導(dǎo)入ANSYS時引起的數(shù)據(jù)流失。、階梯軸受力情況的分析課題著重探討了以階梯軸為實例，利用ANSYS現(xiàn)有的接觸分析功能來實現(xiàn)機構(gòu)的整體分析的方法。并且，在接觸分析后期比較了不同的加載方式和實常數(shù)取值對分析結(jié)果產(chǎn)生的影響，最終確定了合理的加載方式和實常數(shù)取值，為下一步建立參數(shù)化分析命令流打好基礎(chǔ)。、參數(shù)化本課題在ANSYS軟件傳統(tǒng)的GUI操作方式的基礎(chǔ)上，結(jié)合上一部分的建模、加載等方法，利用APDL語言對菜單操作的過程中的各項命令進行修改，形成了可直接調(diào)用的參數(shù)化命令流文件，為下一步的軟件開發(fā)提供了最重要的幫助。、軟件開發(fā)用Visual C+語言編制相應(yīng)的軟件，集成ANSYS有限元分析的全部功能。以此為平臺，根據(jù)用戶輸入的參數(shù)，自動寫入ANSYS命令流文件，實現(xiàn)參數(shù)在軟件中自動傳遞，計算完成后可方便調(diào)用仿真動畫和應(yīng)力云圖。1.3 階梯軸結(jié)構(gòu)參數(shù)化有限元分析系統(tǒng)的方法1.3.1系統(tǒng)要實現(xiàn)的目標(biāo)首先，從易用性方面考慮，該系統(tǒng)應(yīng)具有良好的用戶界面。系統(tǒng)的前臺設(shè)計要采用Windows提供的標(biāo)準(zhǔn)圖形用戶界面，用戶不需要接受專門訓(xùn)練就可以使用;第二，在功能上，允許用戶輸入計算所需要的各種參數(shù)，可以進行工況選擇，用戶通過界面調(diào)用后臺的程序進行計算后，能夠得到最后的計算結(jié)果文件，供用戶進行后處理和結(jié)果分析;第三，從通用性考慮，要在各種計算機系統(tǒng)中都可以使用，且程序代碼具有開放性和可重用性，這樣，在進一步的設(shè)計中，可以允許設(shè)計者對代碼進行修改和擴充，滿足不同的需要。基于上述三種考慮，選用VISUAL C+和ANSYS作為系統(tǒng)的開發(fā)工具。前面己經(jīng)介紹過ANSYS是目前最通用的有限元分析軟件，其強大的功能完全可以滿足本系統(tǒng)分析計算的需要。并且它提供的二次開發(fā)語言APDL(ANSYS Parametric Design Language)可以將ANSYS封裝起來。參數(shù)化設(shè)計語言APDL是一種高效的參數(shù)化建模手段，使用APDL語言進行封裝以后的ANSYS系統(tǒng)，可以只要求操作人員輸入前處理參數(shù)，然后自動運行ANSYS進行計算求解。但完全使用APDL編寫的宏還存在弱點，比如用APDL語言較難控制程序的進程，雖然它提供了循環(huán)語句和條件判斷語句，但總的來說還是難以用來編寫結(jié)構(gòu)清晰的程序，雖然它提供了參數(shù)的界面輸入，但功能還不是太強，交互性不夠流暢，而VISUAL C+可以彌補這種缺陷。目前也有很多人在嘗試用VISUAL C+與ANSYS結(jié)合起來開發(fā)通用的有限元分析系統(tǒng)，因此本文采用ANSYS的參數(shù)化設(shè)計語言APDL與VISUAL C+結(jié)合起來進行開發(fā):用VISUAL C+開發(fā)前臺界面，后臺用APDL語言編寫有限元分析程序，并將兩者嵌套起來，通過VISUAL C+創(chuàng)建進程，調(diào)用ANSYS以批處理方式后臺運行APDL編寫的宏命令文件，來實現(xiàn)前處理有限元建模和求解分析的過程。1.3.2 ANSYS二次開發(fā)技術(shù) 由于使用ANSYS解決的問題是具有復(fù)雜的科學(xué)和工程背景的難題，而且ANSYS又是一個知識和智慧密集的復(fù)雜高科技產(chǎn)品，它對用戶的力學(xué)、有限元理論和數(shù)學(xué)的等知識有較高的要求，所以對ANSYS進行二次開發(fā)是很有意義的。前面介紹過，ANSYS提供的二次開發(fā)接口和語言主要由參數(shù)化設(shè)計語言APDL，用戶界面設(shè)計與語言UIDL(User Interface Design Language)，用戶程序特性UPFs(User Program Features)和ANSYS數(shù)據(jù)接口四部分組成。本文在系統(tǒng)開發(fā)中使用了ANSYS的參數(shù)化設(shè)計語言APDL，這里就對ANSYS的二次開發(fā)工具做一個簡單的介紹。1.3.2.1 參數(shù)化技術(shù)和參數(shù)化設(shè)計語言APDL隨著現(xiàn)代化工業(yè)的高速發(fā)展，產(chǎn)品的功能、結(jié)構(gòu)的日趨復(fù)雜，新產(chǎn)品更新?lián)Q代周期的不斷縮短，設(shè)計在產(chǎn)品的整個生命周期中占據(jù)了越來越重要的地位。因此隨著CAD/CAE軟件的進一步發(fā)展，為了將設(shè)計師們從反復(fù)的設(shè)計工作中解放出來，提高設(shè)計的效率和質(zhì)量，一個最好的辦法就是實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計的參數(shù)化。一般來說，參數(shù)化設(shè)計是指通過改動模型某一部分或幾部分的尺寸，自動完成模型中其它相關(guān)部分的改動，從而實現(xiàn)尺寸對模型的驅(qū)動。ANSYS作為功能強大的通用有限元分析軟件，也提供了它自身的參數(shù)化設(shè)計語言APDL。APDL實質(zhì)上是由類似于FORTRAN77的程序設(shè)計語言部分和1000多條ANSYS命令組成9。其中，程序設(shè)計語言部分與其它編程語言一樣，具有參數(shù)、數(shù)組表達式、函數(shù)、流程控制(循環(huán)與分支)、重復(fù)執(zhí)行命令、縮寫、宏以及用戶程序等。APDL不僅是設(shè)計優(yōu)化和自適應(yīng)網(wǎng)格劃分等經(jīng)典特性的實現(xiàn)基礎(chǔ)，而且它也為日常分析提供了很多的便利10。標(biāo)準(zhǔn)的ANSYS程序運行是由1000多條命令驅(qū)動的。從ANSYS命令的功能上講，APDL語言分別對應(yīng)ANSYS分析過程中的定義幾何模型、劃分單元網(wǎng)格、材料定義、添加載荷和邊界條件、控制和執(zhí)行求解以及后處理計算結(jié)果等指令。用戶可以利用APDL語言將ANSYS命令組織起來，編寫出參數(shù)化的用戶程序，從而實現(xiàn)有限元分析的全過程，即建立參數(shù)化的CAD模型、參數(shù)化的網(wǎng)格劃分與控制、參數(shù)化的材料定義、參數(shù)化的載荷和邊界條件定義、參數(shù)化的分析控制和求解以及參數(shù)化的后處理。另外，還可以用APDL語言編寫宏。宏是具有某種特殊功能的命令組合，實質(zhì)上是參數(shù)化的用戶小程序，可以當(dāng)作ANSYS的命令處理。如果把宏編寫成一個便于記憶和比較通用的宏，還可以在ANSYS的工具條上當(dāng)作命令來使用。利用APDL語言進行編程和調(diào)試都比較容易。隨便打開一種文本編輯器，如寫字板，記事本等，用戶就可以直接進行參數(shù)化命令流的編寫。對于不熟悉APDL語言的用戶，也可以采取從日志文件中提取命令流的方式進行APDL編程。因為一般利用GUI方式進行有限元分析時，ANSYS會自動將每一步GUI操作對應(yīng)的命令流記錄在LOG文件里。用戶可以用文本編輯器打開LOG文件，然后提取有用的APDL命令流。一般在編程的過程中，可以將兩者結(jié)合起來。1.3.2.2 用戶界面設(shè)計語言UIDLUIDL(User Interface Design Lauguage)是編寫或改造ANSYS圖形界面的專用設(shè)計語言，GUI方面幾乎全部的二次開發(fā)功能都依靠它來完成。它主要完成以下三種圖形界面的設(shè)計:主菜單系統(tǒng)、菜單項對話框和拾取對話框幫助系統(tǒng)。UIDL主要具有以下的功能:具有組織強大的菜單系統(tǒng)，即使在ANSYS中也能做成可以和VC、VB之類主流GUI開發(fā)工具媲美的菜單響應(yīng)效果;能夠構(gòu)建功能豐富的對話框;建立自己的聯(lián)機幫助;通過用戶界面設(shè)計語言(UIDL)，用戶可以在擴充ANSYS功能的同時建立起對應(yīng)的圖形驅(qū)動界面，如在主菜單的某位置增加菜單項，設(shè)計對應(yīng)的對話框、拾取對話框，實現(xiàn)參數(shù)的輸入和其它程序運行的控制，同時提供相應(yīng)的聯(lián)機幫助，使操作者能方便地獲取系統(tǒng)幫助等。1.3.2.3 用戶程序特性UPFs用戶程序特性(UPFs)向用戶提供豐富的FORTRAN77用戶程序開發(fā)的子程序和函數(shù)，用戶利用它們從開發(fā)程序源代碼的級別上擴充ANSYS的功能。使用這些子程序和函數(shù)，編寫用戶功能的源代碼程序，在與ANSYS版本要求匹配的FORTRAN或C+編譯器上重新編譯和連接，生成用戶版本的ANSYS程序。另外，還提供了外部命令功能，允許用戶創(chuàng)建ANSYS可以利用的共享庫。用戶可以開發(fā)下列方面的功能程序:開發(fā)用戶子程序，實現(xiàn)從ANSYS數(shù)據(jù)庫中提取數(shù)據(jù)或?qū)?shù)據(jù)寫入ANSYS數(shù)據(jù)庫。該種子程序可以編譯連接到ANSYS中，此時ANSYS提供了10個數(shù)據(jù)庫操作命令。如果作為外部命令處理，可以在ANSYS的任何模塊中運行;利用ANSYS提供的子程序定義各種類型的載荷，其中包括BF或BEF載荷、壓力載荷、對流載荷、熱通量和電荷密度等;利用ANSYS提供的子程序定義各種材料特性，包括塑性、蠕變、膨脹、粘塑性、超彈、層單元失效準(zhǔn)則等;利用ANSYS提供的子程序定義新單元和調(diào)整節(jié)點方向矩陣;利用ANSYS提供的子程序修改或控制ANSYS單元庫中的單元;利用UEROP創(chuàng)建用戶優(yōu)化程序;ANSYS程序作為子程序在用戶程序中調(diào)用。1.3.2.4 ANSYS數(shù)據(jù)接口ANSYS程序在分析過程中存在大量的設(shè)計分析數(shù)據(jù)，一部分在運行時置于計算機的內(nèi)存之中，一部分以文件的形式存放在工作目錄中。除LOG文件和出錯文件等文本文件之外，其它文件都是二進制文件，分別以不同的格式進行寫入，如:數(shù)據(jù)庫文件、結(jié)果文件、模態(tài)結(jié)果文件、單元矩陣文件、子結(jié)構(gòu)矩陣文件、對角化剛度矩陣文件、縮減位移矩陣文件、縮減頻率矩陣文件和完整的剛度質(zhì)量矩陣文件等等。ANSYS數(shù)據(jù)接口詳細地闡述每種二進制文件的格式，然后介紹從這些數(shù)據(jù)文件提取各種數(shù)據(jù)的子程序或函數(shù)，從而實現(xiàn)對二進制數(shù)據(jù)的讀寫和修改。它滿足了用戶以下三種基本需要:檢查或觀察過程數(shù)據(jù)或結(jié)果數(shù)據(jù);通過修改ANSYS的數(shù)據(jù)文件達到控制或修正計算;提取結(jié)果數(shù)據(jù)進行分析處理。ANSYS數(shù)據(jù)接口提供了兩條模型和數(shù)據(jù)庫信息的轉(zhuǎn)換和傳遞命令，即CDREAD和CDWRTIE，前者將一個符合ANSYS讀入或?qū)懗龈袷降哪Ｐ秃蛿?shù)據(jù)庫文件信息讀入到ANSYS數(shù)據(jù)庫中，后者的作用正好相反。ANSYS數(shù)據(jù)接口還闡述了圖形文件的格式，幫助用戶將ANSYS圖形文件轉(zhuǎn)換成其它格式。1.3.3 面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)1.3.3.1 面向?qū)ο蠓椒嫦驅(qū)ο蠓椒ㄊ?0世紀90年代計算機研究領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的技術(shù)，它既是一種軟件開發(fā)方法，也可以作為一種建立系統(tǒng)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。采用面向?qū)ο蟮姆治龊驮O(shè)計方法，可以將一個問題分解成若干小問題，每個小問題又可以分解成更小的問題。而每個小問題都是一個獨立的模塊，并且具有一個清晰的抽象界面，它只說明做什么，不必說明如何去做。這種基于數(shù)據(jù)抽象的模塊，又可以引入繼承性、多態(tài)性等機制產(chǎn)生新的模塊，最后再使用動態(tài)鏈接技術(shù)將這些模塊組裝成大型的程序11。1.3.3.2 面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(ObjectOriented Programming，簡稱OOP)是以對象為中心的程序設(shè)計方法，它包括對象、類、繼承、消息幾個基本概念12。在面向?qū)ο蟮某绦蛑?，程?對象+消息傳遞，對象是組成程序的基本單位，我們可以通過向?qū)ο蟀l(fā)送消息的方式來驅(qū)動對象的行為，每個對象根據(jù)所收到消息的性質(zhì)來選擇所需要采取的行為，以響應(yīng)這個消息。面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計還具有封裝、繼承和多態(tài)三個重要特性。1.3.3.3 面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計語言VISUAL C+面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計的實質(zhì)是要選用一種面向?qū)ο蟮脑O(shè)計語言，采用面向?qū)ο蟮姆椒ㄟM行程序設(shè)計。Visua1 C+ 6.0是Microsoft公司最新推出的面向?qū)ο蟮某绦蜷_發(fā)工具，它在計算機領(lǐng)域中被公認為最優(yōu)秀的專業(yè)化應(yīng)用開發(fā)工具之一。Visua1 C+作為一個集成開發(fā)工具，為編程工作者提供了程序框架代碼自動生成和可視化的資源編輯功能，從而使編程工作變得更為簡單。Microsoft為Visua1 C+提供了強大的基本類庫MFC(Microsoft Fundation Classes)，它包含了很多微軟公司已經(jīng)定義好的程序開發(fā)過程中最常用到的對象?？梢哉fVisua1 C+在引入了MFC以后，便使Windows程序設(shè)計徹底實現(xiàn)了模板化，從而大大降低了程序設(shè)計的復(fù)雜性13。1.4 本章小結(jié)本章介紹了本文研究的目的和意義、本文研究的現(xiàn)狀、采用ANSYS的有限元分析模塊進行階梯軸有限元分析方法的綜述以及ANSYS二次開發(fā)技術(shù)等方面的內(nèi)容上涵蓋了本文的全部內(nèi)容，統(tǒng)領(lǐng)全文。第2章 有限單元法和有限元分析軟件ANSYS有限單元法是在六七十年代發(fā)展起來的強有力的數(shù)值分析方法，它使許多復(fù)雜的工程分析問題迎刃而解，而且由于前、后處理技術(shù)的發(fā)展，大型有限元分析軟件逐步商業(yè)化，使得有限單元法和有限元分析軟件的計算效率非常高，實際應(yīng)用越來越廣泛。為應(yīng)用有限單元法和ANSYS軟件對階梯軸進行分析，本章對有限單元法的相關(guān)理論和ANSYS軟件進行介紹。2.1 彈性力學(xué)基本方程彈性力學(xué)是研究彈性體在外力作用或溫度變化條件下所產(chǎn)生的應(yīng)力和變形的一門科學(xué)，比材料力學(xué)具有更高的嚴密性。在有限單元法中，經(jīng)常要用到彈性力學(xué)的基本方程。有限單元法是與彈性力學(xué)密不可分的，彈性力學(xué)是彈性體的力學(xué)問題的解析解法，而有限單元法是彈性體力學(xué)問題的數(shù)值解法之一，且應(yīng)用靈活方便，適用范圍廣泛。彈性力學(xué)也是有限單元法的基礎(chǔ)理論之一，在推導(dǎo)有限單元法過程中經(jīng)常要用到彈性力學(xué)的基本方程14。2.1.1 彈性力學(xué)的基本量彈性體在載荷作用下，體內(nèi)任意一點的應(yīng)力狀態(tài)可由6個應(yīng)力分量來表示。彈性體還將產(chǎn)生位移和變形，即彈性體位置的移動和形狀的改變。位移列陣 應(yīng)力列陣 應(yīng)變列陣 2.1.2 外力與內(nèi)力的關(guān)系靜力平衡方程彈性體V域內(nèi)任一點沿坐標(biāo)軸，方向的平衡方程為其中，為單元體積的體積力在，方向的分量。2.1.3 位移與應(yīng)變的關(guān)系幾何方程在微小位移和微小變形的情況下，略去位移導(dǎo)數(shù)的高次冪，則應(yīng)變向量和位移向量間的幾何關(guān)系有2.1.4 應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系物理方程彈性力學(xué)中應(yīng)力與應(yīng)變之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系也稱彈性關(guān)系。對于各向同性的線彈性材料，應(yīng)力通過應(yīng)變的表達式可用矩陣形式表示: 其中 稱為彈性矩陣.它完全取決于彈性體材料的彈性模量和泊松比。表征彈性體的彈性，也可用拉梅(Lame)常數(shù)和:也稱為剪切彈性模量。注意到物理方程中的彈性矩陣也可表示為物理方程的另一種形式是 其中為柔度矩陣。，它和彈性矩陣是互逆關(guān)系。2.2 有限元原理有限單元法（Finite Element Method，縮寫為：FEM），也稱為有限元法或有限元素法，是將所探討的工程系統(tǒng)(Engineering System)轉(zhuǎn)化為一個有限元系統(tǒng)(Finite Element System)，有限元系統(tǒng)由節(jié)點(node)及單元(element)組合而成，組合成的系統(tǒng)模型取代原有的工程系統(tǒng)15。目前在工程領(lǐng)域內(nèi)常用的數(shù)值模擬方法有：有限單元法、邊界元法、離散單元法和有限差分法，但就其廣泛性而言主要還是有限單元法。有限元法用于求解復(fù)雜的彈性力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)方程，對于這些問題它已經(jīng)基本上代替了有限差分法。有限元法在工程分析中的地位是不可替代的，它的基本思想是將求解區(qū)域離散為一組有限個、且按一定方式相互連接在一起的單元的組合體，單元之間通過節(jié)點相連，每個單元被看作是一個整體。單元內(nèi)部任意位置的待求量只能夠由單元節(jié)點上的求解值通過形函數(shù)插值得到。由于設(shè)定的單元形狀簡單，因此易于從平衡關(guān)系和能量關(guān)系建立節(jié)點量的方程式，通過求解所有這些單元方程組合成的一個總體代數(shù)平衡方程組，最終獲得復(fù)雜模型的近似數(shù)值解。顯然，單元越小結(jié)果也接近實際，但是同時計算量就大了，計算時間也長了，所以要根據(jù)具體情況劃分合適的單元數(shù)。這是隨著電子計算機的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種現(xiàn)代計算方法。有限元法主要是根據(jù)變分原理求解數(shù)學(xué)物理問題的數(shù)值計算方法，是工程方法和數(shù)學(xué)方法相結(jié)合的產(chǎn)物，可以求解許多過去用解析方法無法求解的問題，它對于解決復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)和邊界問題更具優(yōu)勢，而且結(jié)果更接近真實情況。它能準(zhǔn)確地反映計算對象的實際受力情況，在設(shè)計中節(jié)約材料，使結(jié)構(gòu)更合理，確保部件（特別是高速運動部件）的安全性，是一種先進的方法16-23。有限元法步驟如下：連續(xù)體的離散化；也就是將給定的物理系統(tǒng)分割成等價的有限單元系統(tǒng)。選擇位移模型；假設(shè)的位移函數(shù)或模型只是近似的表示了真實位移分布。通常假設(shè)位移函數(shù)為多項式，其中最簡單的情況為線性多項式。我們所要做的是選擇多項式的階次，以使其在可以接受的計算時間內(nèi)達到足夠的精度。用變分原理推導(dǎo)單元剛度矩陣：剛度矩陣、節(jié)點矢量和節(jié)點位移矢量的平衡關(guān)系表示為線性代數(shù)方程組： 局部坐標(biāo)系下整體坐標(biāo)系下；整合整個離散化連續(xù)體的代數(shù)方程，即把各個單元的剛度矩陣集合成整個連續(xù)體的剛度矩陣，把各個單元的節(jié)點力矢量集合為總的力和載荷矢量：施加位移約束；求解位移矢量；即求解上述代數(shù)方程，在求解的每一步都要修正剛度矩陣和載荷矢量。由節(jié)點位移計算出單元的應(yīng)變和應(yīng)力。開 始決 定 分 析 項 目決定分析項目的幾何結(jié)構(gòu)及邊界條件，獲取材料性質(zhì)建立有限元模型包括單元類型、材料性質(zhì)、有限元網(wǎng)格加載并求解輸出結(jié)果結(jié)果是否合理問題解決或得到最佳設(shè)計進行改進處理否是圖2.1 有限元分析流程圖在實際工作中，上述有限元分析只是在計算機軟件處理中的步驟，要完成工程分析，還需要更多的前處理和后處理，完整的有限元分析流程圖如圖2.1所示。2.3 ANSYS軟件簡介ANSYS作為大型通用有限元計算軟件，是一個融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電、磁、聲學(xué)于一體的大型通用有限元軟件。作為目前最流行的有限元軟件之一，它具備功能強大、兼容性好、使用方便、計算速度快等優(yōu)點，廣泛用于核工業(yè)、鐵道、石油化工、航天航空、機械制造、能源汽車交通、國防軍工、電子、土木工程、生物醫(yī)學(xué)、水利、日用家電等一般工業(yè)及科學(xué)領(lǐng)域。2.3.1 ANSYS軟件基本構(gòu)架ANSYS軟件主要包括三個部分：前處理模塊、分析計算模塊和后處理模塊。能夠進行結(jié)構(gòu)靜力分析、結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)非線性分析、運動學(xué)分析、熱分析、電磁場分析、流體力學(xué)分析、聲場分析、壓電分析、多物理場耦合分析等23。ANSYS構(gòu)架分為兩層，一層是起始層（begin level），二層是處理層（processor level）。當(dāng)一個操作命令輸入時，通過起始層過濾和分流，進入到處理層中不同的求解器。求解器可視為解決問題步驟中的組合代碼，執(zhí)行特定的命令，解決問題的一個部分。包括前處理器、求解器、后處理器。ANSYS中的這三類求解器在分析使用流程如圖2.2所示23。在分析的不同階段，需要進入不同的求解器進行操作。既可以通過菜單選項進入，也可以通過輸入命令進入。例如，可以通過斜杠“/”加處理器的名稱進入到相應(yīng)的求解器，如/prep7進入前處理器，/solu進入求解器，而/post1命令則進入后處理器。起始層begin level進入ANSYS退出ANSYS前處理器prep7 processor求解器solution processor時間歷程后處理器post26 processor后處理器post1 processor/prep7finishfinishfinishfinish/solu/post26/post1圖2.2 ANSYS三類求解器使用流程圖退出處理器，進行處理器之間的轉(zhuǎn)換，可以通過finish命令或fini命令先回到起始層，然后進入想到達的求解器位置。2.3.2 ANSYS的典型分析過程進行有限元分析的最終目的是要將一個實際工程系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型還原，也就是分析必須是針對一個物理原型的數(shù)學(xué)模型。模型包括所有的節(jié)點、單元、材料屬性、實常數(shù)、邊界條件，以及它用來表現(xiàn)這個物理系統(tǒng)的特性24。ANSYS分析過程中包含以下3個主要的步驟。創(chuàng)建有限元模型1)創(chuàng)建或輸入幾何模型并進行布爾運算ANSYS軟件同很多CAD軟件都有接口，可以在其他的CAD軟件中建立好模型后通過這些接口導(dǎo)入ANSYS進行分析，這樣就可以利用建模能力相對ANSYS較強的CAD軟件建模，但是從CAD軟件導(dǎo)入ANSYS的模型有時需要大量的修補工作才能進行網(wǎng)格劃分。所以也可以直接在ANSYS軟件環(huán)境中建模。2)單元類型及材料屬性的選擇在有限元分析中，單元類型選擇正確與否將決定其最后的分析結(jié)果。ANSYS提供了120多種不同性質(zhì)與類別的單元，每一個單元都有其固定的編號。如link180是第180號單元，通過每個單元前的名稱就可以判斷該單元的使用范圍及形狀。單元類別可以分為一維線性單元、二維平面單元和三維立體單元。不同的材料，不同的模型，就應(yīng)該選擇不同的單元類型和材料屬性。3)將不同材料屬性的實體賦予不同的屬性4)選擇合適的單元大小，劃分網(wǎng)格(產(chǎn)生節(jié)點和單元)根據(jù)具體的受力和約束情況施加約束和載荷求解并查看結(jié)果2.4 ANSYS參數(shù)化設(shè)計語言APDL及ANSYS命令流進行有限元分析的標(biāo)準(zhǔn)過程包括：定義模型及其載荷，求解和解釋結(jié)果，假如求解結(jié)果表明要修改設(shè)計，那么就必須改變模型的幾何形狀并重復(fù)上述步驟；或者當(dāng)結(jié)構(gòu)狀態(tài)改變，命令后的參數(shù)也會有所改變，因此必須重新編寫程序，這對設(shè)計者而言相當(dāng)不方便，特別當(dāng)模型較復(fù)雜或修改較多時，這個過程就很復(fù)雜和費時，而且還不能保證修改的完全性25。ANSYS參數(shù)化設(shè)計語言APDL(ANSYS Parametric Design Language)是一種解釋性語言，它用建立智能分析的手段為用戶提供了自動完成上述循環(huán)的功能，以更方便的方式進行程序編輯，也就是說程序的輸入可設(shè)定為根據(jù)指定的函數(shù)、變量以及選出的分析標(biāo)準(zhǔn)作決定，可以幫助我們更加有效地進行分析計算，是一種高效的參數(shù)化建模手段，而且允許復(fù)雜的數(shù)據(jù)輸入，使用戶實際上對任何設(shè)計或分析屬性有控制權(quán)，例如尺寸、材料、載荷、約束位置和網(wǎng)格密度等26。APDL實際上由類似FORTRAN77的程序設(shè)計語言部分和大量的ANSYS命令組成。它的程序設(shè)計語言部分與其它編程語言一樣，具有參數(shù)、數(shù)組表達式、函數(shù)、宏以及流程控制（循環(huán)與分支）等。例如：/PREP7YS=2.1e5 ！設(shè)置楊氏彈性模量Length=100 ！設(shè)置參數(shù)LengthWidth=10 ！設(shè)置參數(shù)WidthThick=1 ！設(shè)置參數(shù)ThickET,1,SHELL63 ！定義單元類型R,1,Thick,Thick,Thick,Thick,0,0, ！定義實常數(shù)MP,EX,1,YS ！定義材料屬性MP,NUXY,1,0.3 ！定義泊松比RECTNG,0,Length,0,Width， ！建立面當(dāng)模型或材料變化時，只要改變上述參數(shù)即可。APDL是用來自動完成某些功能或建模的一種腳本語言。它也包含了一系列其他特征，如命令的復(fù)制、宏、if-then-else分支、do循環(huán)以及標(biāo)量、矢量和矩陣的操作。其“參量”兼有其他程序設(shè)計語言中變量和參數(shù)兩種意義，但是并不明確區(qū)分。APDL語言是ANSYS高級應(yīng)用的基礎(chǔ)，如優(yōu)化設(shè)計、自適應(yīng)網(wǎng)格等。但對一般用戶來說，