基于ANSYS的規(guī)則曲面裝配體有限元參數(shù)化前處理

劉 健，談莉斌，余曉流

(安徽工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院，安徽馬鞍山243032)

規(guī)則曲面裝配體如回轉(zhuǎn)支承、滾動軸承、行星齒輪等由于使用場合和工況的不同，致使其在結(jié)構(gòu)尺寸上需要不同的規(guī)格。規(guī)則曲面裝配體產(chǎn)品設(shè)計中，使用ANSYS軟件進行有限元分析時，如果采用人機交互方式(GUI方式)需逐一對每種規(guī)格的產(chǎn)品進行建模與分析，從而出現(xiàn)大量重復(fù)操作；在三維CAD軟件中建立參數(shù)化模型導(dǎo)入ANSYS的方法雖可提高建模效率，但導(dǎo)入的模型有時并不理想，存在模型信息丟失、各實體元素編號不能控制、很難保持參數(shù)化特征等缺點，給后續(xù)工作和有限元優(yōu)化設(shè)計帶來不便[1-2]；另外將裝配體導(dǎo)入ANSYS時，易出現(xiàn)各零件間位置關(guān)系不符合要求，造成分屬不同零件的點、線的合并而改變各零件裝配關(guān)系[3]。有限元分析包括前處理、求解和后處理，其中前處理是有限元分析的基礎(chǔ)，參數(shù)化有限元分析的實現(xiàn)有賴于參數(shù)化前處理的實現(xiàn)[4-5]。為避免上述問題，筆者利用ANSYS參數(shù)化設(shè)計語言(Ansys Parameter Design Language,APDL)實現(xiàn)規(guī)則曲面裝配體有限元分析的參數(shù)化，重點研究參數(shù)化前處理。

1 參數(shù)化前處理基本思路

1.1 幾何特征參數(shù)化

將模型的主要幾何特征參數(shù)化是參數(shù)化建模的關(guān)鍵，建模之前需整理模型的幾何尺寸鏈，為給每個參數(shù)尺寸指定參數(shù)名。某些裝配體零件的數(shù)量、空間位置隨規(guī)格不同而變化，規(guī)則曲面或體重復(fù)出現(xiàn)。在參數(shù)化建模前可將這些重復(fù)的特征參數(shù)化，對其中某個零件進行建模，其它零件在其它位置處按所需的方向復(fù)制生成。由于ANSYS沒有直接建立曲線的功能，需要通過多點擬合形成曲線，擬合點的數(shù)量和精度直接影響到擬合曲線的精度。

1.2 建立圖形用戶界面

ANSYS提供了參數(shù)化設(shè)計語言APDL、程序界面設(shè)計語言UIDL(User Interface Design Language)等多種二次開發(fā)工具，利用這些工具可編制出參數(shù)化有限元程序，對程序進行封裝，使用戶在不必精通ANSYS軟件的情況下也能方便使用[6]。

將APDL與UIDL相結(jié)合，可以定制參數(shù)賦值界面用于對特征參數(shù)進行賦值[7],避免用戶直接修改有限元程序。ANSYS提供單參數(shù)輸入、多參數(shù)輸入以及帶滾動條的多種對話框[8]。為實現(xiàn)分析流程的過程控制，更好地完成圖形交互方式下的參數(shù)修改，可以利用縮寫功能*ABBR在ANSYS工具欄上建立用戶按鈕對宏文件進行調(diào)用和控制。

1.3 幾何模型和網(wǎng)格劃分參數(shù)化

建立幾何模型時利用所定義的參數(shù)名作為幾何尺寸進行輸入，盡量采用人工控制編號的方法創(chuàng)建幾何對象，并配合組件進行操作處理。

參數(shù)化網(wǎng)格劃分是參數(shù)化前處理的重要組成部分，網(wǎng)格的優(yōu)劣直接影響有限元分析的精度和速度[9]。組成裝配體的零部件一般不能滿足規(guī)則六面體單元直接劃分網(wǎng)格，并且分網(wǎng)時常需將重要位置進行細化，因此有必要將不同部位的單元尺寸參數(shù)化。生成規(guī)則有限元網(wǎng)格的方法有2種：1)對建立的幾何模型進行切割、連接處理以滿足映射、掃略網(wǎng)格劃分條件；2)先建立零件特征面并進行相應(yīng)的處理以實現(xiàn)面映射網(wǎng)格，然后將面沿特定的軌跡拖拉、旋轉(zhuǎn)形成體同時生成規(guī)則的網(wǎng)格模型。由于方法2僅適用于規(guī)則體，故文中選用方法1建模。

2 參數(shù)化前處理實例

回轉(zhuǎn)支承由內(nèi)圈、外圈、滾動體和隔離塊組成，是典型的規(guī)則曲面裝配體。文中以單排四點接觸球回轉(zhuǎn)支承(010系列)(JB/T2300—1999)為例，闡述其參數(shù)化前處理過程。

建模前對模型作以下簡化和假設(shè)[10]：1)不考慮隔離塊、連接螺栓、密封圈、游隙、潤滑以及滾齒的影響；2)忽略倒角、過渡圓弧對應(yīng)力及變形的影響；3)假設(shè)變形屬于彈性變形范圍內(nèi)?；谝陨霞僭O(shè)，結(jié)合回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)及載荷對稱性，分別建立1個鋼球扇區(qū)模型和1/2模型來模擬軸向載荷和傾覆力矩單獨作用的工況。

2.1 回轉(zhuǎn)支承幾何特征參數(shù)化

單排球回轉(zhuǎn)支承的主要幾何特征參數(shù)有滾動體直徑、滾道中心直徑、公稱外徑、公稱內(nèi)徑、內(nèi)外圈總高度、內(nèi)圈外經(jīng)、外圈內(nèi)經(jīng)、內(nèi)外圈高度、滾道曲率半徑、接觸角、滾動體數(shù)目等，建模前首先將這些特征及各部分單元尺寸、材料屬性、載荷等參數(shù)化。

2.2 定制用戶化圖形交互界面

利用MULTIPRO和*CSET命令創(chuàng)建多參數(shù)輸入對話框以方便對回轉(zhuǎn)支承的特征參數(shù)值修改。外形尺寸賦值的代碼如下：

MULTIPRO,'start',3

*cset,1,3,D1,'公稱外徑(mm):',280

*cset,4,6,D2,'公稱內(nèi)徑(mm):',120

*cset,7,9,H,'內(nèi)外圈總高(mm):',60

*cset,61,62,'請輸入外形尺寸','(注意：參數(shù)的單位)'

MULTIPRO,'end'

所得參數(shù)賦值對話框如圖1所示。其它相關(guān)尺寸以及網(wǎng)格單元、材料屬性可通過同樣的方法進行參數(shù)化。

利用*ABBR在工具欄上建立用戶按鈕對分析程序進行調(diào)用，利用文本編輯器打開安裝路徑啟動文件start120.ans文件，在最后追加：

/PSEARCH,e:Ansys！宏文件存放路徑

*ABBR,Slewing Bearing_ Fa,Slewing Bearing_Fa

*ABBR,Slewing Bearing_M,Slewing Bearing_M

交互式啟動軟件進入ANSYS界面，工具條Toolbar增添2個按鈕，Slewing Bearing_Fa,Slewing Bearing_M，如圖2。單擊該按鈕后彈出圖1所示的參數(shù)輸入界面，輸入所需參數(shù)或采用缺省值，即可自動完成建模過程。

2.3 回轉(zhuǎn)支承幾何模型

采用點—線—面—體的建模思路建立回轉(zhuǎn)支承的內(nèi)、外圈，通過SPHERE命令直接創(chuàng)建鋼球?；剞D(zhuǎn)支承幾何模型如圖3。為了準確地模擬鋼球和內(nèi)、外圈接觸行為，需要設(shè)置足夠小的接觸區(qū)域單元尺寸。在建模時，通過建立曲面切分內(nèi)、外圈后利用面連接命令將某些面連接成一個面，利用工作平面切分鋼球，以利于劃分規(guī)則網(wǎng)格和局部細化。

圖1 多參數(shù)賦值對話框Fig.1 Input dialog of multi-parameter

圖2 系統(tǒng)的工具欄按鈕Fig.2 Toolbar buttons of system

圖3 回轉(zhuǎn)支承幾何模型Fig.3 Geometry model of slewing bearing

2.4 回轉(zhuǎn)支承網(wǎng)格劃分

選用六面體Solid45單元和體掃略的方式劃分網(wǎng)格，有限元模型如圖4。網(wǎng)格大小根據(jù)距離接觸區(qū)域遠近而變化，先對接觸區(qū)域劃分較小的網(wǎng)格單元，再對其它區(qū)域劃分較大的網(wǎng)格單元，既保證了各部分網(wǎng)格之間的過度連接，又在滿足計算精度條件下減小了單元數(shù)量。

圖4 回轉(zhuǎn)支承有限元模型Fig.4 Finite element model of slewing bearing

2.5 定義接觸對

根據(jù)目標面和接觸面的選用原則將內(nèi)、外圈滾道面設(shè)為目標面，鋼球面設(shè)為接觸面，在每個鋼球與內(nèi)、外滾道之間分別創(chuàng)建面-面接觸對，因此單個球模型中需創(chuàng)建2個接觸對；在1/2模型中，需創(chuàng)建24個接觸對。定義的接觸對如圖5。

圖5 接觸對定義Fig.5 Definition of contact pairs

2.6 回轉(zhuǎn)支承約束及載荷

回轉(zhuǎn)支承的安裝方式分為座式安裝和懸掛式安裝，對應(yīng)這2種安裝方法在施加約束時可以約束內(nèi)圈表面也可以約束外圈表面，文中采用第一種方法在內(nèi)圈表面施加全約束，內(nèi)、外滾圈的斷面上施加對稱約束。

軸向載荷以面載荷的形式均布施加在外圈上表面，如圖6(a)；為模擬傾覆力矩的作用，在外圈上表面幾何中心建一剛性節(jié)點并與上表面的所有節(jié)點形成剛性區(qū)域，傾覆力矩以集中載荷形式施加在剛性節(jié)點上，如圖6(b)，部分代碼如下：

CERIG,NODE(0,0,H),ALL,UX,UY,UZ,,, !CERIG命令定義局部剛性區(qū)域

F,NODE(0,0,H),MY,2.5e7 !傾覆力矩以集中載荷形式施加到剛性節(jié)點上

圖6 載荷及約束施加方法Fig.6 Load and constraints adding method

2.7 其它規(guī)格回轉(zhuǎn)支承參數(shù)化建模

將前處理程序以宏文件形式保存，通過調(diào)用宏文件即可對010系列中所有規(guī)格回轉(zhuǎn)支承進行參數(shù)化建模。啟動ANSYS軟件后，單擊工具條上定制的按鈕并輸入所需參數(shù)即可自動完成建模過，程得到新的分析模型。圖7所示的是010系列回轉(zhuǎn)支承中3種不同規(guī)格的單個球模型，圖8所示的是010系列回轉(zhuǎn)支承中3種不同規(guī)格的1/2模型。

圖7 不同參數(shù)的單個球有限元模型Fig.7 Asingle ball finite element model for different parameter

圖8 不同參數(shù)的1/2模型Fig.8 Half of the finite element model for different parameter

3 結(jié) 論

1)利用ANSYS參數(shù)化設(shè)計語言APDL可以實現(xiàn)規(guī)則曲面裝配體模型的參數(shù)化前處理，借助界面設(shè)計語言UIDL可以定制用戶化圖形交互界面，實現(xiàn)專用分析程序的過程控制，為不熟悉ANSYS軟件的設(shè)計人員提供便利。

2)通過單排球回轉(zhuǎn)支承的有限元設(shè)計，驗證了本文方案的有效性，為實現(xiàn)全過程參數(shù)化有限元分析的奠定了基礎(chǔ)，為此類規(guī)則曲面裝配體的分析提供了借鑒。

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