非參數(shù)化模型的優(yōu)化參數(shù)定義方法

黃晨華+李湘勤+毛桂生+許衛(wèi)軍

摘要：用各種CAD軟件建立分析對(duì)象的三維模型，可以很方便地利用ANSYS提供的接口導(dǎo)入到ANSYS中，大大節(jié)省了建模的時(shí)間，但當(dāng)分析是基于模型參數(shù)時(shí)，外部導(dǎo)入的模型往往因采用的建模方法是非參數(shù)化建模而導(dǎo)致而不適用，或要花很多的時(shí)間進(jìn)行處理。為了使多種建模方法得到的模型都能實(shí)現(xiàn)參數(shù)化分析，提出了一種非參數(shù)化模型的參數(shù)化定義方法。首先在CAD軟件中對(duì)三維模型的體屬性信息進(jìn)行補(bǔ)充和添加，對(duì)需要參數(shù)化的參數(shù)按ANSYS文件名要求進(jìn)行定義，然后再導(dǎo)入到ANSYS中，在ANSYS中模型則有了參數(shù)信息，可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)化優(yōu)化。以UG NX9.0為例，驗(yàn)證了此方法的可行性。

關(guān)鍵詞：參數(shù)化建模；優(yōu)化設(shè)計(jì)；ANSYS分析；數(shù)據(jù)傳遞

中圖分類(lèi)號(hào)：TP319 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）06-0103-03

Abstract： The models modeling via different CAD software are imported into ANSYS software by itself interface conveniently，and the times can be saved greatly.However，the model may not be suitable because the outer imported model was not modeled based on non-parameter modeling， and in this case， much time would be spent to deal with the problems. In order to make any model can be apt for being analyzed by parameterization， a method of parameters- optimized defining for non-parameterization model was put forward.First，the information of the body properties was added by using CAD software， which named according to ANSYS softwares naming rules would be used to be optimized， and then the model was imported into ANSYS software，and then the model can be parameterized optimum.An example was done in UG NX9.0 software，and the method was proved that it was validity.

Key words： parameterization modeling； optimum design； ANSYS analysis； data transmission

利用ANSYS進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析是一種很有效的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。ANSYS是ANSYS公司的多物理場(chǎng)及優(yōu)化分析平臺(tái)，具有強(qiáng)大的結(jié)構(gòu)、流體、熱、電磁及相互耦合分析的功能，并且非常方便在ANSYS已有的功能上開(kāi)發(fā)定制開(kāi)發(fā)適合自身專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)與特殊業(yè)務(wù)需求的新功能。用ANSYS對(duì)目標(biāo)時(shí)行各種分析，首先需要對(duì)目標(biāo)進(jìn)行三維建模，雖然ANSYS自身有三維建模模塊，且功能越來(lái)越強(qiáng)大，但相比于與目前主流的三維設(shè)計(jì)與制造軟件如UG、Pro/e、Solidworks等，其三維建模功能還是有比較大的差距。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，往往是利用其他軟件建好目標(biāo)的三維，然后再通過(guò)ANSYS Workbench自帶的三維模型輸入接口，實(shí)現(xiàn)分析目標(biāo)的三維模型建模。利用其他三維軟件建模，然后再輸入到ANSYS 進(jìn)行分析這一問(wèn)題，已有大量的ANSYS應(yīng)用者進(jìn)行了研究，如郝鐘雄[1]介紹了ANSYS與UG、AUTOCAD、SolidWorks、Pro/E等幾種常用CAD軟件的接口，王建利等[2]研究了Sold Edge與ANSYS之間可以進(jìn)行模型數(shù)據(jù)傳遞的各種模型格式；陳乾偉[3]討論了ANSYS和Pro/E之間的模型傳遞，并成功實(shí)現(xiàn)了超聲電動(dòng)機(jī)有限元分析；李宗坤等[4]介紹了燕山水庫(kù)水塔模型在SolidWorks與Ansys之間的傳遞；李春燕[5]在其碩士論文中研究了Mechanical Desktop（MDT）與ANSYS之間的接口問(wèn)題，并實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的傳遞；王勝[6]在其碩士論文介紹了UG與ANSYS之間的模型傳遞。以上文獻(xiàn)只實(shí)現(xiàn)了模型的簡(jiǎn)單輸入，但沒(méi)有涉及到參數(shù)化優(yōu)化的問(wèn)題，為了實(shí)現(xiàn)參數(shù)化定義，詹俊勇等[7]采用了較生硬的方法，其先在Solidkworks中建尋模型，然后導(dǎo)入ANSYS中，再把需要參數(shù)化設(shè)計(jì)的部分刪除，在刪除留下的面上再重建需要參數(shù)化的實(shí)體，這顯然既不能簡(jiǎn)化建模過(guò)程，又不能保證模型部件之間的原有精度；劉志柱等[8]利用Visual C++，對(duì)ANSYS進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)模型的參數(shù)化設(shè)計(jì)。顯然，這2種方法并沒(méi)有充分利用已有的模型，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化優(yōu)化。如何利用已有三維模型，而不管其本身是否有尺寸信息而實(shí)現(xiàn)ANSYS 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，就筆者知識(shí)范圍內(nèi)，還沒(méi)見(jiàn)過(guò)相關(guān)文獻(xiàn)，本文將就這一問(wèn)題展開(kāi)研究。為便于敘述，本文以UG NX9.0為例闡述三維模型優(yōu)化參數(shù)的定義方法。

1 ANSYS結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析步驟

優(yōu)化分析之前，一般先要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析或其他分析，然后把得到結(jié)構(gòu)如變形、應(yīng)力、應(yīng)變等作為優(yōu)化的輸出參數(shù)，再定義模型的輸入?yún)?shù)，就可以進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析。從CAD模型到CAE優(yōu)化，通常的步驟為[9]：

1）參數(shù)化建模與參數(shù)定義：若模型是在CAD軟件中建模，則要參數(shù)化方法建模，若模型是從第三方圖庫(kù)中調(diào)入，則需要用到本文的方法進(jìn)行定義。

2）CAE求解：把定義好的參數(shù)的模型輸入ANSYS，找到第一步定義好的參數(shù)定義為優(yōu)化參數(shù)，同時(shí)也可把模型靜力學(xué)分析得到的結(jié)構(gòu)變形、應(yīng)力、應(yīng)變等作為優(yōu)化參數(shù)。

3）后處理：將約束條件和目標(biāo)函數(shù)（優(yōu)化目標(biāo)）提取出來(lái)，供優(yōu)化處理器進(jìn)行優(yōu)化參數(shù)評(píng)價(jià)。

4）優(yōu)化參數(shù)評(píng)價(jià)：依據(jù)優(yōu)化結(jié)構(gòu)，改變結(jié)構(gòu)參數(shù)，看結(jié)構(gòu)是否達(dá)到了最優(yōu)或要求。

2 模型參數(shù)化定義

目前，CAD三維建模軟件非常多，在很多時(shí)候，我們需要的模型可以從已有的圖庫(kù)中找到，或由別人代為建模。雖然國(guó)際上已標(biāo)準(zhǔn)化了圖形交換格式，但圖形在交換過(guò)程中往往會(huì)丟失一些信息，特別是不同的CAD三維建模軟件之間一般不能無(wú)縫兼容，或有的模型本身就不是基于參數(shù)化模型，我們?cè)趦?yōu)化參數(shù)定義的時(shí)候就顯得無(wú)能為力。以UG NX9.0為例，實(shí)現(xiàn)非參數(shù)化模型的優(yōu)化參數(shù)定義，具體步驟為：

1）打開(kāi)要設(shè)定優(yōu)化參數(shù)的三維模型，如圖1，其上沒(méi)有任何參數(shù)信息，很明顯，這模型為非參數(shù)化建模，或在格式轉(zhuǎn)換過(guò)程中把參數(shù)信息丟失。選中模型，單擊右鍵，彈出“體屬性”窗口，從這里也可以看到模型沒(méi)有任何參數(shù)信息。我們這里要做的工作是把參數(shù)信息添加進(jìn)去，并且與模型相關(guān)。

2）在“屬性”選項(xiàng)，各欄目的填寫(xiě)是參數(shù)設(shè)定是否有效的關(guān)鍵，各欄目填寫(xiě)填定要求和注意事項(xiàng)如表1.

3）回到屬性窗口，屬性里的“值”欄里已有剛才填入的數(shù)字，且欄名稱(chēng)變?yōu)椤版溄拥奖磉_(dá)式的值”，說(shuō)明設(shè)置成功，點(diǎn)擊下邊的“添加新的屬性”右邊“√”，點(diǎn)擊確定，回到程序界面，保存模型，整個(gè)參數(shù)化設(shè)定完成。

3 ANSYS確認(rèn)定義參數(shù)

進(jìn)入ANSYS，雙擊“Static Structural”，建立靜力結(jié)構(gòu)分析項(xiàng)目（也可以建立其他分析項(xiàng)目），輸入剛才定義了參數(shù)的模型，雙擊“Geometry”，在“Import1”的Details View的Parameters里可以看到剛才定義的參數(shù)。

4 實(shí)例

以前面講到的軸套為例，其參數(shù)的定義過(guò)程如圖2～圖5，從圖中可以看到，優(yōu)化參數(shù)成功定義，并實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析。

5 結(jié)論

CAD三維模型在不同CAD軟件平臺(tái)之間傳遞，可以大大提高工作效率，但由于建模開(kāi)始時(shí)都會(huì)有特定的用途，在一種用途下可能信息足夠，但在另一種用途下，即使模型在傳遞過(guò)程中信息沒(méi)有丟失，使用同樣的模型，也常常會(huì)遇到信息不全的困惑。本文以UG NX9.0為例，詳細(xì)介紹了非參數(shù)建模的模型參數(shù)化，使之滿足ANSYS Workbench 17.0結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析的參數(shù)要求。

1）簡(jiǎn)要?dú)w納了ANSYS Workbench下結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析的步驟，對(duì)使用ANSYS Workbench進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化者有一定的幫助。

2）詳細(xì)介紹了在UG NX9.0下，通過(guò)設(shè)定非參數(shù)建模的三維模型的體屬性，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化參數(shù)的定義，并通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證了這一方法的可行性。

3）本文雖然以UG NX9.0為例探討了優(yōu)化參數(shù)的定義方法，但對(duì)于在其他CAD軟件平臺(tái)下進(jìn)行類(lèi)似的定義，有很大的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 郝鐘雄. ANSYS與CAD軟件的接口問(wèn)題研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2007（7）：75-76.

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[3] 陳乾偉，鞠全勇，黃衛(wèi)清，等. ANSYS和Pro/E在超聲電動(dòng)機(jī)有限元建模中的應(yīng)用[J]. 微特電機(jī)，2014（11）：32-36.

[4] 李宗坤，張宏洋，王建有，等. SolidWorks建模以及與ANSYS的接口問(wèn)題探討[J]. 中國(guó)農(nóng)村水利水電，2007（9）：82-84.

[5] 李春燕. 基于MDT的輕鋼結(jié)構(gòu)參數(shù)建模程序與ANSYS接口技術(shù)研究[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2005.

[6] 王進(jìn). AutoCAD與ANSYS線面接口問(wèn)題研究[J]. 煤礦機(jī)電，2009（6）：4-6.

[7] 詹俊勇，黃建民. SolidWorks導(dǎo)入實(shí)現(xiàn)ANSYS參數(shù)化建模[J]. 金屬加工（冷加工），2010（4）：71-72.

[8] 劉志柱，劉曜. 二次開(kāi)發(fā)在ANSYS參數(shù)化建模中的應(yīng)用[J]. 機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新，2006（5）：117-118.

[9] 許進(jìn)峰. ANSYS Workbench 15.0完全自學(xué)一本通[M].北京：電子工業(yè)出版社2014：546.