基于參數(shù)化設(shè)計的液壓缸有限元分析系統(tǒng)開發(fā)

楊 妍， 鄂 洋， 費(fèi) 燁

（1.沈陽建筑大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110168； 2.遼寧永茂液壓機(jī)械有限公司， 遼寧 撫順 113126）

0 引言

液壓缸在實際工程中應(yīng)用范圍較廣， 是液壓系統(tǒng)中的重要執(zhí)行元件。隨著市場需求的增加，液壓缸產(chǎn)品規(guī)格繁多、更新速度加快，提高設(shè)計效率便成為快速響應(yīng)市場的重要手段。

在這種背景下， 基于參數(shù)化技術(shù)的各類計算機(jī)輔助設(shè)計軟件逐漸取代了效率低下的傳統(tǒng)設(shè)計方法。 但該類設(shè)計軟件形成的方案仍需結(jié)構(gòu)工程師通過有限元軟件進(jìn)行分析計算，然后依據(jù)分析結(jié)果修改參數(shù)，在軟件中重新生成新設(shè)計，再計算，如此循環(huán)迭代直至定型，這些重復(fù)性的勞動無形中限制了設(shè)計效率的進(jìn)一步提高。

本文基于液壓缸參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)， 開發(fā)有限元自動建模與分析模塊，使系統(tǒng)兼具設(shè)計和分析校核功能，提高液壓缸設(shè)計效率。 此外， 該模塊通過C# 對ANSYS 的封裝，降低了用戶操作ANSYS 進(jìn)行有限元分析的難度及工作量， 為非結(jié)構(gòu)工程專業(yè)人員完成液壓缸結(jié)構(gòu)分析提供了便利。

1 液壓缸參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)

液壓缸計算機(jī)輔助設(shè)計系統(tǒng)是以SolidWorks、ANSYS兩個軟件的二次開發(fā)技術(shù)為基礎(chǔ)， 利用C# 語言在Visual Studio 平臺建立人機(jī)交互界面，設(shè)計出的一套適用于企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計與工程分析一體化的計算機(jī)輔助設(shè)計系統(tǒng)。系統(tǒng)的參數(shù)化設(shè)計模塊基于API 接口技術(shù)對SolidWorks軟件進(jìn)行二次開發(fā)， 標(biāo)準(zhǔn)件生成直接調(diào)用已建立的企業(yè)零件模型庫，非標(biāo)準(zhǔn)件生成采用參數(shù)化尺寸驅(qū)動法，應(yīng)用SQL Server 建立零件數(shù)據(jù)庫，存儲零件的尺寸參數(shù)。 該系統(tǒng)包括液壓缸零件三維模型生成、 工程圖輸出等參數(shù)化設(shè)計模塊。

2 液壓缸有限元自動建模與分析的實現(xiàn)

利用APDL 可以實現(xiàn)ANSYS 的二次開發(fā)， ANSYS分析時生成的.log 文件可以修改，利用更改的新文件再次分析，進(jìn)而完成多次有限元分析任務(wù)。同時，利用C# 編制人機(jī)交互操作界面，對APDL 文件的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行改寫，能夠?qū)崿F(xiàn)對分析過程的控制，實現(xiàn)設(shè)計與分析的同步進(jìn)行[4]。

2.1 創(chuàng)建設(shè)計與分析界面

在系統(tǒng)主界面菜單欄中加入 “液壓缸ANSYS 分析”選項，點(diǎn)擊進(jìn)入選型界面，見圖1。 選型后進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置界面，以整體式活塞桿單耳環(huán)為例，見圖2，零件分析子窗體，見圖3。

圖1 選型界面

圖3 零件分析子窗體

2.2 編寫APDL 有限元分析程序

利用APDL 語言編寫液壓缸有限元分析程序， 生成循環(huán)分析所用的準(zhǔn)確、完整的命令流文件，為系統(tǒng)后臺調(diào)用ANSYS 做準(zhǔn)備。

參數(shù)化前處理過程要設(shè)置參數(shù)，完成建模分網(wǎng)、邊界條件施加及接觸對的設(shè)置。 在保證結(jié)果精度的前提下略去對受力分布影響不大的結(jié)構(gòu)，以提高網(wǎng)格劃分質(zhì)量，同時軸對稱結(jié)構(gòu)只需選取1/4 進(jìn)行建模[1-2]。 形狀較規(guī)則的旋轉(zhuǎn)體進(jìn)行網(wǎng)格劃分時，可進(jìn)行體切分處理[3]，采用掃略劃分規(guī)則的六面體單元， 并在著重校核的危險部位進(jìn)行網(wǎng)格加密。對液壓缸與外部的連接部分施加約束，在內(nèi)部受壓面上施加壓力荷載， 由此生成具有力學(xué)意義的有限元模型。 在求解及后處理過程中， 按照試驗壓力1.25 倍于額定壓力進(jìn)行加載，完成分析后進(jìn)入結(jié)果查詢界面。

2.3 參數(shù)的改寫與傳遞

參數(shù)的改寫與傳遞關(guān)鍵的一點(diǎn)要求用戶操作界面上的數(shù)據(jù)能夠轉(zhuǎn)化為APDL 語言，進(jìn)而ANSYS 能夠正確讀取運(yùn)行。

首先，代碼中要完成必要Using 的引用，在命名空間添加System.IO，命令流文件中的參數(shù)通過StreamWrite 類修改，WriteLine 是StreamWrite 類的常用方法， 可以寫入指定的某些數(shù)據(jù)，將用戶界面上輸入的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為APDL語言，實現(xiàn)參數(shù)的改寫與傳遞[4]。 關(guān)鍵代碼如下：

應(yīng)用上述代碼可在F 盤創(chuàng)建model.txt 文件， 將界面控件中的參數(shù)寫入此文件中，生成模型分析命令流文件。

為保證有限元模型與設(shè)計模型一致， 使分析結(jié)果真實反映設(shè)計液壓缸的強(qiáng)度， 需要將部分設(shè)計參數(shù)同步應(yīng)用到有限元模型的建立中， 這可通過將局部變量改用Public 語句聲明為全局變量來實現(xiàn)，具體方法為：

2.4 C#.NET 對ANSYS 調(diào)用

在有限元自動建模與分析系統(tǒng)中， 會使用多個相關(guān)的進(jìn)程共同完成一項任務(wù)，要求進(jìn)程之間能夠互相通信，從而共享資源和信息。 因此，實現(xiàn)開發(fā)程序與ANSYS 軟件接口的通信問題是對ANSYS 二次開發(fā)調(diào)用的核心問題。 C# 后臺調(diào)用ANSYS 的關(guān)鍵代碼如下：

2.5 分析結(jié)果顯示

系統(tǒng)在執(zhí)行完整的命令流分析文件之后， 相關(guān)的結(jié)果文件會保存到ANSYS 工作目錄中，見圖4。結(jié)果云圖可以顯示白底和黑底兩種形式，呈現(xiàn)不同的視角便于查看，將結(jié)果圖形反饋到用戶界面可查看分析結(jié)果形， 液壓缸整體的應(yīng)力云圖見圖5。

調(diào)用結(jié)果文件圖片的關(guān)鍵代碼為：

pictureBox1.Image = Image.FromFile（@"F： 文件路徑 項目名稱.jpg"）；

圖4 ANSYS 分析結(jié)果文件

圖5 液壓缸整體應(yīng)力云圖

3 結(jié)論

基于液壓缸參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)， 嵌入有限元自動建模與分析模塊，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

研究了C#.NET 與ANSYS 之間的數(shù)據(jù)交互過程，實現(xiàn)液壓缸有限元自動建模與分析。

有限元自動建模與分析模塊的嵌入實現(xiàn)了液壓缸設(shè)計與校核的同步進(jìn)行，有效提高了設(shè)計效率。

將液壓缸有限元分析過程封裝， 通過簡潔友好的界面得以調(diào)用， 降低了設(shè)計人員利用有限元進(jìn)行校核的技術(shù)難度，提高了設(shè)計質(zhì)量。