基于ANSYS Workbench的柔性底座有限元仿真模塊開發(fā)

韓志仁，趙韓卿，賈 震

(沈陽航空航天大學 a.航空宇航學院，b.航空制造工藝數字化國防重點學科實驗室，沈陽 110136)

武器裝備的快速設計與制造一直是國家的重要發(fā)展規(guī)劃和重點內容。隨著軍工產品競爭的日益激烈,武器系統(tǒng)的技術含量和復雜程度在不斷增加,而產品的壽命周期日益縮短[1]，這就要求產品的生產制造周期要縮短。三維建模及有限元仿真軟件的發(fā)展很大程度上解決了這個問題。隨著數字化設計技術的不斷發(fā)展，全面實施和應用數字化設計與制造技術已成為提升武器裝備設計與制造水平，提高產品質量，改變傳統(tǒng)研制方法的有效途徑。因此，有限元仿真技術在國內外得到了廣泛的應用。目前全球有限元軟件市場基本被國外壟斷，國外起步較早，技術相對成熟，并且創(chuàng)立了前處理、仿真求解、后處理這樣一套仿真流程，為有限元技術的發(fā)展奠定了基礎。隨著有限元仿真需求的不斷增加，國外開始了更進一步的研究，為了提高效率，統(tǒng)一框架、統(tǒng)一模型、統(tǒng)一仿真、系統(tǒng)優(yōu)化等一系列提高兼容性的措施被提了出來。這些先進的理念也為國產有限元軟件的發(fā)展提供了參考。目前，發(fā)展自主研發(fā)有限元軟件已經成為國家戰(zhàn)略，有了各種政策的支持，我國的有限元技術很有可能實現彎道超車從而實現技術領先。與此同時，基于有限元軟件的某一類特定模型的快速建模與仿真的二次開發(fā)得到了廣泛的應用與發(fā)展[2]。

ANSYS Workbench是ANSYS新一代客戶化及行業(yè)化定制平臺,提供開放性和先進性的集成構架,具有完善的開發(fā)工具包、應用程序集以及相應的運行環(huán)境,是能夠滿足用戶在該開放環(huán)境下快速實現的工具[3]。本文主要介紹了基于ANSYS Workbench有限元軟件創(chuàng)建柔性底座面體模型，按照合理的結構進行底座復合材料鋪層，形成底座實體模型，同時運用公式對復合材料性質進行擬合，最后進行有限元仿真的整體過程。然后對ANSYS Workbench進行二次開發(fā)，使整個過程更加規(guī)范，保證底座有限元建模的合理性，提高底座建模效率，降低對使用者的要求，同時確保分析結果合理可靠。

1 底座有限元建模

1.1 底座幾何模型的創(chuàng)建

復合材料的內部結構有很多，其中加強單元配合基體的形式使用較為廣泛，通常使用碳纖維或者玻璃纖維作為加強單元來提高材料的性能。通過改變加強單元的材料特性或比例都可以改變整個鋪層的強度，在鋪層材料確定之后，對模型結構進行設計，從而得到合理的鋪層方式。對于一些復雜的結構需要分不同位置逐一鋪層，由于底座曲面較多，所以采用側面和底面分開鋪層的形式。為了保證復合材料鋪層強度，底座的側面與底面連接處要以搭接的形式設計[4]，如圖1所示，因此在創(chuàng)建幾何面體模型時就要創(chuàng)建搭接面。

圖1 搭接示意圖

ANSYS Workbench中的底座分析要用到復合材料模塊，該模塊只能對面體進行鋪層，因此在創(chuàng)建三維有限元模型時就要以面體的形式創(chuàng)建，其中每一個鋪層都要創(chuàng)建單獨的面體，建模過程比較復雜。創(chuàng)建完成之后對面體進行鋪層設置，生成底座實體模型，如圖2所示。

圖2 底座實體模型

1.2 材料的特性

根據不同的需求，復合材料在強度上也有很大的不同，根據實際生產的需要選擇不同強度的復合材料層合板[5]。復合材料整體的特性可以通過簾線和環(huán)氧樹脂作為基體進行擬合的形式來實現[6]。在ABAQUS軟件中手動創(chuàng)建好模型之后可以定義基體材料，然后直接定義基體材料中簾線的材料特性和比例，在仿真計算時軟件會自動擬合出層合板的材料特性。ANSYS Workbench則不具備該功能，需要使用者來計算擬合材料的各項參數，過程較為復雜且難度較高。擬合過程中的材料為正交各向異性材料[7]，要通過兩種材料的楊氏模量、泊松比、剪切模量來進行擬合，其中簾線為各向異性，通過改變簾線在基體中所占的體積分數來改變材料的力學性能[8-9]，本構模型具體擬合公式[10]如下：

材料縱向彈性模量

(1)

材料纖維橫向彈性模量

(2)

其中，Ef1為簾線縱向彈性模量，Ef 2為簾線橫向彈性模量，Em為基體的彈性模量，為vf為簾線體積分數。

材料縱向泊松比

(3)

材料橫向泊松比

(4)

其中，ε1為材料縱向應變，ε2為材料橫向應變。

材料剪切模量

(5)

其中，Gf,Gm分別為簾線和基體的剪切模量。

1.3 模型的接觸和約束

模型的約束條件較少，只需在上邊沿法蘭位置添加固定約束限制其6個自由度，模型的主要受力是底座內壁面施加一定的壓強進行計算分析。

1.4 網格的劃分

模型曲面較多，為了更好地反映模型的形狀，采用六面體網格且網格尺寸不宜過大，在模型底面與側面搭接處采用網格映射使網格盡量平整，在圓角過度區(qū)域的網格要適當細化來保證求解的順利，上邊沿法蘭位置較為平整，網格尺寸可以大一些，這樣可以縮短計算時間。

2 Workbench二次開發(fā)

使用ANSYS Workbench軟件進行有限元仿真過程包括幾何模型創(chuàng)建(DM模塊)和仿真分析(DS模塊)兩個模塊，因此二次開發(fā)也是圍繞這兩部分展開的。在幾何模型創(chuàng)建的二次開發(fā)通過對軟件原有的多個命令的集成拓展實現底座模型的快速創(chuàng)建，解決了手動創(chuàng)建模型繁瑣且困難的問題。對于仿真分析模塊，針對底座分析所需的邊界條件進行優(yōu)化開發(fā)，實現邊界條件的快速添加。整個二次開發(fā)過程相當于把軟件原有功能進行一個拓展，通過這種定制化的開發(fā)可以使用戶只需要輸入外形尺寸即可生成模型，從而很大程度地提高工作效率，對于一些非專業(yè)的用戶也可以很快地使用[11]。該開發(fā)通過嵌入式工具的形式來完成。該工具開發(fā)以JavaScript和HTML語言為基礎，HTML是對頁面的編譯，頁面的顯示與輸入都通過HTML語言來實現，JavaScript語言則是對HTML中函數功能的具體執(zhí)行[12]，框架的設計如圖3所示。

圖3 框架設計

2.1 建模模塊開發(fā)介紹

首先對Workbench的DM模塊進行建模的開發(fā)，該工具使用JavaScript語言來編寫腳本，整個DM界面是為復合材料鋪層提供基準面的，所以模型是通過創(chuàng)建面體的形式進行建模。鋪層基準面的創(chuàng)建分為兩步，首先創(chuàng)建出底座的輪廓為基準面提供輪廓線，然后程序通過讀取輸入的模型尺寸以底座輪廓為基準線來創(chuàng)建不同寬度的底面和側面，這樣一個由線到面的過程就創(chuàng)建出鋪層所需要的底面和側面。

ANSYS Workbench中ACP模塊要在DM模塊創(chuàng)建的面體基礎上進行鋪層設置，鋪層過程比較繁瑣，需要花費大量時間并且極容易出錯，檢查也很困難。ANSYS Workbench具備錄制和運行宏的功能，如果通過運行宏的形式來設置鋪層可以極大縮短鋪層時間。所以二次開發(fā)過程也是從編寫宏文件展開突破的，以軟件生成的宏文件為模板，通過代碼來改變文件中的鋪層方向、鋪層厚度等變量。在開發(fā)過程中首先在模板中提取出需要改變的變量并以ID的形式代替,然后通過ID將不同變量數據填寫到指定位置從而完成宏文件的編寫。這種通過程序編寫Python文件的形式，只要界面選擇是正確的，在進行鋪層時是不會出錯的，并且需要輸入的參數簡潔明了不易出錯，進入ACP模塊運行保存的Python文件即可快速生成底座的實體模型并應用于后續(xù)的仿真分析。

2.2 仿真模塊開發(fā)介紹

使用1.4節(jié)介紹的網格劃分方法之后進行模型邊界條件的添加，同樣使用HTML語言開發(fā)頁面，然后調用JavaScript中具體的函數定義，在JavaScript腳本中執(zhí)行Workbench內置的功能函數添加邊界條件并自動定義其參數[13]。定義內置函數的參數方式與建模的原理類似，把不同ID拾取到的數值賦予內置函數對應的變量位置，然后逐個運行即可完成邊界條件添加。

3 分析實例

ABAQUS在復合材料仿真中應用比較廣泛，可以輸入材料參數自動進行擬合計算，還可以很好地分析鋪層角度、鋪層順序等問題[14]，操作方便且仿真結果具有參考性。通過在ABAQUS上仿真結果與使用此工具創(chuàng)建相同尺寸的模型仿真結果進行對比，來驗證工具的有效性。

首先，使用文獻[10]中的公式對中間層材料進行擬合，使用碳纖維作為簾線與基體的各項參數[15]進行計算求出等效后材料的各個參數如表1所示。

表1 擬合后材料各項參數

點擊嵌入在菜單欄中的“底座模型有限元仿真”菜單即可彈出底座建模模板如圖4所示，根據需要輸入最基本的底座外形尺寸，如圖5所示,快速創(chuàng)建出鋪層需要的底座面體模型，如圖6所示，在如圖7所示的頁面中選擇擬合好的材料和基體設置鋪層的各個參數生成宏文件，在ACP模塊運行即可生成復合材料鋪層的實體模型，如圖8所示。

圖4 工具建模菜單欄顯示

圖5 工具建模菜單頁面

圖6 底座面體模型

圖7 工具鋪層頁面

圖8 底座實體模型

添加上法蘭的全約束和內壁面的壓力兩個邊界條件，模擬底座受到沖擊時內壁面壓力來查看底座強度是否能夠達到要求。點擊嵌入在菜單欄中的“底座有限元仿真”菜單即可彈出如圖9所示的“底座有限元仿真模板”，在彈出的工具仿真菜單頁面中輸入對應參數，如圖10所示，底座下表面固定約束，對內壁面施加0.88 MPa的壓強，經過計算求解的變形云圖如圖11所示，最大變形0.016 7 m發(fā)生在底座中心位置。ABAQUS中的仿真結果如圖12所示，最大變形為0.016 69 m。通過對比兩個軟件計算結果在誤差允許范圍內，并且二者變形分布基本一致，可以很好地說明本工具采用的材料擬合公式應用合理，從而說明開發(fā)工具創(chuàng)建的仿真模型合理，可以進行快速仿真并代替ABAQUS傳統(tǒng)手動仿真，很大程度上提高了效率。

圖9 工具仿真菜單欄顯示

圖10 工具仿真菜單頁面

圖11 ANSYS Workbench仿真結果

圖12 ABAQUS仿真結果

4 結論

通過研究ANSYS Workbench軟件復合材料模塊的使用，按照整體流程開發(fā)了快速仿真模塊，能夠實現底座模型的快速建模與求解。用戶只需要根據不同規(guī)格的底座輸入基本的外形尺寸即可快速完成建模仿真，極大提高工作效率，同時為初學者也提供了方便，使其可以快速學習并上手使用，工具具有較強的實用性。通過兩種軟件仿真結果的對比，可以看出工具采用的擬合算法和建模形式的正確性，使用工具進行仿真所得結果具有一定的參考性。