基于VC 的液压机上横梁有限元分析.pdf

现代设计与先进制造技术 赵万军基于 VC的液压机上横梁有限元分析 3 1 基于 VC的液压 机上横梁有限元分析 赵 万 军 重庆三峡学院 应用技术学院， 重庆 万州4 0 4 0 0 0 摘要 i 采用 VC编程 ， 开发 了 Y J 3 2型三梁四柱式单缸液压机上横梁有限元分析交互式人机界 面， 实现 了对 AN S Y S命 令 流的封装 ， 研 究 了 VC前 台调 用 A NS Y S的方法。使 用编制 的 VC十程序， 能够根据输入 的参数 自动生成 AP DL宏文件 ， 完成 ANS YS的 自动运行、 分析计算 和结果查看， 为液压机上横梁系列产品的有限元分析提供 了一种新的方法。 关键词 液压机上横梁； 有限元分析 ； VC； AP DL 中图分类号 T G 3 0 5 ． 4 ； T P 3 1 1 ． 1 文献标识码 A文章编号 1 6 7 21 6 1 6 2 0 1 0 1 l 一0 0 3 1 一O 3 上横梁是液压机机身结构的重要组成部分 ， 采 用基于 A NS Y S的有 限元分析 方法能够较为准确 地了解其应力 、 变形及其分布情况 ， 从 而有利于改 善其结构尺寸， 提高液压机的使用性能。随着液压 机吨位的变化 ， 其尺寸会从小到大形成一个具有相 同拓扑结构的系列 ， 此时运用 ANS YS的 A P DL命 令流进行参数化有 限元分析可以极大地提高其分 析效率⋯ 1。但是 ， 单纯 的参数化方 法受限于 A N S Y S环境 ， 不易实现友好的界面开发和方便的结果 查看 ， 将 VC强大的人机交互界 面开发和过程 控制能力与 ANS Y S的 A P D L参数化 分析方法结 合起来 ， 可以很好地弥补上述缺陷。 1 程序流程与主分析界面 VC与 A P DL编程实现液压机上横梁有限 元分析的程序流程如 图 l所示 ， 其基本过程是 在 VC生成的人机界面中输入或选择上横梁有限 元分析所需参数 ； 然后传递参数并生成有限元分析 A P DL命令流， 该命令流以宏文件的形式保存在指 定路 径 的文件 夹 中； 接 着启 动 AN S Y S软件 ， 在 A NS Y S中调用保存 的 A P DL宏文件完 成上横 梁 的有限元静力分析 和优 化设计 ， 同时保存分 析结 果 ； 最后在 VC用户界面 中， 根据需要 可打开 保存的有限元分析结果图片供观察与分析之用。 VC编程实现有限元分析 的主界面如图 2 所示 ， 图中左上角的下拉列表框用于选择液压机的 吨位 ， 该值也将作为作用在上横梁上的载荷参与有 输 入 与选择参数 ● 生成AP DL 命令流 ● l 启 动 A N s Y s I ’ 在ANS YS LP进行 静力分析和优化 没计 有 限元分析结果图形垃示 图 1 v C与 A P DL实现有限元分析程序流程图 图 2有 限元分析主界 面 限元计算 。“ 功能选择” 组框 中的 4个按钮用于完 成有限元分析的全过程 ， 它们必须按从上至下 的顺 序执行 ， 其实现方法是 在应用程序类 的 On l n i t Di a l o g 初始化函数 中设置“ 输 入参数 ” 下面 的 3个 按钮不可用 ， 在“ 输入参数” 按钮的响应 函数的最后 面设置“ 生成 A P D L ” 按钮可用 ， 当点击“ 输人参数” 按钮完成参数输入后“ 生成 A P DL程序” 按钮即可 收稿 日期 2 0 1 00 22 6 基金项 目 重庆三峡学院科研基金资助项 目 2 0 0 7一s x x y n l一1 1 作者简 介 赵万军 1 9 7 0 一 ， 男 ， 重庆万洲人 ， 重 庆三峡学 院讲师 ， 硕士 ， 主要从事机械设计与制造方向的教学 与研究工作 。 3 2 2 0 1 0年 6 月 中国制造业信息化第 3 9卷第 1 1 期 亮显使用 ， 下面 2个按钮采用类似的方法设置。 2 参数输入 参数输入由几何参数、 材料参数和载荷参数 3 个界面组成 ， 它们是采用 VC的属性表单和向 导进行构建的[ 2 l 。当点击 图 2的“ 输人参数” 按钮 后将弹出图 3所示“ 输入几何参数” 界面， 顺次点击 “ 下一步” 按钮将弹出“ 材料参数选择” 界面和“ 选择 载荷 形式 ” 界 面。 图 3所 示几 何参 数是 在分 析 Y J 3 2型三梁四柱式单缸液压机结构特点的基础上 确定的， 其数值通过编辑框控件输入， 每一个编辑 框控件对应一个特定的内存变量， 这些变量将传递 给 AP DL宏用于创建有 限元分析几何模 型。材料 参数界面中包括了“ HT 1 5 0 ” 、 “ Z G3 5 ” 等上横梁常 用材料， 通过选择材料牌号 ， 可将该牌号材料的弹 性模量 、 泊松 比等参数选 出传 递给 A P DL宏用 于 有限元分析。选择载荷形式界面包括 了“ 正载” 、 “ X向偏载” 和“ Z向偏载” 3种载荷施加形式 ， 其处 理方法见文献[ 3 ] 。 删 湃 嚣 ■ r 瞅 一 稻轰 铺 ■ 夥 r 翳{ ；懿 啦嚏峨 _ 姆 I ； 嘲 棼 中 蕾霉骧醴 压酲髓篱警 靛 ⋯ 鞫蕾上 串 蠢孔盘 诬 。； 一 目∞ 懿 -_．- ‘‘ 一 }霸蕾中上胥乳直撞 5 8 睁 科 I 睁簿下部乳蓝撞 s 8 5 暇酋下每孔离 2 t 酣 鼙庠 面 ； 嘲 蚪F 溜 爵 蕊 一 捌 麓 胁 蛙 翔 L座 烈 肋横 出砂乳J 宣 柽 i￡ 毫 硝群尺 寸参藏● 世均抽 。 匝j 至 囝 ． j 图3 输入几何参数界面 3 有限元分析流程与生成 A P DL 液压机上横梁有限元分析的基本流程是 传递 参数、 建立有限元几何模型、 网格划分 、 加载求解、 结果提取与 图片保存等。该 流程 是通过 ANS YS 的二次开发语言 A P D L编制宏程序来实现 的_ 4 j 。 参数传递是用 * S E T命令将上述输入或选择的几 何参数、 材料参数等传递给 A N S Y S数据库。然后 根据传人的参数建立有限元分析模型。网格划分 采用了 S o L I D 9 2三维十节点等参单元 ， 由于其具 有较强的拟合曲面边界的能力 ， 因此能够满足有限 元计算精度的要求。结果 提取的 目的是获取模型 的最大应力、 最大变形值和总质量分别作为优化设 计的状态变量和 目标函数， 为优化设计做好准 备I 5 ] 。图片保存 是将 有限元分析 的应力 、 变形等 结果图片存储为指定的图片文件 ， 以便后续查看和 分析。 当点击 图 2的“ 生 成 AP DL程 序” 按钮 时 ， A P D L宏程序将由V C动态生成。其方法是 首先在磁盘指定位置生成一个文件夹， 然后采用 o f s t r e a m文件流对象在该文件夹 中生成 A P D L文 件并逐条向其 中输入 A NS YS命令流 J 。这一过 程实现了 VC-I - 对 A P DL的封装 ， 使用本程序的 用户不需要在 ANS YS中进行任何设置 ， 有限元分 析的全过程 由 自动生成 的 A P D L完成 ， 极大地提 高了分析效率 。 4 运行 ANS YS 在生成 AP DL宏程序 后 ， 点击 图 2的“ 运行 A NS YS ” 按钮可 以实现 A NS YS的前 台运行， 相较 于其他文献采用的后 台调用方法 ， 前台运行可以使 A NS YS窗 口始终处于打开状态 ， 使用者可以实时 监控有限元分析的全部进程。其实现方法是 通过 A NS YS的 * A B B R命令将用于有限元分析和优化 设计 的按 钮 宏命 令追 加 到 A NS Y S安 装 目录 的 s t a r t 9 0 ． a n s文 件 的 最 后 面 ， 当 ANs Y S启 动 时 “ YYJ F E A” 和 “ YY JO P T”这 2个用户按钮将 与 A NS Y S原有的缺省按钮一起出项在 T o o r b a r 工 具条上 ， 如 图 4所示。通过 VC的 C r e a t e P r o c e S S 函数编程创建一个进程来启动 ANS YS [ ， 当 AN S Y S界 面启 动后 ， 点 击 工 具 条上 的 “ YY J F E A” 或“ YY J OP T” 按钮 ， A NS Y S自动调用前述 生成的 AP D L宏程序分别进行有限元分析和优化 设计计算。 曼划 型 婴 兰 测旦删 图 4 A NS YS工具条按钮 V C创建 ANS Y S按钮 和启动 ANS Y S的 程序代码片段如下 o f s t r e a m o u t f i l e ； ／ ／ 定义文件流对象 o u t f i l e ． o p e n r c I{ P r o g r a m F i l e s I{ A n s y s I n c＼ ＼v 9 0＼ ＼A NS Y S＼ ＼a p d l ＼ ＼s t a r t 9 0 ． a n s ” ；／ 街 开 s t a r t 9 0 ． a n s 文件 o u t f i l e ”*AB B R， YY ． I P R ES ” e n d l ； ／ ／ 仓 0 建 AN S Y S用户按钮 o u t f i l e ”*AB B R．I NP UT 0P T ” 现代设计与先进制造技术 赵万军基于 VC十十的液压机上横梁有限元分析 3 3 e n d l ； o u t f i l e ”*ABB R，I NP UT P RES， ／ ， I N． P UT， ’ YYJ F E A’ ， ’ ma c ’ ， ’ C ＼＼YY J ’ ， ， 0” e n d l ； ／ ／ 按钮相关 A P D L宏 o u t f i l e ” 4 -ABB R， I NP UT OP r r， ／ ， I N PUT， ’ YYJ O 盯 ’ ， ’ ma c ’ ， ’ c ＼＼YY J ’ ， ， 0 ” e n d l B O OL f Re t C r e a t e P r o c e s s N UL L， ” C＼ ＼ Y Y J ＼ ＼ ANS Y S 9 0 ． e x e ” ， NUL L ， NUL L， F AL S E， NORMAL PRI ORI TY CL AS S， NULL， NUL L， s i ， p i ； ／ ／ 启 动 ANS Y S 5 结果显示 为显示结果 ， 需在有限元分析结束之后保存结 果图片。保存结果图片的 A P D L命令流用VC 进行封装的程序如下 以保存模型等效应变等值线 图片为例 C r e a t e D i r e c t o r y ” C ＼＼丫Y J ” ， 0 ； ／ ／ ,J 建 文 件夹 o u t f i l e ” ／ t i t l e ．d e f o r me d s h a p e” e n d l ； ／ ／ 定义标题 o u t f i l e ” p l d i s p ， 2 ” e n d l ； ／ ／ 显示模型等 效应变 o u t f i l e ” ／ s h o w， j p e g ， ， 0 ” e n d l ； ／ ／ 指定 图片保存格式 o u t f i l e ” j p e g ， c o l o r ， 2 ” e n d l ； ／ ／ 指定 图 片背景颜色 o u t f i l e ” j p e g ， t mo d ， 0 ” e n d l ； ／ ／ 指定文 本模式 o u t f i l e ” ／ g f i l e ， 8 0 0 ” e n d l ； ／ ／ 指定 图形 文件缓冲区象素分辨率 o u t f i l e ” ／ r e p l o t ” e n d l ； ／ ／ 图形重绘 o u t f i l e ” ／sh o w， c l o s e ” e n d l ； ／ ／ 清除 图 形文件缓冲区 o u t f i l e ” ／ r e n a me ， y y i O 0 0， j P g ， ， y y j d e f ， ” e n d l ； ／ ／ 更改图片文件名 程序 中最后一句更改 图片文件名是非常重要 的步骤 ， 如果 没有这 一步 骤 ， 则 图片文件名将 按 y y j O 0 0 ， y y j 0 0 1 ， ⋯依次递增 ， 每进行一次有 限元分 析 ， 图片文件名会从上一次的最后一个文件名开始 递增 ， 这样 图片文件会无 限制地增加下去 ， 且结果 显示打开的始终是第一次保存 的图片。当采用了 更改文件名措施后 ， ANS Y S每次保存 图片 的默认 文件名均为 y y j O O O ， 改名后则每次有限元分析的图 片文件会覆盖上一次的同名文件 ， 从而避免 了上述 问题 。 在 VC中打 开上述保 存的 图片文件 的程 序代码格式均相同 ， 以“ 等效应变等值线 图” 为例 i n t r e s u l t ； ／ ／ 定义变量 r esu l t s y s t e m f ， c l 1 { {y y j d e f ． j P g ” ； ／ 街 开图片 执行上述代码打开的图片如图 5所示 。 图 5 等效应 变等值线 图 6 结束语 本文针对三梁 四柱式单缸液压机上横梁 ， 介绍 了 VC与 AP D L混合编程实现其有 限元分析 的过程与方法 。通过开发的应用软件 ， 使用者只需 根据液压机的吨位输入相应参数 ， 即可完成上横梁 系列产品的有限元分析和优化设计 ， 极大地提高了 设计分析的效率。 参考文献 [ 1 ] 刘茜， 石维佳， 董正身． 基于 A P D L的液压机横梁参数化有 限元分析[ J ] ． 机械设计与制造， 2 0 0 5 7 1 8 1 9 ． [ 2 ] 孙鑫 ， 余安萍 ． vc深入详解 [ M] ． 北京 电子工业 出版 社 ， 2 0 0 6 ． [ 3 ] 赵万军 ， 张大可 ， 钱利霞 ． 单缸液压机上横 梁偏心载荷处理研 究 [ J ] ． 煤矿机械 ， 2 0 0 8 ， 2 9 4 4 6 4 8 [ 4 ] 博弈创作室． A P D L参数化有限元分析技术及其应用实例 [ M] ． 北京 中国水利水电出版社， 2 0 0 4 ． [ 5 ] 赵万军， 张大可． A N S Y S中基于参数化的液压机结构优化设 计 [ J ] ． 机械设计与制造 ， 2 0 0 7 1 2 68 ． [ 6 ] 曹永娟 ． 基于 AN S Y S的永磁 同步 电机 设计分 析软件 [ J ] ． 电 机与控制应用 ， 2 0 0 6 ， 3 3 2 2 52 9 ． 下转第 3 8页 2 0 1 0年 6月 中国制造业信息化第 3 9卷第 1 1 期 c c 丽 E h 2 ， ，， 0． 4 41 5 z D E 3． 2 5 2、 一 mi n f 2 X S D D S H H S E E 0 ． 6 8 3 D 0 ． 1 5 3 H 0 ． 1 6 4 E 0≤ D ≤ 0 ． 4 4 1 5 mm 0≤ E ≤ 0 ． 2 mm 1 0 ． 4 mm ≤ H ≤ 1 5 ． 6 mm 4 实验测试数据及 总结 将文中分析得到的优化解作为加工参数加工 出相应的机械结构， 在装配过程 中卡夹装夹之后的 紧口距离为 1 1 ． 5 mm， 考虑到阀盖和阀体具有一定 的弹性形变， 这个数据符合仿真实验的要求即验证 f 4 、 了该仿真设计实验的真实性和可行性。与此同时， 在原先装配中存在 的损坏零件的问题得到了很好 的解决 如图 1 4所示 。 其包括 2个 目标函数 ma x f ， mi n f 2 和 3个约束 条件。ma x A 表示在装配时 3个位置参数的加权 敏感度最大， 在装配时卡夹能够在较小 的受力下产 生较大的变形 ； mi n f 2 表示在实际装配时 3个位置 参数的几何关系应尽量符合如图 1 0所示的几何模 型， 3 个约束条件分别 由装配体的结构所决定 。 在 MAT L A B中调用多 目标优化函数 f g o al a t t a i n ， 编辑优化程序， 求解得到 3个关键参数的优化 解 D 1 0 ， E 0 ， H 1 0 ． 4 。 图 1 4 根据优化 解设计 的装配 台和装配成品 文中通过对节气阀卡夹装配的仿真实验， 分析了 卡夹在装配过程中的各个状态， 在进一步的分析中可 以针对各种卡夹装配提供更为通用的装配方法。 Th e M o de l An a l y s i s a n d CAE Opt i mi z a t i o n o f Ke y Pa r a me t e r s i n Cl i p p i ng As s e mb l y Z HANG F e n gy a o ， QI N Xi a ns h e n g， G AO Ta o ， LI U Hu a n N o r t h we s t e r n P o l y t e c h n i c al Un i v e r s i t y ， S h a a n x i Xi ’ a n ， 7 1 0 0 7 2 ， C h i n a Ab s t r a c t I t a n a l y z e s t h e c l i p a s s e mb l y p r o c e s s i n s e c t i o n v a l v e ．Ba s e d o n ANS YS，i t s t u d i e s t h e p r o c e s s p a r a me t e r s o f c l i p a s s e mb l y i n c l u d i n g t h e o p t i mu m c l i p p i n g s t a t e ，t wo me t h o d s o f a s s e mb l y p r oc e ss a n d a s s e mb l y e f f e c t ．I t b u i l d s t h e a n a l y s i s mo d e I a n d s o l u t i o n o f k e y p a r a me t e r s f o r t h e a n g l e a sse mb l y wi t h t h e c o mb i n a t i o n t o o l o f ANS YS．ADAM S a n d M A TL AB． Ke y wo r d s C 1 i p As s e mb l y ；Ke y P a r a me t e r s ；Mo d e l Op t i mi z a t i o n；ANS YS 上接第 3 3页 [ 7 ] 陈家平， 齐乐华 ， 周计明， 等． 基于 V C和 AN S YS接 1 1 的液 固 挤压数值模 拟参数 化 实现 [ J ] ． 机床 与液压 ， 2 0 0 9， 3 7 1 1 1 6 6 1 6 9， 2 1 0 ． F EA o n t he Upp e r Be a m o f Hy d r a u l i c Pr e s s Ba s e d o n VC Z HA O Wa n j u n C h o n g q i n g T h r e e G o r g e s Un i v e r s i t y ， C h o n g q i n g ， 4 0 4 0 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t B a s e d o n AP DL a n d VC，i t d e v e l o p s t h e ma nma c h i n e i n t e r f a c e o f t h e u p p e r b e a m o f t h e YJ 3 2 h y d r a u l i c p r e s s wi t h t h r e e b e a ms a n d s i n g l e c y l i n d e r ，r e a l i z e s t o c a l l ANS YS i n f o r e g r o u n d VC．Th e AP DL f i l e s c a n g e n e r a t e a u t o ma t i c a l l y b y i n p u t t i n g p a r am e t e r s ．FE A i n ANS YS c a n b e e n e x e c u t e d a n d t h e r e s u l t s C an b e e n v i e we d a u t o ma t i c a l l y ．Th i s p r o v i d e s a n e w me t h o d f o r t h e F EA o f t h e s e ria l i z a t i o n p r o d u c t s o f t h e h y d r a u l i c p r e s s ’ S u p p e r b e a m ． Ke y wo r d s Up p e r B e a m o f Hy d r a u l i c P r e ss；F E A；VC AP DL