李 驁，汪惠芬，劉婷婷，柳林燕

隨著現代科技的發(fā)展，機械制造業(yè)正不斷地面臨著高速高精度等新的挑戰(zhàn)，高檔數控機床具有加工精度高、效率高等特點，正在日益受到機械制造業(yè)的青睞［1］。進給系統(tǒng)是高檔數控機床的重要組成部分，其動態(tài)特性對機床整體性能的影響非常突出。

目前，在機床進給系統(tǒng)動態(tài)分析方面，國內外學者做出了較為深入的研究。M.F.Zaeh和Th.Oertli［2］通過有限元法建立滾珠絲杠副的有限元模型，并討論了滾珠和絲杠之間結合面等效的建模方法。廖平［3］、趙萬軍［4］和程寓［5］等人分別對某些高檔數控機床進給系統(tǒng)進行動態(tài)特性分析，研究了建立進給系統(tǒng)有限元模型的關鍵技術，通過模態(tài)仿真和諧響應仿真為系統(tǒng)的動態(tài)性能改善和結構優(yōu)化提供依據。然而，運用ANSYS等CAE軟件分析進給系統(tǒng)動態(tài)特性，不僅要求企業(yè)設計人員熟悉ANSYS分析軟件的性能，而且具備一定的力學和有限元理論知識。整個進給系統(tǒng)動態(tài)特性分析操作過程相當復雜、費時，分析實例、優(yōu)化經驗等相關信息的重用性和共享性差。在簡化ANSYS工程分析操作繁瑣性方面，邱向榮［6］和李新平［7］基于ANSYS二次開發(fā)技術，分別開發(fā)了起重機輪叉有限元分析軟件和考慮結合面的高檔機床動態(tài)特性分析軟件，而對進給系統(tǒng)動態(tài)特性分析系統(tǒng)的開發(fā)研究較少。因此，開發(fā)進給系統(tǒng)動態(tài)分析系統(tǒng)，輔助操作人員高效地完成設計任務，實現分析實例和優(yōu)化經驗的共享，既滿足企業(yè)的迫切需要，又能提高企業(yè)操作人員分析設計效率和水平。因此，動態(tài)分析系統(tǒng)的開發(fā)具有重要的研究意義。

1 C#對ANSYS的封裝調用

ANSYS是一個功能強大、通用性好的有限元分析軟件，同時它還具有很好的二次開發(fā)功能，用戶可以根據自身的需要在標準ANSYS版本上進行功能的擴充和系統(tǒng)集成，編寫具有行業(yè)分析特點和符合用戶需要的專用程序［8］。ANSYS主要提供4種二次開發(fā)工具:參數化程序設計語言(APDL)、用戶程序特征(UPFs)、用戶界面設計語言(UIDL)和數據接口。APDL(ANSYSParametric Design Language)是一種類似Fortran的解釋性語言，它提供一般程序語言的功能，如參數、宏等，另外還提供簡單界面定制功能，實現參數交互輸入、消息機制、界面驅動和運行應用程序［8］。在進給系統(tǒng)動態(tài)特性分析中，利用APDL程序語言與宏技術來組織管理ANSYS的分析命令流，實現參數化材料定義、參數化網格劃分、參數化載荷和邊界條件的施加及參數化后處理結果顯示，完成參數化有限元分析的全過程。同時，在動態(tài)特性分析過程中，可以通過修改分析條件參數進行反復分析，得到最優(yōu)結構程序。

APDL雖然功能強大，但完全用其編寫的程序存在一些不足點:(1)APDL語言較難控制程序的進程，難以編寫出結構清晰的程序。(2)提供參數界面輸入功能不夠強大，用戶操作較難，人機交互不夠流暢。為此，采用C#對ANSYS進行二次開發(fā)，運用面向對象的設計方法，以Spring.net框架作為基礎架構，設計人員選擇所需的對象，賦予對象事件和過程，實現目標功能，且在此框架下，系統(tǒng)可分為界面層、業(yè)務層和數據層，各層實現自己的功能，層層之間通過接口調用，并利用配置文件實現接口的實例化，完成模塊間的松耦合。圖1為軟件系統(tǒng)程序結構圖，用戶選擇計算參數，系統(tǒng)自動調用ANSYS計算程序，獲取計算結果文件，最后將運算結果反饋給用戶自定義界面，供用戶分析。

圖1 軟件系統(tǒng)程序結構圖

2 進給系統(tǒng)動態(tài)特性分析的實現

2.1 進給系統(tǒng)動態(tài)特性分析流程

進給系統(tǒng)動態(tài)特性分析內容主要有抵抗受迫振動能力的分析和抵抗切削顫振能力的分析這兩方面，它是進給系統(tǒng)抗振性和穩(wěn)定性的基礎，進給系統(tǒng)動態(tài)特性的好壞直接影響進給系統(tǒng)的定位精度。圖2為進給系統(tǒng)動態(tài)分析流程圖，主要包括以下3個方面:

圖2 進給系統(tǒng)動態(tài)分析流程圖

a.進給系統(tǒng)有限元模型建立。

進給系統(tǒng)有限元模型是分析進給系統(tǒng)動態(tài)特性的前提，建立的基本思想是將連續(xù)的結構離散為有限個單元，并在每個單元中設定有限個節(jié)點，將連續(xù)的物體看作是只在節(jié)點處相連的一組單元的集合體［9］。建立有限元模型主要包括模型材料的定義、網格單元類型的選擇和網格劃分3部分。

有限元網格劃分是將結構離散成簡單單元的組合，劃分網格的形式和大小直接影響動態(tài)分析的計算精度和計算規(guī)模，因此網格劃分是建立有限元模型的一個重要環(huán)節(jié)，要求考慮的問題較多，工作量大。本系統(tǒng)提供按單元密度 (如圖1(a)所示)、單元長度 (如圖1(b)所示)和單元個數 (如圖1(c)所示)3種網格劃分方式，從而提高網格的質量，減少分析人員操作步驟。網格劃分通過ANSYS提供的宏處理功能實現，網格劃分宏文件如圖3所示。

b.進給系統(tǒng)模態(tài)仿真。

模態(tài)分析又稱為機械結構的固有振動特性分析，是分析機械結構動力學特性的常用手段。任何結構或部件都有其固有頻率和相應的振型，一個模態(tài)對應著一階固有頻率和振型，模態(tài)是機械結構自身的固有特性［7］。

圖3 網格劃分宏文件

進給系統(tǒng)模態(tài)仿真在有限元模型建立的基礎上，模擬實際工況，利用解析后APDL語言驅動ANSYS模態(tài)求解，從而得到結構各階固有頻率和模態(tài)振型。根據進給系統(tǒng)的工作頻段，分析抵抗受迫振動的能力，識別結構薄弱環(huán)節(jié)，為用戶提供理論改進依據，同時作為進給系統(tǒng)諧響應分析的基礎。實現模態(tài)仿真關鍵代碼如下。

/SOLU

ANTYPE，2

MODOPT，LANB，ModalNumber

EQSLV，SPAR

MXPAND，ModalNumber，，，0

MODOPT，LANB，ModalNumber

……

SOLVE

c.進給系統(tǒng)諧響應仿真。

進給系統(tǒng)模態(tài)只是反映了系統(tǒng)本身的屬性，想要了解進給系統(tǒng)實際工作時的響應，還需對進給系統(tǒng)做諧響應仿真。諧響應仿真是用來確定線性系統(tǒng)在承受隨時間按正弦規(guī)律變化的受載荷時穩(wěn)態(tài)響應的一種技術，仿真目的是計算出結構在諧波激振力作用下的位移響應和應力響應，并導出系統(tǒng)的動態(tài)響應幅值及系統(tǒng)激振力頻率變化的幅頻曲線［10］。

用ANSYS中的Mode Superposition模態(tài)疊加法對進給系統(tǒng)進行諧響應分析。相對于Full完全法和Reduced縮減法，Mode Superposition模態(tài)疊加法是在模態(tài)分析的基礎上，用模態(tài)振型乘以參與因子并求和來計算結構的響應，計算速度最快，且能夠處理預應力問題的諧響應，計算精度高。再利用APDL語言解析出諧響應分析命令，施加激振力，設置頻率分析范圍，調用ANSYS后處理模塊，獲取系統(tǒng)在外力頻率變化下的幅頻曲線，從而通過幅頻曲線分析進給系統(tǒng)抵抗顫振的能力。諧響應仿真關鍵部分的諧響應求解是通過宏處理功能實現，諧響應求解宏文件如圖4所示。

2.2 進給系統(tǒng)動態(tài)特性分析系統(tǒng)化的實現

基于Visual Studio 2010和SQL Server 2005，采用C#和APDL語言編程，開發(fā)了進給系統(tǒng)動態(tài)特性分析系統(tǒng)。利用ANSYS對APDL語言消息響應機制、后臺驅動ANSYS計算程序方式，完成進給系統(tǒng)動態(tài)分析，并將結果保存到數據庫中。該系統(tǒng)實現了以下幾個方面的功能:

圖4 諧響應求解宏文件

a.動態(tài)分析任務建立。追溯本次分析中模擬實際工況的條件，為其他用戶提供參考。

b.文件配置。主要完成工作目錄的設置，導入三維模型或有限元模型的分析文件，分析文件的保存以及分析系統(tǒng)的退出等操作。

c.對象顯示。切換有限元模型的顯示方式，為用戶提供便捷，增強軟件的人機友好性。

d.有限元模型建立。提供材料屬性參數輸入、網格單元類型和網格劃分方式的選擇功能，從而將三維的CAD模型結構離散為有限個單元，建立有限元模型。

e.模態(tài)仿真。提供定義模態(tài)階數、完成模態(tài)求解與分析結果的顯示和保存功能。

f.諧響應仿真。提供激振力施加、分析頻率范圍設置、諧響應求解和X/Y/Z幅頻曲線的顯示和保存功能。

現以昆明機床廠某型號高檔數控機床進給系統(tǒng)為例，進行動態(tài)特性分析。通過材料屬性參數輸入、網格單元類型和網格劃分方式的選擇，完成三維CAD模型的轉換，建立進給系統(tǒng)動態(tài)分析有限元模型，如圖5所示。有限元模型建立后并根據實際工況，設定分析階數后進行模態(tài)仿真，得到各階固有頻率如圖6所示。諧響應仿真在模態(tài)仿真基礎上設置激振力，輸入相應的分析頻率范圍后進行求解，得到各階振型和振型動畫。仿真結束后將結果存入分析庫中，供用戶查看，如圖7所示，從而為進給系統(tǒng)動態(tài)性能優(yōu)化提供理論依據。

圖5 進給系統(tǒng)有限元模型建立

圖6 動態(tài)特性分析

圖7 分析結果查看

3 結束語

本文提出的基于C#的ANSYS二次開發(fā)方法，不同于以往的后臺調用ANSYS程序，將ANSYS顯示界面集成到所開發(fā)系統(tǒng)中，通過對APDL語言解析，驅動特定功能的計算程序，實現了進給系統(tǒng)動態(tài)分析系統(tǒng)的開發(fā)。該方法為ANSYS二次開發(fā)提供了一種新的解決途徑，尤其在解決復雜的工程問題時，如進給系統(tǒng)動態(tài)分析，能夠降低操作繁瑣性，提高分析效率和質量。當然，該系統(tǒng)仍存在一些不足:(1)分析過程需要大量的人工參與，系統(tǒng)不夠智能化。(2)系統(tǒng)和Pro/E沒有達到無縫連接，分析模型格式仍需轉化。這些問題在日后的研究中需要繼續(xù)完善。

［1］ 吳福忠.數控車床主軸力學特性的有限元分析方法［J］.機床與液壓，2009，37(6):193－195.

［2］ Zaeh M F，Oertli Th.Finite element modeling of ball screw feed drive systems［J］.CIRP Annals Manufacturing Technology，2004，53(1):289 －292.

［3］ 廖平.高速數控車床進給系統(tǒng)靜動態(tài)特性分析［J］.機床與液壓，2011，39(23):120－122.

［4］ 趙萬軍.基于ANSYS的滾珠絲杠進給系統(tǒng)靜動態(tài)特性分析［J］.機械傳動，2010，34(5):68－70.

［5］ 翁德凱，程寓，夏玲玲，等.基于結合面的立式加工中心進給系統(tǒng)的動態(tài)特性分析［J］.機械設計與制造，2012(3):130－132.

［6］ 邱向榮，陳熾坤.基于VB的ANSYS二次開發(fā)在起重機設計中的應用［J］.起重運輸機械，2007(5):41－43.

［7］ 李新平，汪惠芬，劉婷婷.ANSYS二次開發(fā)技術在機床動態(tài)特性分析中的應用［J］.中國制造業(yè)信息化，2011，40(5):29－32.

［8］ 博弈創(chuàng)作室.APDL參數化有限元分析技術及其應用實例［M］.北京:中國水利水電出版社，2004.

［9］ 康方，范晉偉.基于ANSYS的數控機床動態(tài)特性分析［J］.機械設計與制造，2008(7):181－182.

［10］夏玲玲.基于結合面特性的KVC1050N立式加工中心整機動態(tài)性能研究［D］.南京:南京理工大學，2010:43－44.