李春通，任 芳，楊兆建，丁 華

（太原理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，太原 030024）

礦井提升機(jī)主軸CAD/CAE集成系統(tǒng)研究

李春通，任 芳，楊兆建，丁 華

（太原理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，太原 030024）

0 引言

鑒于NX和ANSYS各自的功能優(yōu)勢(shì)，目前廣泛采用的是首先在NX中完成建模，然后將建立的模型導(dǎo)入ANSYS中，最后在ANSYS中完成有限元分析計(jì)算，但是目前它們的應(yīng)用還存在兩個(gè)問題：一是NX與ANSYS相互獨(dú)立，在不能保證數(shù)據(jù)傳遞的完整性，容易造成數(shù)據(jù)丟失；二是NX和ANSYS操作過程都很復(fù)雜，尤其是ANSYS，需要比較專業(yè)的工程人員才能準(zhǔn)確的完成復(fù)雜的分析計(jì)算，這樣對(duì)系列產(chǎn)品的設(shè)計(jì)分析效率比較低，管理也不方便。因此，如何將NX和ANSYS軟件進(jìn)行無縫集成并應(yīng)用于設(shè)計(jì)中，成為了數(shù)字化設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一個(gè)重要問題。

目前該方面的研究主要集中在如何減少NX和ANSYS軟件之間在模型數(shù)據(jù)上的差異，實(shí)現(xiàn)它們之間無數(shù)據(jù)損失的轉(zhuǎn)換和傳遞,但如何將CAE的分析結(jié)果在NX中直觀的顯示，并反饋到零部件的設(shè)計(jì)中，還鮮有系統(tǒng)的研究，部分研究?jī)H限于CAD軟件集成CAE分析數(shù)據(jù)庫，從數(shù)據(jù)庫中調(diào)取分析圖片為設(shè)計(jì)人員提供CAE分析服務(wù)，功能比較單一，實(shí)用性不強(qiáng)。

為此，本文綜合運(yùn)用CAD參數(shù)化技術(shù)、CAE參數(shù)化有限元分析技術(shù)、動(dòng)態(tài)庫技術(shù)及CAD/CAE集成技術(shù)，借助VS2010環(huán)境中的VC++模塊，基于NX軟件平臺(tái)，通過對(duì)NX和ANSYS的二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)二者數(shù)據(jù)共享，研究并開發(fā)了CAD/CAE集成開發(fā)系統(tǒng)，開發(fā)了摩擦式礦井提升機(jī)主軸CAD/CAE集成系統(tǒng)，可以快速有效的對(duì)主軸進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算，提高了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率。

1 CAD/CAE集成系統(tǒng)平臺(tái)的構(gòu)建

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)是在NX環(huán)境下開發(fā)設(shè)計(jì)的，主要包括三個(gè)子系統(tǒng)，如圖1所示，共有四個(gè)模塊:

1）三維參數(shù)化模型構(gòu)建模塊，即CAD參數(shù)化子系統(tǒng)，該模塊是通過運(yùn)用NX/Open API進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，結(jié)合MenuScript（菜單腳本語言）和VC++語言，開發(fā)了參數(shù)化建模程序，并以動(dòng)態(tài)鏈接庫的形式進(jìn)行封裝。

2）CAE分析模塊，即CAE分析子系統(tǒng)，對(duì)ANSYS軟件進(jìn)行二次開發(fā)，CAE分析功能采用NX/Open API封裝到動(dòng)態(tài)鏈接庫中。

3）CAD/CAE集成模塊,以NX為平臺(tái)，使用VC++語言，實(shí)現(xiàn)了CAD/CAE的結(jié)合。

4）輔助模塊，即輔助子系統(tǒng)。該模塊是為了方便設(shè)計(jì)人員更好的使用本系統(tǒng)而開發(fā)的，包括一些輔助工具，如畫圖板工具等。系統(tǒng)安裝方法以及安裝過程中應(yīng)注意的問題也包含在這個(gè)模塊中。

圖1 CAD/CAE集成系統(tǒng)

1.2 系統(tǒng)開發(fā)流程

本文利用MenuScript（菜單腳本語言）創(chuàng)建用戶化的菜單，使用UIStyler創(chuàng)建人機(jī)交互對(duì)話框，利用VC++和NX/Open API對(duì)NX進(jìn)行二次開發(fā)，開發(fā)了CAD參數(shù)化子系統(tǒng)，該方法是一種基于圖形模板的設(shè)計(jì)方法。 ANSYS軟件提供了一種參數(shù)化設(shè)計(jì)語言APDL(Ansys Parametric Design Language),可直接利用該語言編寫參數(shù)化的用戶程序，APDL文件包括模型的參數(shù)，模型生成過程，網(wǎng)格劃分，加載，求解及后處理等內(nèi)容。本文通過后臺(tái)創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程，后臺(tái)啟動(dòng)ANSYS，自動(dòng)讀入APDL文件，完成分析和計(jì)算，最后，利用VC++將各模塊集成在NX中。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 基于NX的三維參數(shù)化模型的構(gòu)建

基于圖形模板的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法的思想是先建立一個(gè)模型文件，通過修改模型的特征來驅(qū)動(dòng)模型發(fā)生相應(yīng)的變化，從而達(dá)到參數(shù)化的目的。開發(fā)過程中要注意開發(fā)環(huán)境的設(shè)置，首先在自定義目錄下創(chuàng)建prt、application、startup三個(gè)文件夾，然后新建用戶環(huán)境變量，變量名為：NXII_USER_DIR，變量值為定義目錄，圖2為CAD參數(shù)化子系統(tǒng)開發(fā)流程圖。

2.2 基于ANSYS的參數(shù)化有限元模型的構(gòu)建

本文結(jié)合實(shí)例借助VS2010開發(fā)環(huán)境下的VC++開發(fā)友好的人機(jī)交互界面，編譯出強(qiáng)大的動(dòng)態(tài)鏈接庫程序，實(shí)現(xiàn)在NX中對(duì)ANSYS的隨意調(diào)用和完美連接。利用APDL語言實(shí)現(xiàn)對(duì)ANSYS的二次開發(fā)，首先使用APDL功能完成零部件的參數(shù)化建模、網(wǎng)格劃分、加載和計(jì)算，然后建立參數(shù)化對(duì)話框，通過在對(duì)話框中輸入的數(shù)值來修改APDL文件中參數(shù)值，最后創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程，后臺(tái)調(diào)用ANSYS軟件，將修改后的APDL程序讀入到ANSYS中進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)束后，由后處理器對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理，并將結(jié)果數(shù)據(jù)以及圖片輸出到一個(gè)指定的文件夾中。

圖2 CAD參數(shù)化子系統(tǒng)開發(fā)流程圖

2.3 基于VC++的CAD/CAE集成程序的實(shí)現(xiàn)

采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)對(duì)參數(shù)化CAD建模、參數(shù)化CAE有限元分析、以及NX與ANSYS的接口程序進(jìn)行統(tǒng)一編譯，實(shí)現(xiàn)CAD/CAE的集成。因此，用戶就可以在NX NX界面環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)零部件的參數(shù)化設(shè)計(jì)與有限元分析。

2.4 數(shù)據(jù)管理

ANSYS完成計(jì)算以后會(huì)產(chǎn)生分析結(jié)果的圖片、輸出文檔、*.db數(shù)據(jù)文件等。圖片的顯示根據(jù)系統(tǒng)定制的不同可以為等效應(yīng)力云圖、等效位移云圖、模態(tài)圖等，可以在對(duì)話框中查看，系統(tǒng)也會(huì)自動(dòng)打開Windows操作系統(tǒng)自帶的畫圖工具mspaint；輸出文檔中包含命令流、錯(cuò)誤信息、計(jì)算求解結(jié)果等信息，可以在對(duì)話框中顯示，便于查看整個(gè)的分析過程；同時(shí)可以通過對(duì)話框打開生成的*.db數(shù)據(jù)文件，在ANSYS軟件中更詳細(xì)的查看計(jì)算的結(jié)果，而不僅限于圖片顯示的內(nèi)容。

3 系統(tǒng)演示

3.1 CAD參數(shù)化設(shè)計(jì)

啟動(dòng)NX，打開提升機(jī)主軸的CAD參數(shù)化模塊，彈出如圖3所示的對(duì)話框，輸入設(shè)計(jì)參數(shù)并點(diǎn)擊確定，會(huì)自動(dòng)生成相應(yīng)參數(shù)的三維模型。

圖3 主軸參數(shù)化輸入界面

圖4 主軸CAE參數(shù)化界面

3.2 參數(shù)化有限元分析

打開提升機(jī)主軸的CAE分析模塊，彈出如圖4所示的對(duì)話框，在該對(duì)話框中完成各種參數(shù)以及自定義工作名的輸入后，點(diǎn)擊“開始計(jì)算”，系統(tǒng)便會(huì)調(diào)用ANSYS開始計(jì)算，待計(jì)算完成后，點(diǎn)擊“查看輸出文檔”，便會(huì)彈出顯示輸出文檔的對(duì)話框，從中可以查看命令流等信息,點(diǎn)擊“查看分析結(jié)果”，可以查看系統(tǒng)生成的圖片，點(diǎn)擊“打開ANSYS軟件”，可以在ANSYS中查看主軸的詳細(xì)計(jì)算結(jié)果。圖5為提升機(jī)主軸模型圖，圖6為等效應(yīng)力云圖。

圖5 主軸模型圖

圖6 應(yīng)力云圖

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)不僅在于能夠?qū)崿F(xiàn)NX對(duì)ANSYS的調(diào)用和它們之間的數(shù)據(jù)傳遞，還在于可以打開ANSYS軟件，在ANSYS中查看分析結(jié)果，而不局限于輸出的文檔和圖片。

本文針對(duì)摩擦式礦井提升機(jī)主軸，詳細(xì)闡述了基于NX和ANSYS的CAD/CAE集成系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法，實(shí)現(xiàn)了NX與ANSYS的集成，避免了NX與ANSYS之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的數(shù)據(jù)丟失。借助VS2010環(huán)境的VC++開發(fā)了友好的人機(jī)交互界面，即使是不會(huì)使用ANSYS的工程人員，也可在系統(tǒng)的引導(dǎo)下快速的完成分析和計(jì)算，大大降低了設(shè)計(jì)人員的工作量，提高了設(shè)計(jì)效率。

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Research on CAD/CAE integration system of mine hoist shaft

LI Chun-tong，REN Fang，YANG Zhao-jian，DING Hua

本文將常用的CAD、CAE軟件NX和ANSYS結(jié)合起來，基于CAD參數(shù)化建模和參數(shù)化有限元分析思想，以NX為平臺(tái)，利用NX和ANSYS的二次開發(fā)技術(shù)，結(jié)合VS2010中的VC++模塊和動(dòng)態(tài)庫技術(shù)，定制開發(fā)了基于NX和ANSYS的CAD/CAE集成系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)CAD參數(shù)化建模和參數(shù)化有限元分析的集成。開發(fā)了摩擦式礦井提升機(jī)主軸CAD/CAE集成系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了CAD/CAE的結(jié)合，減少了設(shè)計(jì)人員的工作量，取得了良好的預(yù)期效果。

NX；ANSYS；VC++；二次開發(fā)；集成開發(fā)；參數(shù)化

李春通（1988 -），男，山東菏澤人，碩士研究生，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)與理論研究。

TH122

A

1009-0134(2014)05(下)-0131-02

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.05(下).37

2014-02-14