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基于ANSYS的液压机产品广义模块化快速设计 |
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作者：天津大学 满佳 黄艳群 徐燕申 |
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摘 要：液压机是制品成型压制的主要加工机，其规格、结构形式多样，均要根据用户的需求定制设计，并有严格的刚度和强度要求。为了快速设计不同结构，不同精度要求的液压机，把CAD参数化设计和有限元变量化分析相结合，应用广义模块化设计原理和方法，开发了一个基于ANSYS平台的液压机产品广义模块化快速设计系统。根据广义模块化模型的参数化特点，使用ANSYS软件ADPL语言对参数化结构模块进行有限元建模，根据用户需求的液压机尺寸和工程压力，构建一定数量的参数化的CAD/CAE模型，开发覆盖常用参数液压机的快速设计系统。用户只要对系统输入有限的设计参数，系统便可以快速生成产品模型，并自动进行有限元分析。
关键词：ANSYS 液压机 广义模块化 变量化分析 快速设计
本文受天津大学985工程二期项目“大型液压机模块化快速设计和面向制造的CAD/CAPP/CAM系统”课题支持
1 前言
液压机是产品成型压制的主要机械，其结构和规格变化多样，产品多为个性化设计。根据广义模块化原理，将液压机划分为不同的产品族，对产品进行设计参数划分，创建公称设计模型，当根据用户需求参数，对公称CAD模型定制后，转入ANSYS中进行分析，生成产品设计方案，可缩短产品设计周期和降低设计成本。
2 液压产品广义模块化快速设计原理
2.1广义模块化设计的基本原理
以广义模块为核心的设计方法叫做广义模块化设计。广义模块化设计是传统模块化设计的基础上发展而来的[1]。 广义模块分为柔性模块和虚拟模块，柔性模块是参数化的结构独立模块，可表达为[2]
其中，gq---模块的结构参数
Pr----载荷，应力，应变等的工程约束
hs----结构材料等的性能参数
Mi---是一个参数化模型，可根据用户需求参数来定制。
由于广义模块的结构定制要符合结构设计动、静特性要求。所以对模型的CAD设计和CAE分析一体化，便成为广义模块化设计的关键技术。
2.2基于广义模块化设计的快速设计原理
传统设计是先进行产品的结构设计，根据CAE分析结果，对结构进行修改。本文提出的广义模块化设计则是对产品进行参数化建模，并用ADPL语言构建的CAE模型，CAD和CAE模型间用数据传输接口连接。当根据用户需求定制模块的CAD模型，CAE模型可自动读入CAD设计参数，便可以快速进行有限元分析。这样就可大大提高产品CAD/CAE的设计分析速度。
3 液压机广义模块化建模
3.1液压机模块划分
液压机结构型式多样，常见的有组合框架式、整体框架式等。现以常见的组合框架式为例，不管设计参数如何变化，其结构拓扑型式可如图1所示。其结构可分上梁模块、下梁模块、立柱模块和工作台模块等。这些模块都可以建立参数化的柔性模块模型，它们的组合便构成了柔性产品模型。
3.2覆盖产品族框架式液压机公称模型的构建
为构建可覆盖产品族的广义产品模型，把液压机主设计参数工作台面和公称压力按模数进行分级。示例为公比为2的模数建立公称模型，如表1。
注：A：工作台有效面积，T：公称压力，k=L/W（长/宽），公称压力范围μT ，工作台有效面积范围νA
公称模型的原型可根据企业已有的产品模型进行典型化，提炼出一组参数化的设计参数，在给定的模型公称工作台面积及公称压力作用下，用ANSYS软件进行计算分析，并优化结构，做为一个标准参数化模型存放在模块库中，以便设计时调用。当设计时，根据用户产品需求，在模型库中寻找合适的模型，代入相应的用户设计参数，生成CAD模型后，再进入ANSYS中进行CAE分析，设计过程如图2。
3．液压机CAD/CAE模型一体化分析的关键技术
液压机由板材焊接而成，CAE模型由ANSYS提供参数化设计语言-ADPL创建，采用板单元(本系统为shell63)进行分析计算，这样可以减少节点数量和提高分析速度，同时提高了CAE模型的稳定性，避免三维模型自由度多，难于适应参数化分析的技术难题。
液压机CAD/CAE建模一体化的实现、需要CAD模型和CAE模型的驱动参数数量和参数定义对应一致；模型内各图元的拓扑结构关系对应一致；设计参数在驱动CAD模型的同时，同时能传递给CAE模型。CAE模型是通过文件变量定义部分的“PARRES”命令完成读取设计参数的[3]。设计参数在驱动CAD模型同时将设计参数写成文本文件，便于CAE模型文件的读取。模型文件变量定义格式如图3所示。
图3 CAE模型文件变量定义格式
参数数值对应分为两种情形：一种是驱动CAD模型中某位置的几何尺寸参数,直接驱动ANSYS几何模型对应位置的尺寸值；另一种是驱动CAD模型筋板厚度的参数，与设置该筋板厚度的单元常数相对应。
液压机的结构最大特点是，内部为横竖筋交错结构。为了方便模型的建模，命令流文件的书写，用“K”和“A”命令编写了创建横筋和竖筋的宏命令[4]。这些宏命令可避免建模时对坐标系的频繁操作，缩短了ADPL语言文件的长度，提高编写速度。下面为构建横筋板的宏命令，它只需要输入筋板高度，Y坐标，起点和终点的X坐标，就可创建横筋板。
Numcmp,all
K,,xStart,yPos,0
......
*Get,Kmx,KP,0,NUM,MAX
A,Kmx3,Kmx-2,Kmx-1,Kmx
框架式液压机的主机框架为一封闭受力系统，如图4。在ANSYS中进整机分析时，框架若自由状态直接进行静态求解时，将会出现不稳定的情形。由于液压机结构和载荷对称，引起的变形也对称的特点，施加约束如图5。图6为整机综合变形图，从整机变形可看出，机身转动变形和在XOY面内的滑动变形都没有被限制。上述施加约束方式即使整机变形和实际情况相一致，又可保证求解的稳定性。
图4 液压机受力图
图5 约束和加载
图6 整机框架变形
四．快速设计实例和结论
基于广义模块化的液压机产品快速设计系统，利用ANSYS提供的强大的分析功能，完成了对液压机设计方案的强度和刚度分析， 可以根据用户的需求快速生成设计方案。图7为一个台面4500×2500，压力2000吨组合框架式液压机的设计实例，表2为系统中上梁的部分初始设计参数和新方案的设计参数对比。有限元分析的结果为整机的最大变形0.84mm，小于最大允许变形1.1mm；最大应力254Mpa率大于许用应力235Mpa，但其为上梁的局部应力集中，由于未考虑焊接中焊缝的圆弧半径，局部应力集中不大于许用应力1/3，故认为满足强度要求。表2为上梁的公称模型和快速设计方案的部分参数。
图7 快速设计实例
通过上面的实例，可以看出该系统不仅快速，而且可以保证其设计满足强度和刚度要求的前提下，同时又不至于造成材料的浪费。该系统的CAD/CAE模型库可在使用中可以根据市场的变化情况进行模型的添加和更改；该系统也可为企业保存设计知识和技术。表2 某液压机的快速设计方案
 [参考文献]
[1]徐丽萍，面向产品族的液压机广义模块化设计研究，天津大学硕士论文，2004
[2]徐燕申，候亮，液压机广义模块设计原理与应用，机械设计，2001（7），1-4
[3]张学玲，徐燕申，模块化CAD模型与有限元模型的数据交换，西南交通大学学报，2003，38（5）：584-587
[4]谭建国，使用ANSYS6.0进行有限元分析，北京：北京大学出版社，2002，364-393(end)
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(2/12/2007) |
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