基于ANSYS的规则曲面装配体有限元参数化前处理

刘 健，谈莉斌，余晓流

(安徽工业大学机械工程学院，安徽马鞍山243032)

规则曲面装配体如回转支承、滚动轴承、行星齿轮等由于使用场合和工况的不同，致使其在结构尺寸上需要不同的规格。规则曲面装配体产品设计中，使用ANSYS软件进行有限元分析时，如果采用人机交互方式(GUI方式)需逐一对每种规格的产品进行建模与分析，从而出现大量重复操作；在三维CAD软件中建立参数化模型导入ANSYS的方法虽可提高建模效率，但导入的模型有时并不理想，存在模型信息丢失、各实体元素编号不能控制、很难保持参数化特征等缺点，给后续工作和有限元优化设计带来不便[1-2]；另外将装配体导入ANSYS时，易出现各零件间位置关系不符合要求，造成分属不同零件的点、线的合并而改变各零件装配关系[3]。有限元分析包括前处理、求解和后处理，其中前处理是有限元分析的基础，参数化有限元分析的实现有赖于参数化前处理的实现[4-5]。为避免上述问题，笔者利用ANSYS参数化设计语言(Ansys Parameter Design Language,APDL)实现规则曲面装配体有限元分析的参数化，重点研究参数化前处理。

1 参数化前处理基本思路

1.1 几何特征参数化

将模型的主要几何特征参数化是参数化建模的关键，建模之前需整理模型的几何尺寸链，为给每个参数尺寸指定参数名。某些装配体零件的数量、空间位置随规格不同而变化，规则曲面或体重复出现。在参数化建模前可将这些重复的特征参数化，对其中某个零件进行建模，其它零件在其它位置处按所需的方向复制生成。由于ANSYS没有直接建立曲线的功能，需要通过多点拟合形成曲线，拟合点的数量和精度直接影响到拟合曲线的精度。

1.2 建立图形用户界面

ANSYS提供了参数化设计语言APDL、程序界面设计语言UIDL(User Interface Design Language)等多种二次开发工具，利用这些工具可编制出参数化有限元程序，对程序进行封装，使用户在不必精通ANSYS软件的情况下也能方便使用[6]。

将APDL与UIDL相结合，可以定制参数赋值界面用于对特征参数进行赋值[7],避免用户直接修改有限元程序。ANSYS提供单参数输入、多参数输入以及带滚动条的多种对话框[8]。为实现分析流程的过程控制，更好地完成图形交互方式下的参数修改，可以利用缩写功能*ABBR在ANSYS工具栏上建立用户按钮对宏文件进行调用和控制。

1.3 几何模型和网格划分参数化

建立几何模型时利用所定义的参数名作为几何尺寸进行输入，尽量采用人工控制编号的方法创建几何对象，并配合组件进行操作处理。

参数化网格划分是参数化前处理的重要组成部分，网格的优劣直接影响有限元分析的精度和速度[9]。组成装配体的零部件一般不能满足规则六面体单元直接划分网格，并且分网时常需将重要位置进行细化，因此有必要将不同部位的单元尺寸参数化。生成规则有限元网格的方法有2种：1)对建立的几何模型进行切割、连接处理以满足映射、扫略网格划分条件；2)先建立零件特征面并进行相应的处理以实现面映射网格，然后将面沿特定的轨迹拖拉、旋转形成体同时生成规则的网格模型。由于方法2仅适用于规则体，故文中选用方法1建模。

2 参数化前处理实例

回转支承由内圈、外圈、滚动体和隔离块组成，是典型的规则曲面装配体。文中以单排四点接触球回转支承(010系列)(JB/T2300—1999)为例，阐述其参数化前处理过程。

建模前对模型作以下简化和假设[10]：1)不考虑隔离块、连接螺栓、密封圈、游隙、润滑以及滚齿的影响；2)忽略倒角、过渡圆弧对应力及变形的影响；3)假设变形属于弹性变形范围内。基于以上假设，结合回转支承结构及载荷对称性，分别建立1个钢球扇区模型和1/2模型来模拟轴向载荷和倾覆力矩单独作用的工况。

2.1 回转支承几何特征参数化

单排球回转支承的主要几何特征参数有滚动体直径、滚道中心直径、公称外径、公称内径、内外圈总高度、内圈外经、外圈内经、内外圈高度、滚道曲率半径、接触角、滚动体数目等，建模前首先将这些特征及各部分单元尺寸、材料属性、载荷等参数化。

2.2 定制用户化图形交互界面

利用MULTIPRO和*CSET命令创建多参数输入对话框以方便对回转支承的特征参数值修改。外形尺寸赋值的代码如下：

MULTIPRO,'start',3

*cset,1,3,D1,'公称外径(mm):',280

*cset,4,6,D2,'公称内径(mm):',120

*cset,7,9,H,'内外圈总高(mm):',60

*cset,61,62,'请输入外形尺寸','(注意：参数的单位)'

MULTIPRO,'end'

所得参数赋值对话框如图1所示。其它相关尺寸以及网格单元、材料属性可通过同样的方法进行参数化。

利用*ABBR在工具栏上建立用户按钮对分析程序进行调用，利用文本编辑器打开安装路径启动文件start120.ans文件，在最后追加：

/PSEARCH,e:Ansys！宏文件存放路径

*ABBR,Slewing Bearing_ Fa,Slewing Bearing_Fa

*ABBR,Slewing Bearing_M,Slewing Bearing_M

交互式启动软件进入ANSYS界面，工具条Toolbar增添2个按钮，Slewing Bearing_Fa,Slewing Bearing_M，如图2。单击该按钮后弹出图1所示的参数输入界面，输入所需参数或采用缺省值，即可自动完成建模过程。

2.3 回转支承几何模型

采用点—线—面—体的建模思路建立回转支承的内、外圈，通过SPHERE命令直接创建钢球。回转支承几何模型如图3。为了准确地模拟钢球和内、外圈接触行为，需要设置足够小的接触区域单元尺寸。在建模时，通过建立曲面切分内、外圈后利用面连接命令将某些面连接成一个面，利用工作平面切分钢球，以利于划分规则网格和局部细化。

图1 多参数赋值对话框Fig.1 Input dialog of multi-parameter

图2 系统的工具栏按钮Fig.2 Toolbar buttons of system

图3 回转支承几何模型Fig.3 Geometry model of slewing bearing

2.4 回转支承网格划分

选用六面体Solid45单元和体扫略的方式划分网格，有限元模型如图4。网格大小根据距离接触区域远近而变化，先对接触区域划分较小的网格单元，再对其它区域划分较大的网格单元，既保证了各部分网格之间的过度连接，又在满足计算精度条件下减小了单元数量。

图4 回转支承有限元模型Fig.4 Finite element model of slewing bearing

2.5 定义接触对

根据目标面和接触面的选用原则将内、外圈滚道面设为目标面，钢球面设为接触面，在每个钢球与内、外滚道之间分别创建面-面接触对，因此单个球模型中需创建2个接触对；在1/2模型中，需创建24个接触对。定义的接触对如图5。

图5 接触对定义Fig.5 Definition of contact pairs

2.6 回转支承约束及载荷

回转支承的安装方式分为座式安装和悬挂式安装，对应这2种安装方法在施加约束时可以约束内圈表面也可以约束外圈表面，文中采用第一种方法在内圈表面施加全约束，内、外滚圈的断面上施加对称约束。

轴向载荷以面载荷的形式均布施加在外圈上表面，如图6(a)；为模拟倾覆力矩的作用，在外圈上表面几何中心建一刚性节点并与上表面的所有节点形成刚性区域，倾覆力矩以集中载荷形式施加在刚性节点上，如图6(b)，部分代码如下：

CERIG,NODE(0,0,H),ALL,UX,UY,UZ,,, !CERIG命令定义局部刚性区域

F,NODE(0,0,H),MY,2.5e7 !倾覆力矩以集中载荷形式施加到刚性节点上

图6 载荷及约束施加方法Fig.6 Load and constraints adding method

2.7 其它规格回转支承参数化建模

将前处理程序以宏文件形式保存，通过调用宏文件即可对010系列中所有规格回转支承进行参数化建模。启动ANSYS软件后，单击工具条上定制的按钮并输入所需参数即可自动完成建模过，程得到新的分析模型。图7所示的是010系列回转支承中3种不同规格的单个球模型，图8所示的是010系列回转支承中3种不同规格的1/2模型。

图7 不同参数的单个球有限元模型Fig.7 Asingle ball finite element model for different parameter

图8 不同参数的1/2模型Fig.8 Half of the finite element model for different parameter

3 结 论

1)利用ANSYS参数化设计语言APDL可以实现规则曲面装配体模型的参数化前处理，借助界面设计语言UIDL可以定制用户化图形交互界面，实现专用分析程序的过程控制，为不熟悉ANSYS软件的设计人员提供便利。

2)通过单排球回转支承的有限元设计，验证了本文方案的有效性，为实现全过程参数化有限元分析的奠定了基础，为此类规则曲面装配体的分析提供了借鉴。

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