矿井提升机主轴CAD/CAE集成系统研究

李春通，任 芳，杨兆建，丁 华

（太原理工大学 机械工程学院，太原 030024）

矿井提升机主轴CAD/CAE集成系统研究

李春通，任 芳，杨兆建，丁 华

（太原理工大学 机械工程学院，太原 030024）

0 引言

鉴于NX和ANSYS各自的功能优势，目前广泛采用的是首先在NX中完成建模，然后将建立的模型导入ANSYS中，最后在ANSYS中完成有限元分析计算，但是目前它们的应用还存在两个问题：一是NX与ANSYS相互独立，在不能保证数据传递的完整性，容易造成数据丢失；二是NX和ANSYS操作过程都很复杂，尤其是ANSYS，需要比较专业的工程人员才能准确的完成复杂的分析计算，这样对系列产品的设计分析效率比较低，管理也不方便。因此，如何将NX和ANSYS软件进行无缝集成并应用于设计中，成为了数字化设计领域的一个重要问题。

目前该方面的研究主要集中在如何减少NX和ANSYS软件之间在模型数据上的差异，实现它们之间无数据损失的转换和传递,但如何将CAE的分析结果在NX中直观的显示，并反馈到零部件的设计中，还鲜有系统的研究，部分研究仅限于CAD软件集成CAE分析数据库，从数据库中调取分析图片为设计人员提供CAE分析服务，功能比较单一，实用性不强。

为此，本文综合运用CAD参数化技术、CAE参数化有限元分析技术、动态库技术及CAD/CAE集成技术，借助VS2010环境中的VC++模块，基于NX软件平台，通过对NX和ANSYS的二次开发实现二者数据共享，研究并开发了CAD/CAE集成开发系统，开发了摩擦式矿井提升机主轴CAD/CAE集成系统，可以快速有效的对主轴进行设计和计算，提高了产品的设计效率。

1 CAD/CAE集成系统平台的构建

1.1 系统总体结构

本系统是在NX环境下开发设计的，主要包括三个子系统，如图1所示，共有四个模块:

1）三维参数化模型构建模块，即CAD参数化子系统，该模块是通过运用NX/Open API进行参数化设计，结合MenuScript（菜单脚本语言）和VC++语言，开发了参数化建模程序，并以动态链接库的形式进行封装。

2）CAE分析模块，即CAE分析子系统，对ANSYS软件进行二次开发，CAE分析功能采用NX/Open API封装到动态链接库中。

3）CAD/CAE集成模块,以NX为平台，使用VC++语言，实现了CAD/CAE的结合。

4）辅助模块，即辅助子系统。该模块是为了方便设计人员更好的使用本系统而开发的，包括一些辅助工具，如画图板工具等。系统安装方法以及安装过程中应注意的问题也包含在这个模块中。

图1 CAD/CAE集成系统

1.2 系统开发流程

本文利用MenuScript（菜单脚本语言）创建用户化的菜单，使用UIStyler创建人机交互对话框，利用VC++和NX/Open API对NX进行二次开发，开发了CAD参数化子系统，该方法是一种基于图形模板的设计方法。 ANSYS软件提供了一种参数化设计语言APDL(Ansys Parametric Design Language),可直接利用该语言编写参数化的用户程序，APDL文件包括模型的参数，模型生成过程，网格划分，加载，求解及后处理等内容。本文通过后台创建一个进程，后台启动ANSYS，自动读入APDL文件，完成分析和计算，最后，利用VC++将各模块集成在NX中。

2 系统实现

2.1 基于NX的三维参数化模型的构建

基于图形模板的参数化设计方法的思想是先建立一个模型文件，通过修改模型的特征来驱动模型发生相应的变化，从而达到参数化的目的。开发过程中要注意开发环境的设置，首先在自定义目录下创建prt、application、startup三个文件夹，然后新建用户环境变量，变量名为：NXII_USER_DIR，变量值为定义目录，图2为CAD参数化子系统开发流程图。

2.2 基于ANSYS的参数化有限元模型的构建

本文结合实例借助VS2010开发环境下的VC++开发友好的人机交互界面，编译出强大的动态链接库程序，实现在NX中对ANSYS的随意调用和完美连接。利用APDL语言实现对ANSYS的二次开发，首先使用APDL功能完成零部件的参数化建模、网格划分、加载和计算，然后建立参数化对话框，通过在对话框中输入的数值来修改APDL文件中参数值，最后创建一个进程，后台调用ANSYS软件，将修改后的APDL程序读入到ANSYS中进行计算，计算结束后，由后处理器对计算结果进行处理，并将结果数据以及图片输出到一个指定的文件夹中。

图2 CAD参数化子系统开发流程图

2.3 基于VC++的CAD/CAE集成程序的实现

采用面向对象技术对参数化CAD建模、参数化CAE有限元分析、以及NX与ANSYS的接口程序进行统一编译，实现CAD/CAE的集成。因此，用户就可以在NX NX界面环境下，实现零部件的参数化设计与有限元分析。

2.4 数据管理

ANSYS完成计算以后会产生分析结果的图片、输出文档、*.db数据文件等。图片的显示根据系统定制的不同可以为等效应力云图、等效位移云图、模态图等，可以在对话框中查看，系统也会自动打开Windows操作系统自带的画图工具mspaint；输出文档中包含命令流、错误信息、计算求解结果等信息，可以在对话框中显示，便于查看整个的分析过程；同时可以通过对话框打开生成的*.db数据文件，在ANSYS软件中更详细的查看计算的结果，而不仅限于图片显示的内容。

3 系统演示

3.1 CAD参数化设计

启动NX，打开提升机主轴的CAD参数化模块，弹出如图3所示的对话框，输入设计参数并点击确定，会自动生成相应参数的三维模型。

图3 主轴参数化输入界面

图4 主轴CAE参数化界面

3.2 参数化有限元分析

打开提升机主轴的CAE分析模块，弹出如图4所示的对话框，在该对话框中完成各种参数以及自定义工作名的输入后，点击“开始计算”，系统便会调用ANSYS开始计算，待计算完成后，点击“查看输出文档”，便会弹出显示输出文档的对话框，从中可以查看命令流等信息,点击“查看分析结果”，可以查看系统生成的图片，点击“打开ANSYS软件”，可以在ANSYS中查看主轴的详细计算结果。图5为提升机主轴模型图，图6为等效应力云图。

图5 主轴模型图

图6 应力云图

4 结束语

本系统的优点不仅在于能够实现NX对ANSYS的调用和它们之间的数据传递，还在于可以打开ANSYS软件，在ANSYS中查看分析结果，而不局限于输出的文档和图片。

本文针对摩擦式矿井提升机主轴，详细阐述了基于NX和ANSYS的CAD/CAE集成系统的总体结构和关键技术的实现方法，实现了NX与ANSYS的集成，避免了NX与ANSYS之间进行数据传输时的数据丢失。借助VS2010环境的VC++开发了友好的人机交互界面，即使是不会使用ANSYS的工程人员，也可在系统的引导下快速的完成分析和计算，大大降低了设计人员的工作量，提高了设计效率。

[1]周于海.基于APDL的甲板吊臂架结构参数化建模及动态响应研究[D].武汉:武汉理工大学,2006.

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Research on CAD/CAE integration system of mine hoist shaft

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

本文将常用的CAD、CAE软件NX和ANSYS结合起来，基于CAD参数化建模和参数化有限元分析思想，以NX为平台，利用NX和ANSYS的二次开发技术，结合VS2010中的VC++模块和动态库技术，定制开发了基于NX和ANSYS的CAD/CAE集成系统，实现CAD参数化建模和参数化有限元分析的集成。开发了摩擦式矿井提升机主轴CAD/CAE集成系统，实现了CAD/CAE的结合，减少了设计人员的工作量，取得了良好的预期效果。

NX；ANSYS；VC++；二次开发；集成开发；参数化

李春通（1988 -），男，山东菏泽人，硕士研究生，主要从事机械设计与理论研究。

TH122

A

1009-0134(2014)05(下)-0131-02

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

2014-02-14