基于ANSYS的进给系统热特性分析工具的研究与开发

纪艳丽，汪惠芬，刘婷婷，钟维宇

(南京理工大学机械工程学院，江苏南京210094)

0 引言

在制造业快速发展的形势下，机床的加工精度、主轴转速和伺服进给速度不断提高，由此造成的热变形问题也日益突出。数控机床在进行精加工时的切削力一般不大，与机械系统静、动态特性对加工精度的影响相比，机床热误差已经成为影响加工精度的主要因素。所以，现在人们日趋认同这样一个看法:加工精密往往取决于结构热变形的大小，而且高于动刚度的大小［1］。根据英国伯明翰大学JPECLENIK教授调查统计表明:在精密加工中，热变形引起的制造误差占总制造误差的40% ～70%，热误差已经成为提高加工精度的主要障碍［2］。德国机床专家认为“降低机床热变形是今后研究工作的主题”［3］。

由于计算机辅助工程(CAE)的迅速发展，已开发了用于计算各种复杂模型的通用分析软件(例如ANSYS，sap，nastran等)，利用有限元法求解分析温度场和热变形成为主流方法。孟玲霞等［4］应用ANSYS对车削中心热边界条件进行了详细的分析计算，并且建立了机床温度场分析的有限元模型。通过对模型进行有限元计算分析，模拟数控机床高速加工运行状况，进行了整机温度场求解，初步预测了车削中心整机的温度场分布，为机床的有限元热分析提供了参考，为进一步研究机床温升控制措施提供了依据。周芝庭等［5］应用ANSYS对以滚珠丝杠、电主轴以及工件的切削热为整机热源的卧式加工中心进行了温度场分析和热变形分析，为热变形补偿提供了参考。Jin Kyung Choi等人［6］采用有限元模型计算主轴-轴承系统的温度场分布，通过与实验数据对比，表明采用有限元法进行主轴系统热分析是完全可行的。

如何在机床的设计阶段利用这些软件对所设计的产品进行热特性的分析和预测，是机床行业亟待解决的一个问题。从大多数文献中可以看出ANSYS在温度场分析和热变形分析中占有很重要的位置，而且分析结果是相对可信的。但是ANSYS分析过程比较复杂，对于不了解ANSYS功能的人需要一定时间的学习，而且它的菜单都是英文的，这更加大了使用的难度。此外，在机床主要零部件的详细设计过程中，国内企业往往采用经验类比方法，缺少对结构部件及整机的热特性分析数据，没有全面考虑热特性对机床产品性能所产生的影响，也无法预测机床零部件变形与整机结构热特性之间的关系，在设计过程中存在漏洞。为解决行业设计依据不足，加强企业设计分析管理的能力，开发一个能专门分析温度场、热变形以及对分析结果进行管理的软件是很必要的。本文基于ANSYS分析的强大功能，对其进行二次开发，实质是把ANSYS进行温度场和热变形分析的流程固定化，通过流程来导航温度场和热变形的分析。这样用起来简单、方便、高效，简化了ANSYS分析过程，提高了企业设计分析管理水平。

1 进给系统热特性分析工具系统总体设计

1.1 热特性分析的固化流程

根据有限元软件对实体模型进行温度场分析和热-结构耦合分析过程的总结归纳，得出有限元进行温度场和热-结构耦合分析的流程如图1所示。即所开发的进给系统软件的工作流程，实际上是固化ANSYS热分析的流程，这样不仅能把与热分析不相关的功能过滤掉，同时简化的流程能提高分析设计人员的工作效率，大大节约分析时间，从而间接地提高设计效率。

图1 进给系统热特性分析工具的工作流程

1.2 热特性分析的软件系统结构层次

根据上述进给系统热特性分析的工作流程，并结合现有热分析软件的特点，本着模块化的设计原则，把系统结构层次分为应用层、功能层、支撑软件层和数据层，如图2所示，这样的层次结构增强了系统的可维护性和可扩展性。

应用层即用户操作界面层，用户登陆后既可以进行相应功能的操作，对实体进行温度场分析和热—结构耦合分析，或者对分析过的结果进行查询、保存和生成分析报告说明书等操作。

功能层是系统的核心逻辑层，它一方面从数据库获取数据与ANSYS进行交互；另一方面对分析者所做的结果进行分类保存，以方便查询，减少重复分析，节约分析时间。

支撑软件层是支持平台开发的现有CAD/CAE软件，该系统中包括了建模软件以及进行温度场分析和热-结构耦合分析的支撑软件。

数据层主要管理材料的参数，用户输入的参数和计算出的结果图片以及图片路径等相关信息。

之所以选择ANSYS作为热特性分析的支撑软件，集成到热特性分析软件中，是因为一方面充分考虑到ANSYS软件出色的多物理场耦合分析能力，另一方面ANSYS也有着良好的用户开发环境、开放性，用户可以利用APDL，UIDL，UPFs这些二次开发工具方便的定制自己的有限元分析程序。

图2 热特性分析工具系统的结构层次

2 热特性分析工具的关键技术——基于APDL语言的ANSYS二次开发

ANSYS作为主流的大型通用有限元分析软件不仅提供了强大的有限元分析程序，而且具有良好的开放性。为满足用户不同层次的需要，ANSYS提供了四种开发工具，分别是UIDL，UPFs，APDL和数据接口［7］，其中APDL参数化设计语言(ANSYS Parametric Design Language)作为自动完成有限元常规分析操作或通过参数化变量的方式建立分析模型的脚本语言，即程序的输入可设定为指定的函数、变量以及选用的分析类型，通过建立智能化分析的手段，为用户自动实现有限元过程分析提供了保障，是完成优化设计和自适应网格的最主要的基础［8］。程晓敏等［9］利用VB语言对ANSYS进行二次开发，开发了高温相变储热系统模拟功能模块。韩冲等［10］利用APDL语言和VC++相结合对ANSYS进行二次开发，实现了卫星结构优化的计算程序化。但上述二次开发的实现过程都是把ANSYS作为后台处理程序，然后调用处理后的结果，界面可视化不强。李新平等［11］在VB的开发环境中把ANSYS的图形界面嵌入到所开发的机床动态特性分析软件中，使软件界面具有很强的友好性，让用户应用自如。本文应用C#的开发环境，采用APDL语言对ANSYS进行二次开发，热特性分析软件与ANSYS之间的交互过程如图3所示。

图3 热特性分析软件与ANSYS之间的交互过程

实现交互过程最重要的是把用户输入的相关数值转换为APDL命令流中相应参数，通过编写的解析代码程序传给ANSYS软件，相应模块将完成命令流要求的功能，把施加的载荷、网格划分和计算结果等显示在界面上。以上交互过程最关键是对命令流的解析，只有完整、精确、无误的解析命令流，才能让ANSYS做出相应的反应，实现相应的功能。解析命令流的关键代码如下:

publicvoid SendStr(string strAPDL，IntPtr hWnd)

{

int strCount=strAPDL.Length；

string［］strObject=newString［strCount］；

for(int i=0；i＜ =strCount-1；i++)

{

strObject［i］=strAPDL.Substring(i，1) ；

……

SendMessage(hWnd，WM_CHAR，Convert.ToInt16(strChar［0］)，0x1C0001)；

}

SendMessage(hWnd，WM_KEYDOWN，VK_RETURN，0x1C0001)；

}

其中，Sendtr函数是用于解析ANSYS命令流，向ANSYS发送命令的接口方法定义。SendMessage是C#的API函数，用于向ANSYS传送命令消息。

3 系统实现与应用

本文以某机床厂的双驱动进给系统为例，在转速为1 500r/min的情况下，设置了如表1所示的相关参数，进行了稳态温度场的分析。

表1 双驱动进给系统在转速为1 500 r/min的相关参数

将边界条件和热生成率(或热流密度)施加到相应的面或体上，按照左侧的导航流程逐步进行，完成了此进给系统稳态温度场分析。其中涉及到的网格划分结果、轴承产热量、丝杠产热量以及稳态温度场分析结果如图4，图5(a)(b)，图6所示。

图4 网格划分图

图5 热量计算

图6 稳态温度场分析结果

相应的还可以对进给系统进行瞬态温度场和热-结构耦合分析。

4 结语

本文在C#的开发环境下，用APDL对ANSYS进行二次开发，登陆到软件界面，通过批处理文件启动ANSYS，使ANSYS的图形界面自动嵌入到所开发的软件中，同时以固化热分析流程作为软件开发的导航，实现了进给系统温度场分析和热—结构耦合分析。这样不仅使用户更直观的对模型进行操作，而且简化了操作步骤，即使对ANSYS不熟悉的设计人员，也能操作此软件，增加了可操作性。

［1］王春秀.机床热变形及改善措施［J］.宁夏工学院学报，1997，9(2):58.

［2］翟少剑.机床整机温度场建模及其动态特性分析［D］.北京:北京工业大学硕士学位论文，2011.

［3］闫占辉，于俊一.机床热变形研究现状［J］.吉林工业大学自然科学学报，2001(7):95-97.

［4］孟玲霞，杨庆东，韩秋实，等.超精密车削中心热分析边界条件的确定［J］.机床与液压，2012，40(1):10-12.

［5］周芝庭，冯建芬.基于ANSYS的加工中心机床热特性有限元分析［J］.机床制造与研究，2008，37(6):22-24.

［6］Jin Kyung Choi，Dai Gile Lee.Thermal characteristics of the spindle bearing system with a gear located on the bearing span［J］.International Journal of Machine Tool＆ Manufacture，1998(38):1017-1030.

［7］张建业，杨甫勤，钱继锋.基于APDL和UIDL的ANSYS二次开发技术及其应用［J］.中国制造业信息化，2006，23(35):79-81.

［8］张明华，刘强，袁松梅.基于ANSYS二次开发的机床主轴单元分析系统［J］.机床与液压，2008，36(2):11-16.

［9］程晓敏，蒋立清.面向相变材料温度场模拟的ANSYS二次开发［J］.武汉理工大学学报，2012，34(5):535-538.

［10］韩冲，陈庆.ANSYS二次开发技术在卫星结构优化中的应用［J］.EquipmentManufacturing Technology，2009，(2):80-83.

［11］李新平，汪惠芬，刘婷婷.ANSYS二次开发技术在机床动态特性分析中的应用［J］.现代制造与先进制造技术，2011，40(9):29-32.