基于ANSYS Workbench的柔性底座有限元仿真模块开发

韩志仁，赵韩卿，贾 震

(沈阳航空航天大学 a.航空宇航学院，b.航空制造工艺数字化国防重点学科实验室，沈阳 110136)

武器装备的快速设计与制造一直是国家的重要发展规划和重点内容。随着军工产品竞争的日益激烈,武器系统的技术含量和复杂程度在不断增加,而产品的寿命周期日益缩短[1]，这就要求产品的生产制造周期要缩短。三维建模及有限元仿真软件的发展很大程度上解决了这个问题。随着数字化设计技术的不断发展，全面实施和应用数字化设计与制造技术已成为提升武器装备设计与制造水平，提高产品质量，改变传统研制方法的有效途径。因此，有限元仿真技术在国内外得到了广泛的应用。目前全球有限元软件市场基本被国外垄断，国外起步较早，技术相对成熟，并且创立了前处理、仿真求解、后处理这样一套仿真流程，为有限元技术的发展奠定了基础。随着有限元仿真需求的不断增加，国外开始了更进一步的研究，为了提高效率，统一框架、统一模型、统一仿真、系统优化等一系列提高兼容性的措施被提了出来。这些先进的理念也为国产有限元软件的发展提供了参考。目前，发展自主研发有限元软件已经成为国家战略，有了各种政策的支持，我国的有限元技术很有可能实现弯道超车从而实现技术领先。与此同时，基于有限元软件的某一类特定模型的快速建模与仿真的二次开发得到了广泛的应用与发展[2]。

ANSYS Workbench是ANSYS新一代客户化及行业化定制平台,提供开放性和先进性的集成构架,具有完善的开发工具包、应用程序集以及相应的运行环境,是能够满足用户在该开放环境下快速实现的工具[3]。本文主要介绍了基于ANSYS Workbench有限元软件创建柔性底座面体模型，按照合理的结构进行底座复合材料铺层，形成底座实体模型，同时运用公式对复合材料性质进行拟合，最后进行有限元仿真的整体过程。然后对ANSYS Workbench进行二次开发，使整个过程更加规范，保证底座有限元建模的合理性，提高底座建模效率，降低对使用者的要求，同时确保分析结果合理可靠。

1 底座有限元建模

1.1 底座几何模型的创建

复合材料的内部结构有很多，其中加强单元配合基体的形式使用较为广泛，通常使用碳纤维或者玻璃纤维作为加强单元来提高材料的性能。通过改变加强单元的材料特性或比例都可以改变整个铺层的强度，在铺层材料确定之后，对模型结构进行设计，从而得到合理的铺层方式。对于一些复杂的结构需要分不同位置逐一铺层，由于底座曲面较多，所以采用侧面和底面分开铺层的形式。为了保证复合材料铺层强度，底座的侧面与底面连接处要以搭接的形式设计[4]，如图1所示，因此在创建几何面体模型时就要创建搭接面。

图1 搭接示意图

ANSYS Workbench中的底座分析要用到复合材料模块，该模块只能对面体进行铺层，因此在创建三维有限元模型时就要以面体的形式创建，其中每一个铺层都要创建单独的面体，建模过程比较复杂。创建完成之后对面体进行铺层设置，生成底座实体模型，如图2所示。

图2 底座实体模型

1.2 材料的特性

根据不同的需求，复合材料在强度上也有很大的不同，根据实际生产的需要选择不同强度的复合材料层合板[5]。复合材料整体的特性可以通过帘线和环氧树脂作为基体进行拟合的形式来实现[6]。在ABAQUS软件中手动创建好模型之后可以定义基体材料，然后直接定义基体材料中帘线的材料特性和比例，在仿真计算时软件会自动拟合出层合板的材料特性。ANSYS Workbench则不具备该功能，需要使用者来计算拟合材料的各项参数，过程较为复杂且难度较高。拟合过程中的材料为正交各向异性材料[7]，要通过两种材料的杨氏模量、泊松比、剪切模量来进行拟合，其中帘线为各向异性，通过改变帘线在基体中所占的体积分数来改变材料的力学性能[8-9]，本构模型具体拟合公式[10]如下：

材料纵向弹性模量

(1)

材料纤维横向弹性模量

(2)

其中，Ef1为帘线纵向弹性模量，Ef 2为帘线横向弹性模量，Em为基体的弹性模量，为vf为帘线体积分数。

材料纵向泊松比

(3)

材料横向泊松比

(4)

其中，ε1为材料纵向应变，ε2为材料横向应变。

材料剪切模量

(5)

其中，Gf,Gm分别为帘线和基体的剪切模量。

1.3 模型的接触和约束

模型的约束条件较少，只需在上边沿法兰位置添加固定约束限制其6个自由度，模型的主要受力是底座内壁面施加一定的压强进行计算分析。

1.4 网格的划分

模型曲面较多，为了更好地反映模型的形状，采用六面体网格且网格尺寸不宜过大，在模型底面与侧面搭接处采用网格映射使网格尽量平整，在圆角过度区域的网格要适当细化来保证求解的顺利，上边沿法兰位置较为平整，网格尺寸可以大一些，这样可以缩短计算时间。

2 Workbench二次开发

使用ANSYS Workbench软件进行有限元仿真过程包括几何模型创建(DM模块)和仿真分析(DS模块)两个模块，因此二次开发也是围绕这两部分展开的。在几何模型创建的二次开发通过对软件原有的多个命令的集成拓展实现底座模型的快速创建，解决了手动创建模型繁琐且困难的问题。对于仿真分析模块，针对底座分析所需的边界条件进行优化开发，实现边界条件的快速添加。整个二次开发过程相当于把软件原有功能进行一个拓展，通过这种定制化的开发可以使用户只需要输入外形尺寸即可生成模型，从而很大程度地提高工作效率，对于一些非专业的用户也可以很快地使用[11]。该开发通过嵌入式工具的形式来完成。该工具开发以JavaScript和HTML语言为基础，HTML是对页面的编译，页面的显示与输入都通过HTML语言来实现，JavaScript语言则是对HTML中函数功能的具体执行[12]，框架的设计如图3所示。

图3 框架设计

2.1 建模模块开发介绍

首先对Workbench的DM模块进行建模的开发，该工具使用JavaScript语言来编写脚本，整个DM界面是为复合材料铺层提供基准面的，所以模型是通过创建面体的形式进行建模。铺层基准面的创建分为两步，首先创建出底座的轮廓为基准面提供轮廓线，然后程序通过读取输入的模型尺寸以底座轮廓为基准线来创建不同宽度的底面和侧面，这样一个由线到面的过程就创建出铺层所需要的底面和侧面。

ANSYS Workbench中ACP模块要在DM模块创建的面体基础上进行铺层设置，铺层过程比较繁琐，需要花费大量时间并且极容易出错，检查也很困难。ANSYS Workbench具备录制和运行宏的功能，如果通过运行宏的形式来设置铺层可以极大缩短铺层时间。所以二次开发过程也是从编写宏文件展开突破的，以软件生成的宏文件为模板，通过代码来改变文件中的铺层方向、铺层厚度等变量。在开发过程中首先在模板中提取出需要改变的变量并以ID的形式代替,然后通过ID将不同变量数据填写到指定位置从而完成宏文件的编写。这种通过程序编写Python文件的形式，只要界面选择是正确的，在进行铺层时是不会出错的，并且需要输入的参数简洁明了不易出错，进入ACP模块运行保存的Python文件即可快速生成底座的实体模型并应用于后续的仿真分析。

2.2 仿真模块开发介绍

使用1.4节介绍的网格划分方法之后进行模型边界条件的添加，同样使用HTML语言开发页面，然后调用JavaScript中具体的函数定义，在JavaScript脚本中执行Workbench内置的功能函数添加边界条件并自动定义其参数[13]。定义内置函数的参数方式与建模的原理类似，把不同ID拾取到的数值赋予内置函数对应的变量位置，然后逐个运行即可完成边界条件添加。

3 分析实例

ABAQUS在复合材料仿真中应用比较广泛，可以输入材料参数自动进行拟合计算，还可以很好地分析铺层角度、铺层顺序等问题[14]，操作方便且仿真结果具有参考性。通过在ABAQUS上仿真结果与使用此工具创建相同尺寸的模型仿真结果进行对比，来验证工具的有效性。

首先，使用文献[10]中的公式对中间层材料进行拟合，使用碳纤维作为帘线与基体的各项参数[15]进行计算求出等效后材料的各个参数如表1所示。

表1 拟合后材料各项参数

点击嵌入在菜单栏中的“底座模型有限元仿真”菜单即可弹出底座建模模板如图4所示，根据需要输入最基本的底座外形尺寸，如图5所示,快速创建出铺层需要的底座面体模型，如图6所示，在如图7所示的页面中选择拟合好的材料和基体设置铺层的各个参数生成宏文件，在ACP模块运行即可生成复合材料铺层的实体模型，如图8所示。

图4 工具建模菜单栏显示

图5 工具建模菜单页面

图6 底座面体模型

图7 工具铺层页面

图8 底座实体模型

添加上法兰的全约束和内壁面的压力两个边界条件，模拟底座受到冲击时内壁面压力来查看底座强度是否能够达到要求。点击嵌入在菜单栏中的“底座有限元仿真”菜单即可弹出如图9所示的“底座有限元仿真模板”，在弹出的工具仿真菜单页面中输入对应参数，如图10所示，底座下表面固定约束，对内壁面施加0.88 MPa的压强，经过计算求解的变形云图如图11所示，最大变形0.016 7 m发生在底座中心位置。ABAQUS中的仿真结果如图12所示，最大变形为0.016 69 m。通过对比两个软件计算结果在误差允许范围内，并且二者变形分布基本一致，可以很好地说明本工具采用的材料拟合公式应用合理，从而说明开发工具创建的仿真模型合理，可以进行快速仿真并代替ABAQUS传统手动仿真，很大程度上提高了效率。

图9 工具仿真菜单栏显示

图10 工具仿真菜单页面

图11 ANSYS Workbench仿真结果

图12 ABAQUS仿真结果

4 结论

通过研究ANSYS Workbench软件复合材料模块的使用，按照整体流程开发了快速仿真模块，能够实现底座模型的快速建模与求解。用户只需要根据不同规格的底座输入基本的外形尺寸即可快速完成建模仿真，极大提高工作效率，同时为初学者也提供了方便，使其可以快速学习并上手使用，工具具有较强的实用性。通过两种软件仿真结果的对比，可以看出工具采用的拟合算法和建模形式的正确性，使用工具进行仿真所得结果具有一定的参考性。