基于冲击载荷作用下管道的CAD/CAE一体化设计*

刘 川，谭兴强

(1．西华大学机械工程与自动化学院，四川成都 610039;2．攀枝花学院机械工程系，四川攀枝花 617000)

0 引言

在我国三维CAD软件已得到广泛应用，其中PTC公司的Pro/ENGINEER，作为一种全参数化的设计系统，实现了尺寸驱动的参数化设计。许多企业因其参数化驱动、功能齐全的模块等强大功能，都使用了Pro/E软件。企业生产的复杂零件的建模对Pro/E的技能水平要求较高，工程师往往从事很多繁杂的重复工作，不能充分利用其优势进行产品设计，导致人力、物力的利用率不高。以Pro/E为平台进行二次开发，更大限度地发挥Pro/E的作用，运用Visual C++可以用于Pro/TOOLKIT的自定义功能模块插入到Pro/E的主菜单中方便用户使用，这种开发方式下创建的应用模块虽然灵活性受软件控制，但是投入少、周期短、应用性强，具有广阔的市场。

在有限元方面，ANSYS以其强大的功能，已广泛应用于工业生产及可行性研究。在我国拥有众多用户，在很多工程结构设计时多采用了ANSYS作为分析工具。其具有完备的网格处理能力，能使用强大的耦合场和高精度非线性问题进行求解，后处理能力强，开放性好，可实现CAD软件的无缝集成等优势。

随着计算机图形处理技术和机械设计的不断发展，利用先进的 CAD/CAE工具，即 Pro/ENGINEER和ANSYS这些工具在各自领域的优势，将其结合起来进行CAD/CAE一体化设计，己经成为一种可行方案，具有较好的工程实用价值。

1 Pro/E二次开发

在Pro/E二次开发过程中，先创建零件的三维实体模型，模型的尺寸按设计参数进行输入，通过程序自动进行计算，把计算结果在程序里自动赋值给模型，生成新的模型;然后利用Visual C++创建用户界面，要求输人模型基本参数，并通过Pro/TOOLKIT的底层函数将其传到Pro/E模型中;编写用户菜单和UI对话框，通过Pro/TOOLKIT开发工具创建Visual C++与Pro/E的接口程序;最终实现输入基本参数后三维模型的智能化创建与显示［1］。

1．1 菜单设计

菜单是程序与Pro/E进行交互的通道，菜单条菜单是Pro/E的用户界面。菜单条中每种功能各成一行，用户选中某种功能，就会弹出其菜单条菜单(子菜单)，菜单条菜单中有一系列选项，来激活各种功能［2］。以冲击载荷作用下管道为例，编写管道设计系统的菜单主程序:

extern"C"int user_initialize()

{ProError status;

ProFileName MsgFile;

uiCmdCmdId PushButton_cmd_id1;

ProStringToWstring(MsgFile，"．txt");

//设置菜单信息文件名

status=ProMenubarMenuAdd("X"，"X"，"Utilities"，PRO_B_TRUE，MsgFile);

//菜单按钮设置

ProCmdActionAdd("PushButtonAct"，(uiCmdCmdActFn)XMenuActFn，uiCmdPrioDefault，AccessAvailable，

PRO_B_TRUE，PRO_B_TRUE，＆PushButton_cmd_id1);

//添加菜单按钮

ProMenubarmenuPushbuttonAdd("X"，"X_1"，"X_1"，"ok_1"，NULL，PRO_B_TRUE，PushButton_cmd_id1，MsgFile);

//设置菜单按钮的动作函数

return status;

}

以冲击载荷作用下管道为例，设计的管道设计系统菜单，如图1所示。

图1 管道设计系统菜单

1．2 UI对话框

用户界面对话框(User Interface Dialog Boxes，简称UI对话框)是Pro/TOOLKIT提供的一种系统与用户交互的工具。UI对话框的设计过程主要是:编写资源文件［3］。以冲击载荷作用下管道为例，设计的管道设计系统UI对话框资源文件主程序:

(Dialog X

(Components!对话框元件声明

(PushButton Update)

(PushButton Cancel)

(PushButton Open)

(Separator Separator)

(Label Image)

(SubLayout Layout)

)

(Resources!对话框资源(属性定义)

!Cancel按钮属性定义．．．．．．

(．Label"X")!对话框标题

(．StartLocation)

(．Layout!对话框元件的布局)

)

(．Label"管道专家设计系统")!对话框标题

(．StartLocation 3)

(．Layout!对话框元件的布局

(Grid(Rows 1 1 1)(Cols 1)

(Grid(Rows 1)(Cols 1 1)

Image1

Layout1

乌申斯基曾说过：比较是一切理想和思维的基础，我们正是通过比较了解世界的一切。比较阅读的教学策略的运用改变了学生被动接受的地位，它让学生和教师平等地研究，平等地探索。而就在这共同的探索中，学生的思维走向多元。《广玉兰》一文教学从中心突破，梳理了脉络，并通过比较发现了文章重点。教师并没有止步于此，而是一以贯之，寻找本文表达上的言语密码。

Separator1

(Grid(Rows 1)(Cols 1 1 1)

Open

Update

Cancel

)

……

以冲击载荷作用下管道为例，设计的管道设计系统UI对话框如图2所示。

图2 管道设计系统UI对话框

1．3 接口设计

int X_1MenuActFn()

{ProError status;

char*dialog_name="X_2";

int ActiveDialog_status;

status=ProUIDialogCreate(dialog_name，dialog_name);

if(status!=PRO_TK_NO_ERROR)

{AfxMessageBox(_T("UIDialog CreateCreate error!"));

return status;

}

．．．．．．

status=ProUIDialogDestroy(dialog_name);

if(status!=PRO_TK_NO_ERROR)

{AfxMessageBox(_T("UIDialogDestroy error!"));

return status;

}

return status;

}

2 ANSYS有限元分析

以管道系统中一段管子长4 m，其中部受到一个冲击力作用，管道材料为合金钢，外径0．4 m，厚0．05 m，一端固定，一端受到F=4．2e3N的轴向载荷作用，中间部分受到冲击载1．5荷F(t)作用。材料的弹性模量 2e11 Pa，泊松比 0．3，质量密度 7．8e3 kg/m3，管道模型和F(t)变化规律，如图3所示。

首先，建立分析模型，加在求解，再进行结果后处理。绘制最大位移对应的时间值-临界时间，并绘出最大位移点随时间变化的位移-时间图，如图4所示。最后，查看临界时间的等合位移云图，如图5所示。

图3 F(t)变化规律

图4 X、Y方向位移

在ANSYS有限元分析中，静力分析产生预应力;模态分析产生振型和频率，为模态叠加法求解准备了必要条件，在瞬态分析中，使用了列表法加载随时间变化的冲击载荷和时间历程。由最大位移点随时间变化的位移-时间图和临界时间的等合位移云图可以看出，根据实际受力情况，管道设计是可行的。网格的划分的精度对求解精度有很大影响，所以在计算机处理允许情况下尽量细化网格，提高有限元分析的精度。

图5 合位移云图

3 结语

本文介绍了利用Pro/TOOLKIT对Pro/E进行二次开发的方法和步骤，实现了通过输入主要参数可以直接生成实体的功能，并对其建立的三维模型进行ANSYS有限元分析。以冲击载荷作用下管道为例，对实现CAD/CAE一体化设计作了阐述。利用该方法避免了重复作业，提高了设计效率和质量，具有重要的应用价值。其设计思想和方法不仅适用于机械行业，对其他行业工程设计同样具有很大的参考价值［1］。

［1］ 贾海利，柏占伟，王仲民，等．Pro/E二次开发关键技术的研究与应用关［J］．新技术新工艺，2005(9):7-9．

［2］ 李世国．Pro/TOOLKIT程序设计［M］．北京:机械工业出版社，2003．

［3］ 于德江．基于Pro/E的三维参数化零件库的研究与实现［D］．成都:电子科技大学，2007．