基于Pro/E与A N S Y SW or k bench的结构协同设计方法

王 力，王志强，吴士平

（1.南京理工大学紫金学院，江苏 南京，210023；2.徐州徐工施维英机械有限公司，江苏 徐州，221000）

1 结构设计

机械结构设计时，要对结构进行强度校核。设计与校核密不可分，设计的合理性通过校核判断，校核结果反过来指导设计，因此有效的设计和校核手段，可以提高工作效率，提高产品设计质量。

传统的设计校核方法：1）对简单的结构件而言，可利用材料力学及工程力学的理论方法进行设计校核；2）对大型结构件而言，其结构、工况复杂，单纯采用材料力学与工程力学的理论难得出符合工程实际的设计校核方法，采用有限元法进行设计校核，而ANSYS-APDL模块为常用的设计校核方法[4]。

利用ANSYS-APDL模块计算时，首先采用三维软件建立模型，再导入ANSYS.ANSYS-APDL模块很难实现与其它三维软件数据实时交互；结构设计前期阶段，模型修改比较频繁，致使校核时有限元模型需要重复建立，导致设计效率低，设计周期长。

为了解决以上问题，借助现今的三维设计软件和分析软件，提出基于Pro/E与ANSYSWorkbench的结构的协同设计理念。

2 结构协同设计流程

结构协同设计目的：（1）结构设计过程中模型实时更新，分析计算只需对结构更改部位进行处理，其它部位保持之前数据；（2）设计完成，装配其它组件，可以对大型结构件中某个组件的设计进行初步验证。

结构协同设计分为四个模块：三维建模模块、分析前处理模块、分析仿真模块、反馈模块，具体流程如图1所示。

图1 结构协同设计流程

三维建模模块：Pro/E中建立三维模型。建模时先建立概念模型，然后再进行局部设计，最终完成结构的整体设计。利用接口技术，将ANSYSWorkbench嵌入Pro/E中，即可在Pro/E中进入Workbench，方式如图2所示。

图2 Pro/E与A N S Y SW or k bench接口

分析前处理模块：进入ANSYSWorkbench中的DesignModeler模块，根据模型的特点对模型进行几何清理（去除倒角、小孔、抽中面、改变拓扑结构）。通过这些操作可以得到较好拓扑结构和较好的网格质量，从而得到更加准确的分析结果。

分析仿真模块：进入ANSYS Workbench的DesignSimulation模块，建立组件之间的连接关系，划分网格，施加载荷，设置求解选项并求解。

反馈模块：进入后处理模块，对结果进行分析，根据分析结果指导设计，并最终得到优化模型的结果。

Pro/E与ANSYSWorkbench是通过共享计算机内存中的数据来实现交互，因此要保证协同设计的顺利进行必须实现Pro/E与ANSYSWorkbench的无缝连接，将ANSYSWorkbench模块嵌入Pro/E中，以保证数据可以相互读入；而且在仿真过程中必须同时打Pro/E与ANSYSWorkbench，确保模型在内存中[5]。

3 结构协同设计应用

本文以摆腿形式混凝土泵车的回转底架为研究对象，给出结构协同设计方法的应用实例。混凝土泵车下车由回转底架、支腿、副车架、底盘、泵送系统等组成，如图3所示。回转底架是混凝土泵车上的关键部件，其上部连接回转支承、转台及混凝土臂架，下部通过副车架与底盘相连接，回转底架的前铰点与前一节摆腿连接，后铰点连接后摆腿。工作时既承载上车结构产生的倾覆力矩又承载整车受力支撑力，受力工况复杂，需采用有限元计算方式来分析其结构受力状况。

图3 回转底架结构示意图

3.1 回转底架三维建模

根据其它混凝土泵车的回转底架的结构形式，建立回转底架的原始模型，如图4所示。

图4 回转底架的三维模型

3.2 回转底架分析前处理

回转底架是由高强钢板焊接而成，根据回转底架的结构特点采用板壳类单元对回转底架进行分析计算。利用板壳类单元时，首先要对实体进行抽中面，经拓扑修复后形成面体。

进入DesignModeler模块对回转底架抽中面，由图5可知板与板交接的地方会产生缝隙，这些缝隙的存在导致几何拓扑不连续，必须将这些缝隙连接在一起。这些缝隙可通过三种方式连接：共节点、点焊Weld Point、接触。本文采用共节点的方式将各零部件连接在一起，共节点实现有两个步骤：（1）几何拓扑修复；（2）形成多体部件。

图5 抽中面后的拓扑模型

利用几何清理命令（镜像、复制、切片、删除等）对回转底架进行拓扑修复。除加强板回转底架所有部件形成多体，保证划分时边界共享节点。

3.3 回转底架分析计算

进入DesignSimulation模块建立有限元模型。首先设置加强板与回转底架的接触并划分网格；其次施加边界约束和边界载荷；最后设置求解选项并求解。

经过计算得到如图6所示的应力云图，由于结构不合理导致多处产生应力集中，而且应力值较大，超过材料的屈服极限，因此需对此结构的细节进行进一步设计改进。

图6 结果应力云图

根据分析结果，修改步骤如图7所示。首先返回Pro/E中修改模型，然后保存模型；其次进入Workbench的DesignModeler模块，点击Attach1替换成新保存的模型，此时将模型修改位置做几何清理；最后进入Workbench的DesignSimulation模块，刷新输入数据，更新模型，并求解。通过计算结果再对模型进行修改，经多次修改计算得出最佳的结构模型。

4 结束语

图7 模型修改步骤

本文结合Pro/E与ANSYSWorkbench给出结构设计的协同设计方法。利用该方法大大减少有限元模型的创建工作，极大地提高了工作效率，缩短了设计周期，使产品在短时内以低成本实现最优设计成为可能。且对刚从事设计工作的人员是行之有效的方法。

[1]凌桂龙，丁金滨，温 正.ANSYSWorkBench13.0从入门到精通[M].北京：清华大学出版社，2012.

[2]钟日铭.Pro/ENGINEERWildfire 5.0从入门到精通[M].北京：机械工业出版社，2010.

[3]王志强，王家军，王 钊.混凝土泵车X型支腿下车结构有限元分析[J].建筑机械，2011，03：84-87.

[4]吴庆勇，孙武和.基于ANSYS混凝土泵车下车结构有限元接触分析[J].徐州工程机械，2013（1）：23-27.

[5]韩 静，方 亮，孙甲鹏，等.基于 Pro/E与 ANSYSWork bench复杂装配件协同仿真及优化[J].机械设计与制造，2010（1）：190-192.