非参数化模型的优化参数定义方法

黄晨华+李湘勤+毛桂生+许卫军

摘要：用各种CAD软件建立分析对象的三维模型，可以很方便地利用ANSYS提供的接口导入到ANSYS中，大大节省了建模的时间，但当分析是基于模型参数时，外部导入的模型往往因采用的建模方法是非参数化建模而导致而不适用，或要花很多的时间进行处理。为了使多种建模方法得到的模型都能实现参数化分析，提出了一种非参数化模型的参数化定义方法。首先在CAD软件中对三维模型的体属性信息进行补充和添加，对需要参数化的参数按ANSYS文件名要求进行定义，然后再导入到ANSYS中，在ANSYS中模型则有了参数信息，可以实现参数化优化。以UG NX9.0为例，验证了此方法的可行性。

关键词：参数化建模；优化设计；ANSYS分析；数据传递

中图分类号：TP319 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）06-0103-03

Abstract： The models modeling via different CAD software are imported into ANSYS software by itself interface conveniently，and the times can be saved greatly.However，the model may not be suitable because the outer imported model was not modeled based on non-parameter modeling， and in this case， much time would be spent to deal with the problems. In order to make any model can be apt for being analyzed by parameterization， a method of parameters- optimized defining for non-parameterization model was put forward.First，the information of the body properties was added by using CAD software， which named according to ANSYS softwares naming rules would be used to be optimized， and then the model was imported into ANSYS software，and then the model can be parameterized optimum.An example was done in UG NX9.0 software，and the method was proved that it was validity.

Key words： parameterization modeling； optimum design； ANSYS analysis； data transmission

利用ANSYS进行结构优化分析是一种很有效的结构优化方法。ANSYS是ANSYS公司的多物理场及优化分析平台，具有强大的结构、流体、热、电磁及相互耦合分析的功能，并且非常方便在ANSYS已有的功能上开发定制开发适合自身专业特点与特殊业务需求的新功能。用ANSYS对目标时行各种分析，首先需要对目标进行三维建模，虽然ANSYS自身有三维建模模块，且功能越来越强大，但相比于与目前主流的三维设计与制造软件如UG、Pro/e、Solidworks等，其三维建模功能还是有比较大的差距。因此，在实际应用中，往往是利用其他软件建好目标的三维，然后再通过ANSYS Workbench自带的三维模型输入接口，实现分析目标的三维模型建模。利用其他三维软件建模，然后再输入到ANSYS 进行分析这一问题，已有大量的ANSYS应用者进行了研究，如郝钟雄[1]介绍了ANSYS与UG、AUTOCAD、SolidWorks、Pro/E等几种常用CAD软件的接口，王建利等[2]研究了Sold Edge与ANSYS之间可以进行模型数据传递的各种模型格式；陈乾伟[3]讨论了ANSYS和Pro/E之间的模型传递，并成功实现了超声电动机有限元分析；李宗坤等[4]介绍了燕山水库水塔模型在SolidWorks与Ansys之间的传递；李春燕[5]在其硕士论文中研究了Mechanical Desktop（MDT）与ANSYS之间的接口问题，并实现了数据的传递；王胜[6]在其硕士论文介绍了UG与ANSYS之间的模型传递。以上文献只实现了模型的简单输入，但没有涉及到参数化优化的问题，为了实现参数化定义，詹俊勇等[7]采用了较生硬的方法，其先在Solidkworks中建寻模型，然后导入ANSYS中，再把需要参数化设计的部分删除，在删除留下的面上再重建需要参数化的实体，这显然既不能简化建模过程，又不能保证模型部件之间的原有精度；刘志柱等[8]利用Visual C++，对ANSYS进行二次开发，实现模型的参数化设计。显然，这2种方法并没有充分利用已有的模型，实现参数化优化。如何利用已有三維模型，而不管其本身是否有尺寸信息而实现ANSYS 结构优化设计，就笔者知识范围内，还没见过相关文献，本文将就这一问题展开研究。为便于叙述，本文以UG NX9.0为例阐述三维模型优化参数的定义方法。

1 ANSYS结构优化分析步骤

优化分析之前，一般先要对结构进行静力学分析或其他分析，然后把得到结构如变形、应力、应变等作为优化的输出参数，再定义模型的输入参数，就可以进结构优化分析。从CAD模型到CAE优化，通常的步骤为[9]：

1）参数化建模与参数定义：若模型是在CAD软件中建模，则要参数化方法建模，若模型是从第三方图库中调入，则需要用到本文的方法进行定义。

2）CAE求解：把定义好的参数的模型输入ANSYS，找到第一步定义好的参数定义为优化参数，同时也可把模型静力学分析得到的结构变形、应力、应变等作为优化参数。

3）后处理：将约束条件和目标函数（优化目标）提取出来，供优化处理器进行优化参数评价。

4）优化参数评价：依据优化结构，改变结构参数，看结构是否达到了最优或要求。

2 模型参数化定义

目前，CAD三维建模软件非常多，在很多时候，我们需要的模型可以从已有的图库中找到，或由别人代为建模。虽然国际上已标准化了图形交换格式，但图形在交换过程中往往会丢失一些信息，特别是不同的CAD三维建模软件之间一般不能无缝兼容，或有的模型本身就不是基于参数化模型，我们在优化参数定义的时候就显得无能为力。以UG NX9.0为例，实现非参数化模型的优化参数定义，具体步骤为：

1）打开要设定优化参数的三维模型，如图1，其上没有任何参数信息，很明显，这模型为非参数化建模，或在格式转换过程中把参数信息丢失。选中模型，单击右键，弹出“体属性”窗口，从这里也可以看到模型没有任何参数信息。我们这里要做的工作是把参数信息添加进去，并且与模型相关。

2）在“属性”选项，各栏目的填写是参数设定是否有效的关键，各栏目填写填定要求和注意事项如表1.

3）回到属性窗口，属性里的“值”栏里已有刚才填入的数字，且栏名称变为“链接到表达式的值”，说明设置成功，点击下边的“添加新的属性”右边“√”，点击确定，回到程序界面，保存模型，整个参数化设定完成。

3 ANSYS确认定义参数

进入ANSYS，双击“Static Structural”，建立静力结构分析项目（也可以建立其他分析项目），输入刚才定义了参数的模型，双击“Geometry”，在“Import1”的Details View的Parameters里可以看到刚才定义的参数。

4 实例

以前面讲到的轴套为例，其参数的定义过程如图2～图5，从图中可以看到，优化参数成功定义，并实现结构优化分析。

5 结论

CAD三维模型在不同CAD软件平台之间传递，可以大大提高工作效率，但由于建模开始时都会有特定的用途，在一种用途下可能信息足够，但在另一种用途下，即使模型在传递过程中信息没有丢失，使用同样的模型，也常常会遇到信息不全的困惑。本文以UG NX9.0为例，详细介绍了非参数建模的模型参数化，使之满足ANSYS Workbench 17.0结构优化分析的参数要求。

1）简要归纳了ANSYS Workbench下结构优化分析的步骤，对使用ANSYS Workbench进行结构优化者有一定的帮助。

2）详细介绍了在UG NX9.0下，通过设定非参数建模的三维模型的体属性，实现了优化参数的定义，并通过实例验证了这一方法的可行性。

3）本文虽然以UG NX9.0为例探讨了优化参数的定义方法，但对于在其他CAD软件平台下进行类似的定义，有很大的借鉴意义。

参考文献：

[1] 郝钟雄. ANSYS与CAD软件的接口问题研究[J]. 机械设计与制造，2007（7）：75-76.

[2] 王建利，司慧. 浅谈Solid Edge与ANSYS的数据传递[J]. 电脑知识与技术，2009（31）：8691-8693.

[3] 陈乾伟，鞠全勇，黄卫清，等. ANSYS和Pro/E在超声电动机有限元建模中的应用[J]. 微特电机，2014（11）：32-36.

[4] 李宗坤，张宏洋，王建有，等. SolidWorks建模以及与ANSYS的接口问题探讨[J]. 中国农村水利水电，2007（9）：82-84.

[5] 李春燕. 基于MDT的轻钢结构参数建模程序与ANSYS接口技术研究[D].兰州：兰州理工大学，2005.

[6] 王进. AutoCAD与ANSYS線面接口问题研究[J]. 煤矿机电，2009（6）：4-6.

[7] 詹俊勇，黄建民. SolidWorks导入实现ANSYS参数化建模[J]. 金属加工（冷加工），2010（4）：71-72.

[8] 刘志柱，刘曜. 二次开发在ANSYS参数化建模中的应用[J]. 机电产品开发与创新，2006（5）：117-118.

[9] 许进峰. ANSYS Workbench 15.0完全自学一本通[M].北京：电子工业出版社2014：546.