基于参数化设计的液压缸有限元分析系统开发

杨 妍， 鄂 洋， 费 烨

（1.沈阳建筑大学 机械工程学院， 辽宁 沈阳 110168； 2.辽宁永茂液压机械有限公司， 辽宁 抚顺 113126）

0 引言

液压缸在实际工程中应用范围较广， 是液压系统中的重要执行元件。随着市场需求的增加，液压缸产品规格繁多、更新速度加快，提高设计效率便成为快速响应市场的重要手段。

在这种背景下， 基于参数化技术的各类计算机辅助设计软件逐渐取代了效率低下的传统设计方法。 但该类设计软件形成的方案仍需结构工程师通过有限元软件进行分析计算，然后依据分析结果修改参数，在软件中重新生成新设计，再计算，如此循环迭代直至定型，这些重复性的劳动无形中限制了设计效率的进一步提高。

本文基于液压缸参数化设计系统， 开发有限元自动建模与分析模块，使系统兼具设计和分析校核功能，提高液压缸设计效率。 此外， 该模块通过C# 对ANSYS 的封装，降低了用户操作ANSYS 进行有限元分析的难度及工作量， 为非结构工程专业人员完成液压缸结构分析提供了便利。

1 液压缸参数化设计系统

液压缸计算机辅助设计系统是以SolidWorks、ANSYS两个软件的二次开发技术为基础， 利用C# 语言在Visual Studio 平台建立人机交互界面，设计出的一套适用于企业的产品设计与工程分析一体化的计算机辅助设计系统。系统的参数化设计模块基于API 接口技术对SolidWorks软件进行二次开发， 标准件生成直接调用已建立的企业零件模型库，非标准件生成采用参数化尺寸驱动法，应用SQL Server 建立零件数据库，存储零件的尺寸参数。 该系统包括液压缸零件三维模型生成、 工程图输出等参数化设计模块。

2 液压缸有限元自动建模与分析的实现

利用APDL 可以实现ANSYS 的二次开发， ANSYS分析时生成的.log 文件可以修改，利用更改的新文件再次分析，进而完成多次有限元分析任务。同时，利用C# 编制人机交互操作界面，对APDL 文件的相关参数进行改写，能够实现对分析过程的控制，实现设计与分析的同步进行[4]。

2.1 创建设计与分析界面

在系统主界面菜单栏中加入 “液压缸ANSYS 分析”选项，点击进入选型界面，见图1。 选型后进入参数设置界面，以整体式活塞杆单耳环为例，见图2，零件分析子窗体，见图3。

图1 选型界面

图3 零件分析子窗体

2.2 编写APDL 有限元分析程序

利用APDL 语言编写液压缸有限元分析程序， 生成循环分析所用的准确、完整的命令流文件，为系统后台调用ANSYS 做准备。

参数化前处理过程要设置参数，完成建模分网、边界条件施加及接触对的设置。 在保证结果精度的前提下略去对受力分布影响不大的结构，以提高网格划分质量，同时轴对称结构只需选取1/4 进行建模[1-2]。 形状较规则的旋转体进行网格划分时，可进行体切分处理[3]，采用扫略划分规则的六面体单元， 并在着重校核的危险部位进行网格加密。对液压缸与外部的连接部分施加约束，在内部受压面上施加压力荷载， 由此生成具有力学意义的有限元模型。 在求解及后处理过程中， 按照试验压力1.25 倍于额定压力进行加载，完成分析后进入结果查询界面。

2.3 参数的改写与传递

参数的改写与传递关键的一点要求用户操作界面上的数据能够转化为APDL 语言，进而ANSYS 能够正确读取运行。

首先，代码中要完成必要Using 的引用，在命名空间添加System.IO，命令流文件中的参数通过StreamWrite 类修改，WriteLine 是StreamWrite 类的常用方法， 可以写入指定的某些数据，将用户界面上输入的数据转化为APDL语言，实现参数的改写与传递[4]。 关键代码如下：

应用上述代码可在F 盘创建model.txt 文件， 将界面控件中的参数写入此文件中，生成模型分析命令流文件。

为保证有限元模型与设计模型一致， 使分析结果真实反映设计液压缸的强度， 需要将部分设计参数同步应用到有限元模型的建立中， 这可通过将局部变量改用Public 语句声明为全局变量来实现，具体方法为：

2.4 C#.NET 对ANSYS 调用

在有限元自动建模与分析系统中， 会使用多个相关的进程共同完成一项任务，要求进程之间能够互相通信，从而共享资源和信息。 因此，实现开发程序与ANSYS 软件接口的通信问题是对ANSYS 二次开发调用的核心问题。 C# 后台调用ANSYS 的关键代码如下：

2.5 分析结果显示

系统在执行完整的命令流分析文件之后， 相关的结果文件会保存到ANSYS 工作目录中，见图4。结果云图可以显示白底和黑底两种形式，呈现不同的视角便于查看，将结果图形反馈到用户界面可查看分析结果形， 液压缸整体的应力云图见图5。

调用结果文件图片的关键代码为：

pictureBox1.Image = Image.FromFile（@"F： 文件路径 项目名称.jpg"）；

图4 ANSYS 分析结果文件

图5 液压缸整体应力云图

3 结论

基于液压缸参数化设计系统， 嵌入有限元自动建模与分析模块，具有如下优点：

研究了C#.NET 与ANSYS 之间的数据交互过程，实现液压缸有限元自动建模与分析。

有限元自动建模与分析模块的嵌入实现了液压缸设计与校核的同步进行，有效提高了设计效率。

将液压缸有限元分析过程封装， 通过简洁友好的界面得以调用， 降低了设计人员利用有限元进行校核的技术难度，提高了设计质量。