基于沖擊載荷作用下管道的CAD/CAE一體化設(shè)計(jì)*

劉 川，譚興強(qiáng)

(1．西華大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院，四川成都 610039;2．攀枝花學(xué)院機(jī)械工程系，四川攀枝花 617000)

0 引言

在我國三維CAD軟件已得到廣泛應(yīng)用，其中PTC公司的Pro/ENGINEER，作為一種全參數(shù)化的設(shè)計(jì)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了尺寸驅(qū)動的參數(shù)化設(shè)計(jì)。許多企業(yè)因其參數(shù)化驅(qū)動、功能齊全的模塊等強(qiáng)大功能，都使用了Pro/E軟件。企業(yè)生產(chǎn)的復(fù)雜零件的建模對Pro/E的技能水平要求較高，工程師往往從事很多繁雜的重復(fù)工作，不能充分利用其優(yōu)勢進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，導(dǎo)致人力、物力的利用率不高。以Pro/E為平臺進(jìn)行二次開發(fā)，更大限度地發(fā)揮Pro/E的作用，運(yùn)用Visual C++可以用于Pro/TOOLKIT的自定義功能模塊插入到Pro/E的主菜單中方便用戶使用，這種開發(fā)方式下創(chuàng)建的應(yīng)用模塊雖然靈活性受軟件控制，但是投入少、周期短、應(yīng)用性強(qiáng)，具有廣闊的市場。

在有限元方面，ANSYS以其強(qiáng)大的功能，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)及可行性研究。在我國擁有眾多用戶，在很多工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時多采用了ANSYS作為分析工具。其具有完備的網(wǎng)格處理能力，能使用強(qiáng)大的耦合場和高精度非線性問題進(jìn)行求解，后處理能力強(qiáng)，開放性好，可實(shí)現(xiàn)CAD軟件的無縫集成等優(yōu)勢。

隨著計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)和機(jī)械設(shè)計(jì)的不斷發(fā)展，利用先進(jìn)的 CAD/CAE工具，即 Pro/ENGINEER和ANSYS這些工具在各自領(lǐng)域的優(yōu)勢，將其結(jié)合起來進(jìn)行CAD/CAE一體化設(shè)計(jì)，己經(jīng)成為一種可行方案，具有較好的工程實(shí)用價值。

1 Pro/E二次開發(fā)

在Pro/E二次開發(fā)過程中，先創(chuàng)建零件的三維實(shí)體模型，模型的尺寸按設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行輸入，通過程序自動進(jìn)行計(jì)算，把計(jì)算結(jié)果在程序里自動賦值給模型，生成新的模型;然后利用Visual C++創(chuàng)建用戶界面，要求輸人模型基本參數(shù)，并通過Pro/TOOLKIT的底層函數(shù)將其傳到Pro/E模型中;編寫用戶菜單和UI對話框，通過Pro/TOOLKIT開發(fā)工具創(chuàng)建Visual C++與Pro/E的接口程序;最終實(shí)現(xiàn)輸入基本參數(shù)后三維模型的智能化創(chuàng)建與顯示［1］。

1．1 菜單設(shè)計(jì)

菜單是程序與Pro/E進(jìn)行交互的通道，菜單條菜單是Pro/E的用戶界面。菜單條中每種功能各成一行，用戶選中某種功能，就會彈出其菜單條菜單(子菜單)，菜單條菜單中有一系列選項(xiàng)，來激活各種功能［2］。以沖擊載荷作用下管道為例，編寫管道設(shè)計(jì)系統(tǒng)的菜單主程序:

extern"C"int user_initialize()

{ProError status;

ProFileName MsgFile;

uiCmdCmdId PushButton_cmd_id1;

ProStringToWstring(MsgFile，"．txt");

//設(shè)置菜單信息文件名

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

//菜單按鈕設(shè)置

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

PRO_B_TRUE，PRO_B_TRUE，＆PushButton_cmd_id1);

//添加菜單按鈕

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

//設(shè)置菜單按鈕的動作函數(shù)

return status;

}

以沖擊載荷作用下管道為例，設(shè)計(jì)的管道設(shè)計(jì)系統(tǒng)菜單，如圖1所示。

圖1 管道設(shè)計(jì)系統(tǒng)菜單

1．2 UI對話框

用戶界面對話框(User Interface Dialog Boxes，簡稱UI對話框)是Pro/TOOLKIT提供的一種系統(tǒng)與用戶交互的工具。UI對話框的設(shè)計(jì)過程主要是:編寫資源文件［3］。以沖擊載荷作用下管道為例，設(shè)計(jì)的管道設(shè)計(jì)系統(tǒng)UI對話框資源文件主程序:

(Dialog X

(Components!對話框元件聲明

(PushButton Update)

(PushButton Cancel)

(PushButton Open)

(Separator Separator)

(Label Image)

(SubLayout Layout)

)

(Resources!對話框資源(屬性定義)

!Cancel按鈕屬性定義．．．．．．

(．Label"X")!對話框標(biāo)題

(．StartLocation)

(．Layout!對話框元件的布局)

)

(．Label"管道專家設(shè)計(jì)系統(tǒng)")!對話框標(biāo)題

(．StartLocation 3)

(．Layout!對話框元件的布局

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

(Grid(Rows 1)(Cols 1 1)

Image1

Layout1

烏申斯基曾說過：比較是一切理想和思維的基礎(chǔ)，我們正是通過比較了解世界的一切。比較閱讀的教學(xué)策略的運(yùn)用改變了學(xué)生被動接受的地位，它讓學(xué)生和教師平等地研究，平等地探索。而就在這共同的探索中，學(xué)生的思維走向多元。《廣玉蘭》一文教學(xué)從中心突破，梳理了脈絡(luò)，并通過比較發(fā)現(xiàn)了文章重點(diǎn)。教師并沒有止步于此，而是一以貫之，尋找本文表達(dá)上的言語密碼。

Separator1

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

Open

Update

Cancel

)

……

以沖擊載荷作用下管道為例，設(shè)計(jì)的管道設(shè)計(jì)系統(tǒng)UI對話框如圖2所示。

圖2 管道設(shè)計(jì)系統(tǒng)UI對話框

1．3 接口設(shè)計(jì)

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

以管道系統(tǒng)中一段管子長4 m，其中部受到一個沖擊力作用，管道材料為合金鋼，外徑0．4 m，厚0．05 m，一端固定，一端受到F=4．2e3N的軸向載荷作用，中間部分受到?jīng)_擊載1．5荷F(t)作用。材料的彈性模量 2e11 Pa，泊松比 0．3，質(zhì)量密度 7．8e3 kg/m3，管道模型和F(t)變化規(guī)律，如圖3所示。

首先，建立分析模型，加在求解，再進(jìn)行結(jié)果后處理。繪制最大位移對應(yīng)的時間值-臨界時間，并繪出最大位移點(diǎn)隨時間變化的位移-時間圖，如圖4所示。最后，查看臨界時間的等合位移云圖，如圖5所示。

圖3 F(t)變化規(guī)律

圖4 X、Y方向位移

在ANSYS有限元分析中，靜力分析產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力;模態(tài)分析產(chǎn)生振型和頻率，為模態(tài)疊加法求解準(zhǔn)備了必要條件，在瞬態(tài)分析中，使用了列表法加載隨時間變化的沖擊載荷和時間歷程。由最大位移點(diǎn)隨時間變化的位移-時間圖和臨界時間的等合位移云圖可以看出，根據(jù)實(shí)際受力情況，管道設(shè)計(jì)是可行的。網(wǎng)格的劃分的精度對求解精度有很大影響，所以在計(jì)算機(jī)處理允許情況下盡量細(xì)化網(wǎng)格，提高有限元分析的精度。

圖5 合位移云圖

3 結(jié)語

本文介紹了利用Pro/TOOLKIT對Pro/E進(jìn)行二次開發(fā)的方法和步驟，實(shí)現(xiàn)了通過輸入主要參數(shù)可以直接生成實(shí)體的功能，并對其建立的三維模型進(jìn)行ANSYS有限元分析。以沖擊載荷作用下管道為例，對實(shí)現(xiàn)CAD/CAE一體化設(shè)計(jì)作了闡述。利用該方法避免了重復(fù)作業(yè)，提高了設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，具有重要的應(yīng)用價值。其設(shè)計(jì)思想和方法不僅適用于機(jī)械行業(yè)，對其他行業(yè)工程設(shè)計(jì)同樣具有很大的參考價值［1］。

［1］ 賈海利，柏占偉，王仲民，等．Pro/E二次開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)的研究與應(yīng)用關(guān)［J］．新技術(shù)新工藝，2005(9):7-9．

［2］ 李世國．Pro/TOOLKIT程序設(shè)計(jì)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003．

［3］ 于德江．基于Pro/E的三維參數(shù)化零件庫的研究與實(shí)現(xiàn)［D］．成都:電子科技大學(xué)，2007．