鋼結(jié)構(gòu)有限元參數(shù)化分析系統(tǒng)研究

易輝成 易 杰,2* 葉桂林

1(湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院汽車工程學院 湖南 長沙 410208)2(復雜薄壁精密零件智能柔性加工技術(shù)湖南省工程研究中心 湖南 長沙 410208)3(泰富重裝集團有限公司 湖南 湘潭 411201)

0 引 言

常規(guī)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計流程是：結(jié)構(gòu)設(shè)計工程師初步完成結(jié)構(gòu)設(shè)計并交由有限元工程師進行力學校核；有限元工程師完成結(jié)構(gòu)力學計算，并將計算結(jié)果和修改意見反饋給設(shè)計工程師。整個設(shè)計流程存在設(shè)計→分析→設(shè)計的反復迭代過程。設(shè)計過程中，設(shè)計工程師往往不能第一時間知道有限元分析結(jié)果，因此造成整個設(shè)計流程效率低下。

為解決這一問題，許多研究者提出了參數(shù)化有限元分析方法，針對特定產(chǎn)品開發(fā)具有友好交互界面的參數(shù)化有限元分析程序。通過這些程序，設(shè)計工程師可快速對設(shè)計方案進行有限元計算，再根據(jù)分析結(jié)果修改設(shè)計。該過程操作簡單，處理高效，符合現(xiàn)代設(shè)計理念。例如：文獻[1-3]基于ANSYS平臺，應用C#、VB.NET等語言開發(fā)了各種不同結(jié)構(gòu)形式的起重機鋼結(jié)構(gòu)參數(shù)化有限元分析系統(tǒng)。董迎暉等[4]基于HyperWorks軟件平臺，應用VB.NET開發(fā)了一個軸類零件參數(shù)化有限元分析平臺。葛邵飛等[5]應用APDL對橋梁結(jié)構(gòu)進行了參數(shù)化有限元分析。這些程序一般不能自由更改拓撲結(jié)構(gòu)，不同類型的產(chǎn)品需要不同的程序。因此，針對類同斗輪堆取料機、帶式輸送機這種非標準化重型設(shè)備而言很難滿足要求。

為解決上述問題，提高工作效率，本文基于EXCEL、ANSYS和VB.NET開發(fā)出一套簡單易用、拓撲結(jié)構(gòu)可自由更改的參數(shù)化有限元分析系統(tǒng)。

1 程序開發(fā)平臺

該程序的開發(fā)涉及到數(shù)據(jù)平臺、有限元軟件平臺、數(shù)據(jù)交流平臺三個軟件平臺，分別選擇EXCEL、ANSYS和VB.NET。三個軟件平臺之間的數(shù)據(jù)交互關(guān)系和程序流程如圖1所示。

圖1 軟件平臺間的數(shù)據(jù)交互和程序流程

選擇EXCEL作為數(shù)據(jù)平臺。EXCEL具備強大的數(shù)據(jù)處理能力，大多數(shù)機械工程師也常采用EXCEL軟件進行設(shè)計計算，選擇EXCEL作為數(shù)據(jù)平臺很符合機械工程師的使用習慣。

選擇ANSYS作為有限元軟件平臺。ANSYS作為當前應用最為廣泛的有限元分析軟件，其獨有的參數(shù)化設(shè)計語言(APDL)非常適合用于參數(shù)化有限元分析。

選擇VB.NET作為EXCEL和ANSYS之間的數(shù)據(jù)交流平臺。VB.NET與這兩個軟件之間的混合式程序設(shè)計理論比較成熟，技術(shù)難度較小[6]。

2 數(shù)據(jù)表及其程序設(shè)計

數(shù)據(jù)表由分析數(shù)據(jù)和分析報告兩部分組成。分析數(shù)據(jù)由設(shè)計者輸入，分析報告由程序自動生成。

分析數(shù)據(jù)包含結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)和物理參數(shù)，具體包括：截面參數(shù)表、點參數(shù)表、線參數(shù)表、耦合參數(shù)表和載荷參數(shù)表等。所有分析數(shù)據(jù)表的開始行和結(jié)束行均為關(guān)鍵字，程序?qū)ㄟ^關(guān)鍵字準確定位參數(shù)表的首尾行，從而可以通過參數(shù)表數(shù)據(jù)行的增多和減少、參數(shù)表數(shù)據(jù)的更改來改變產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的計算數(shù)據(jù)。

分析報告包括部件應力輸出表、局部應力輸出表、部件位移輸出表、軸向力圖輸出表、剪切力圖輸出表和彎矩圖輸出表等。

程序運行時，首先由VB.NET讀取EXCEL表格中的分析數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換為APDL代碼；然后VB.NET在后臺調(diào)用ANSYS對所生成的APDL代碼進行求解并保存分析結(jié)果；最后應用VB.NET對有限元分析結(jié)果進行歸類和整理，按照預先設(shè)計的格式編輯成分析報告。

為適應常用鋼結(jié)構(gòu)材料的線彈性靜力學計算，默認材料選用Q235或Q345，其材料參數(shù)為：彈性模量E=210 000 MPa，泊松比θ=0.3，材料密度為ρ=7.8×103kg/m3，設(shè)定力的單位為N，力矩的單位為N·mm。

應用VB.NET的WriteLine命令生成APDL代碼定義材料參數(shù)，如下[7-8]：

*SET,DEN1,7.8e-6

MP,EX,1,210000

MP,NUXY,1,0.3

MP,DENS,1,DEN1

2.1 截面參數(shù)表及程序設(shè)計

截面參數(shù)表包含矩形鋼(RECT)、工字鋼(I)、槽鋼(CHAN)、圓鋼(CTUBE)、角鋼(L)等9種工程常用的型鋼截面，能滿足絕大多數(shù)工程實際需求。截面參數(shù)表包含截面編號(SECID)、截面名稱(Name)、截面類型(Subtype)及7個幾何參數(shù)(w1,w2,w3,t1,t2,t3,t4)，如表1所示。其中：幾何參數(shù)需要與ANSYS截面庫中對應的截面參數(shù)保持一致；△y和△z數(shù)據(jù)用于修改截面原點位置。

表1 截面參數(shù)輸入表

應用VB.NET逐行讀取截面參數(shù)表中的數(shù)據(jù)，并在.txt文件中循環(huán)寫入以下APDL命令：

SECTYPE,SECID,Beam,Subtype,Name

SECOFFSET,USER,△y,△z

SECDATA,w1,w2,w3,t1,t2,t3,t4

2.2 點參數(shù)表及程序設(shè)計

點參數(shù)表包括關(guān)鍵點、截面方向點和耦合點等三種表格，均包含了點編號(NPT)、點的坐標值(X,Y,Z)等參數(shù)，如表2所示，不同之處在于三種表格的起始關(guān)鍵字和結(jié)束關(guān)鍵字不同。

表2 關(guān)鍵點參數(shù)輸入表

關(guān)鍵點主要用于定義幾何拓撲信息，例如梁的端點、鉸接、螺栓連接等。

截面方向點用于定義梁截面的方向。梁方向的定義規(guī)則如圖2所示，圖中K點為梁截面原點，I點至J點方向為梁的x軸線，L點在梁截面的z軸方向上。

圖2 截面方向點示意圖

耦合點則用來定義遠程加載或遠程連接，如圖3所示。程序中可實現(xiàn)點點耦合和點線耦合兩種耦合形式。

圖3 耦合點示意圖

應用VB.NET逐行讀取點參數(shù)表中的數(shù)據(jù)，并在.txt文件中循環(huán)寫入以下APDL代碼：

K,NPT,X,Y,Z

2.3 線參數(shù)表及程序設(shè)計

線參數(shù)表包括常截面梁、變截面梁和桿單元三種表格。常截面梁參數(shù)表包含線編號(LID)、線的兩個端點編號(KI，KJ)、截面方向點編號(KL)、梁的截面編號(SecID)等參數(shù)，如表3所示。

表3 常截面梁參數(shù)輸入表

應用VB.NET逐行讀取常截面梁參數(shù)表中的數(shù)據(jù)，并在txt文件中循環(huán)寫入APDL命令：

NUMSTR,LINE,LID

L,KI,KJ

LATT,MAT,,,,KL,,SecID

LESIZE,LID,SIZE,,

LMESH,ALL

其中：MAT指材料編號，程序計算中只有鋼材一種材料，編號為1；SIZE為網(wǎng)格劃分大小，可默認設(shè)置為100。

變截面梁參數(shù)表包含線編號(LID)、線的兩個端點編號(KI，KJ)、截面方向點編號(KL)、梁的截面編號(SecID)、I點處的截面編號(SecID-I)、J點處的截面編號(SecID-J)等信息，如表4所示。

表4 變截面梁參數(shù)輸入表

定義變截面梁的APDL代碼與定義常截面梁的APDL代碼一樣，但首先需要定義變截面梁的屬性，其APDL命令如下：

SECTYPE,SecID,TAPER,,,

SECDATA,SecID-I,KX(Ix),KY(Iy),KZ(Iz)

SECDATA,SecID-J,KX(Jx),KY(Jy),KZ(Jz)

其中：KX(Ix)、KY(Iy)、KZ(Iz)為變截面梁端點I處的坐標值；KX(Jx)、KY(Jy)、KZ(Jz)為變截面梁端點J處的坐標值。這需要應用VB.NET去查詢點參數(shù)表獲得。

二力桿用桿參數(shù)表來定義，其力學特性是只能承受軸向拉壓，不能承受彎曲。桿參數(shù)表主要包含線編號(LID)、線的兩個端點編號(KI，KJ)、截面方向點編號(KL)、截面面積(SecA)等信息，如表5所示。

表5 桿單元參數(shù)輸入表

定義二力桿的代碼與定義常截面梁的代碼一樣，但需要先定義截面面積，其APDL代碼如下：

R,LID,SecA

2.4 耦合參數(shù)表及程序設(shè)計

耦合參數(shù)表包括了鉸接點、點點耦合和點線耦合三種表格。

鉸接點參數(shù)表用于定義鋼結(jié)構(gòu)中鉸接的位置和自由度?？赏瑫r定義鉸接處的6個自由度(UX,UY,UZ，ROTX,ROTY,ROTZ)，不同自由度之間用“,”連接。鉸接點參數(shù)表包含點編號(NPT)和釋放自由度(RF)兩類信息，如表6所示。

表6 鉸接點參數(shù)輸入表

應用VB.NET逐行讀取鉸接參數(shù)表中的數(shù)據(jù)，并在.txt文件中循環(huán)寫入以下APDL代碼：

KSEL,S,KP,,NPT,,,1

NSLK,S,

ESLN,S,,

ENDRELEASE,,-1,ROTZ

點點耦合和點線耦合則用于定義遠程加載或遠程連接。同一個點或同一條線只能與唯一的耦合主點相耦合，且每次只能耦合一個自由度，若需要耦合多個自由度則需要分多步進行，也可用“ALL”關(guān)鍵字來耦合所有自由度。

點點耦合參數(shù)表包含耦合主點編號(NPTM)、耦合從點編號(NPTS)、耦合自由度(CF)等信息，如表7所示。

表7 點點耦合參數(shù)輸入表

應用VB.NET逐行讀取點點耦合參數(shù)表中的數(shù)據(jù)，并在.txt文件中循環(huán)寫入APDL代碼：

ALLSEL

KSEL,S,,,NPTM

NSLK,S

*GET,MN,NPTM,NODE,0,NUM,MAX

ALLSEL

KSEL,S,,,NPTS

NSLK,S

*GET,SN,NPTS,NODE,0,NUM,MAX

ALLSEL

CERIG,MN,NPTM,SN,NPTS,CF

點線耦合參數(shù)表包含耦合點編號(NPT)、耦合線編號(LID)、耦合自由度(CF)等信息，如表8所示。

表8 點線耦合參數(shù)輸入表

點線耦合實際是點點耦合的疊加，即耦合主點與線上所有的節(jié)點進行耦合，因此點線耦合的APDL代碼與點點耦合的代碼一樣，但為了防止線兩端處的節(jié)點與其他耦合主點重復耦合，需要將線端點處的節(jié)點去除掉，其APDL代碼如下：

*GET,NOUT1,KP,NPT-i,ATTR,NODE

*GET,NOUT1,KP,NPT-j,ATTR,NODE

LSEL,S,LINE,,LID,,0,0

ESLL,S

NSLE,S,ACTIVE

NSEL,U,,,NOUT1

NSEL,U,,,NOUT2

其中：NPT-i、NPT-j分別為耦合線的兩個端點，需要應用VB.NET查詢線參數(shù)表得到。

2.5 載荷參數(shù)表及程序設(shè)計

載荷參數(shù)表包括了重力載荷、點載荷、線載荷、點約束和線約束等5種表格。

重力加速度可定義X、Y、Z三個方向，默認單位為m/s2，如表9所示。

表9 重力加速度參數(shù)輸入表 單位：m/s2

應用ANSYS進行有限元計算時，ANSYS會根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸、截面參數(shù)、材料密度等自動計算結(jié)構(gòu)的重量。但大多數(shù)情況下，采用梁單元建立的鋼結(jié)構(gòu)有限元模型重量與實際重量會有所偏差，可適當放大重力加速度值對其進行修正。

應用VB.NET讀取重力加速度參數(shù)表中的數(shù)據(jù)，并在.txt文件中寫入以下APDL代碼：

ACEL,ACEL-X,ACEL-Y,ACEL-Z

點載荷參數(shù)表用于定義關(guān)鍵點或耦合點上的載荷，可定義FX、FY、FZ、MX、MY、MZ六個載荷方向，前三個表示加載的力，默認單位為t，后三個表示加載的力矩，默認單位為N·m。每次只能定義一個方向的載荷，但可在同一加載點上進行重復加載。點載荷參數(shù)表包含載荷名稱(Name)、點編號(NPT)、載荷類別(Lab)和載荷值(Value)等信息，如表10所示。

表10 點載荷參數(shù)輸入表

應用VB.NET逐行讀取點載荷參數(shù)表中的數(shù)據(jù)，并在.txt文件中循環(huán)寫入APDL代碼：

ALLSEL

KSEL,S,,,NPT

NSLK,S

F,ALL,Lab,Value

程序中，線載荷的加載在最終會轉(zhuǎn)化為點載荷均分在線上的各個節(jié)點上，因此線載荷的加載規(guī)則與點載荷的加載規(guī)則相似，其默認單位為kg/m。線載荷參數(shù)表包含載荷名稱(Name)、線編號(LID)、載荷類別(Lab)和載荷值(Value)等信息，如表11所示。

表11 線載荷參數(shù)輸入表

應用VB.NET逐行讀取線載荷參數(shù)表中的數(shù)據(jù)，并在.txt文件中循環(huán)寫入APDL代碼：

LSEL,S,LINE,,LID,,0,0

ESLL,S

NSLE,S,ACTIVE

*GET,LL(LID),LINE,LID,LENG

*GET,NN,NODE,0,COUNT

F,ALL,Lab,Value*LL(LID)/NN

其中：LL(LID)為LID編號梁的長度；NN為LID編號梁上的節(jié)點數(shù)量；這兩個參數(shù)均可采用APDL的*GET函數(shù)求解得到。

點約束參數(shù)表用于約束關(guān)鍵點的自由度，包含點編號(NPT)、方向(Labels)、數(shù)值(Value)等信息，其起始關(guān)鍵字為“開始輸入點約束”，如表12所示。其可同時對同一個點的多個自由度進行約束，不同自由度之間需要用“,”分隔，例如：UX,UY,UZ,ROTX,ROTY,ROTZ。

表12 點約束參數(shù)輸入表

約束也可轉(zhuǎn)化為位移載荷，例如：約束方向為UX，數(shù)值設(shè)為20，表示該點沿正X方向偏移20 mm。

應用VB.NET逐行讀取點約束參數(shù)表中的數(shù)據(jù)，并在.txt文件中循環(huán)寫入APDL代碼：

ALLSEL

KSEL,S,,,NPT

NSLK,S

D,ALL,,Value,,,,Labels

與線載荷表類似，線約束在程序中最終也會轉(zhuǎn)換為點約束，因此線約束的規(guī)則與點約束的規(guī)則類似。線約束參數(shù)表包含線編號(LID)、方向(Labels)和數(shù)值(Value)，如表13所示。

表13 線約束參數(shù)輸入表

應用VB.NET逐行讀取線約束參數(shù)表中的數(shù)據(jù)，并在.txt文件中循環(huán)寫入APDL代碼：

LSEL,S,LINE,,LID,,0,1

NSLL,S,0

D,ALL,,Value,,,,Labels

2.6 分析報告及程序設(shè)計

VB.NET在調(diào)用ANSYS運行APDL代碼時，會按照一定的命名規(guī)則保存部件應力云圖、部件局部應力云圖、部件位移云圖、梁的彎矩圖、梁的剪力圖、桿的軸向力圖等分析結(jié)果。其中，部件的局部應力結(jié)果主要截取局部應力大于一定值的梁單元的應力云圖，默認值為150 MPa，用戶可自己設(shè)定該值。求解完成后，VB.NET按照預定的格式編輯分析報告并保存。

3 工程案例

泰富重裝集團基于該程序開發(fā)了斗輪堆取料機、帶式輸送機等一系列非標產(chǎn)品的鋼結(jié)構(gòu)參數(shù)化有限元計算表格。TF.DQLZ.1系列的斗輪堆取料機參數(shù)化有限元分析表格如圖4所示。

圖4 TF.DQLZ.1斗輪堆取料機計算數(shù)據(jù)表

分析表格在保證核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式不變的情況下，添加了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)參數(shù)，用于定義結(jié)構(gòu)的幾何尺寸、載荷條件等參數(shù)，并將其與后面的點、線、載荷等表格中的參數(shù)進行關(guān)聯(lián)，從而使結(jié)構(gòu)的調(diào)整更加直觀、快捷，如圖5所示。

圖5 TF.DQLZ.1斗輪堆取料機上部結(jié)構(gòu)參數(shù)

將該TF.DQLZ.1斗輪堆取料機有限元計算參數(shù)表導入程序中運行，得到相應的有限元分析計算結(jié)果和分析報告如圖6所示。

圖6 TF.DQLZ.1斗輪堆取料機有限元分析報告

壓桿穩(wěn)定性計算是鋼結(jié)構(gòu)計算中經(jīng)常需要進行的校核計算，因此機械設(shè)計工程師可依據(jù)梁單元的軸向力分析結(jié)果添加壓桿穩(wěn)定性計算函數(shù)，如圖7所示。使用者也可自行添加其他的機械常用設(shè)計計算函數(shù)。

圖7 壓桿穩(wěn)定性計算表

4 結(jié) 語

基于EXCEL、ANSYS和VB.NET開發(fā)的鋼結(jié)構(gòu)參數(shù)化有限元分析系統(tǒng)具有以下特點：

1) 具備很強的通用性。針對不同的鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，工程師不需要單獨開發(fā)程序，只要保證分析數(shù)據(jù)表格的體系、格式和關(guān)鍵字不變，重新編輯EXCEL分析數(shù)據(jù)表，即可完成特定產(chǎn)品的鋼結(jié)構(gòu)計算模板定制，因此非常適合非標準化重型機械產(chǎn)品的鋼結(jié)構(gòu)參數(shù)化有限元計算。

2) 具有很好的可擴展性。工程師可在鋼結(jié)構(gòu)有限元分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，添加機械設(shè)計常用的計算功能，例如螺栓聯(lián)接計算、壓桿穩(wěn)定計算、優(yōu)化計算等，擴展該系統(tǒng)的計算能力。

目前，泰富重裝集團有限公司在該系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，已開發(fā)了斗輪堆取料機、帶式輸送機等一系列非標準化產(chǎn)品的鋼結(jié)構(gòu)參數(shù)化有限元計算模板。從運行結(jié)果來看，該系統(tǒng)的運用大約縮短了50%的產(chǎn)品開發(fā)時間，提高了產(chǎn)品開發(fā)效率，增強了企業(yè)競爭力。