155_基于ANSYS平台的液压机产品广义模块化快速设计

基于ANSYS平台的液压机产品广义模块化快速设计

满佳 黄艳群 徐燕申 [天津大学机械学院，300072]

[ 摘 要 ] 液压机是制品成型压制的主要加工机，其规格、结构形式多样，均要根据用户的需求定制设

计，并有严格的刚度和强度要求。为了快速设计不同结构，不同精度要求的液压机，把CAD参数化设计和有限元变量化分析相结合，应用广义模块化设计原理和方法，开发了一个基于ANSYS平台的液压机产品广义模块化快速设计系统。根据广义模块化模型的参数化特点，使用ANSYS软件ADPL语言对参数化结构模块进行有限元建模，根据用户需求的液压机尺寸和工程压力，构建一定数量的参数化的CAD/CAE模型，开发覆盖常用参数液压机的快速设计系统。用户只要对系统输入有限的设计参数，系统便可以快速生成产品模型，并自动进行有限元分析。

[ 关键词 ] ANSYS 液压机 广义模块化 变量化分析 快速设计

本文受天津大学985工程二期项目“大型液压机模块化快速设计和面向制造的CAD/CAPP/CAM系统”课题支持

Generalized Modular Rapid Design of Press Machine

Based on ANSYS

Man Jia, Xu Yanshen, Xin Zhijie, Guo Zhiquan

School of Mechanical Engineering, Tianjin University,300072

[ Abstract ] The nominal pressure and structure of press machine is variety. The design is based upon

the user demand, with restriction of stiffness and intensity. In order to design quickly, a system is developed according to the theory of generalize modular and the technology of parametric design and variational analysis. The parametric CAD/CAE models are established, which cover the whole press machines. The FEM models are established by the language of ADPL. The designers import the parameters and get the model of product and the result of stress and deformation quickly.

[ Keyword ] ANSYS, Press Machine, Generalize Modular, Variational Analysis, Quick Design.

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2006年用户年会论文

1 前言

液压机是产品成型压制的主要机械，其结构和规格变化多样，产品多为个性化设计。根据广义模块化原理，将液压机划分为不同的产品族，对产品进行设计参数划分，创建公称设计模型，当根据用户需求参数，对公称CAD模型定制后，转入ANSYS中进行分析，生成产品设计方案，可缩短产品设计周期和降低设计成本。

2 液压产品广义模块化快速设计原理

2.1广义模块化设计的基本原理

以广义模块为核心的设计方法叫做广义模块化设计。广义模块化设计是传统模块化设

[1]

计的基础上发展而来的。 广义模块分为柔性模块和虚拟模块，柔性模块是参数化的结构

[2]

独立模块，可表达为

-------式(1) Mi=fgq,Pr,hsgq=fPr,hs

()()gq其中， ---模块的结构参数

Pr----载荷，应力，应变等的工程约束

hs----结构材料等的性能参数

M---是一个参数化模型，可根据用户需求参数来定制。 i

由于广义模块的结构定制要符合结构设计动、静特性要求。所以对模型的CAD设计和CAE分析一体化，便成为广义模块化设计的关键技术。

2.2基于广义模块化设计的快速设计原理

传统设计是先进行产品的结构设计，根据CAE分析结果，对结构进行修改。本文提出的广义模块化设计则是对产品进行参数化建模，并用ADPL语言构建的CAE模型，CAD和CAE模型间用数据传输接口连接。当根据用户需求定制模块的CAD模型，CAE模型可自动读入CAD设计参数，便可以快速进行有限元分析。这样就可大大提高产品CAD/CAE的设计分析速度。

拉杆上梁主油缸上滑块立柱移动工作台3 液压机广义模块化建模

3.1液压机模块划分

液压机结构型式多样，常见的有组合框架式、

下梁图1 组合框架式液压机

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整体框架式等。现以常见的组合框架式为例，不管设计参数如何变化，其结构拓扑型式可如图1所示。其结构可分上梁模块、下梁模块、立柱模块和工作台模块等。这些模块都可以建立参数化的柔性模块模型，它们的组合便构成了柔性产品模型。

3.2覆盖产品族框架式液压机公称模型的构建

为构建可覆盖产品族的广义产品模型，把液压机主设计参数工作台面和公称压力按模数进行分级。示例为公比为2的模数建立公称模型，如表1。

表1 组合框架式液压机产品族表（共计37） A（m2）2 …… 25 T（KN） 单缸 μ=1±0.55000 ν=1±0.5K≤1.7 ┊ ┊ …… ┊ μ=1±0.2 100000 …… ν=1±0.2K≤1.8 注：A：工作台有效面积，T：公称压力，k=L/W（长/宽），公称压力范围μT ，工作台有效面积范围νA

…… …… 五缸 公称模型的原型可根据企业已有的产品模型进行典

型化，提炼出一组参数化的设计参数，在给定的模型公称工作台面积及公称压力作用下，用ANSYS软件进行计算分析，并优化结构，做为一个标准参数化模型存放在模块库中，以便设计时调用。当设计时，根据用户产品需求，在模型库中寻找合适的模型，代入相应的用户设计参数，生成CAD模型后，再进入ANSYS中进行CAE分析，设计过程如图2。

需求参数设计参数CAD模型模型合理否？是CAE模型刚度强度满足否？是输出设计方案结束图 2 液压机产品快速设计过程

否3．液压机CAD/CAE模型一体化分析的关键技术

液压机由板材焊接而成，CAE模型由ANSYS提供参数化设计语言-ADPL创建，采用板单元(本系统为shell63)进行分析计算，这样可以减少节点数量和提高分析速度，同时提高了CAE模型的稳定性，避免三维模型自由度多，难于适应参数化分析的技术难题。

液压机CAD/CAE建模一体化的实现、需要CAD模型和

CAE模型的驱动参数数量和参数定义对应一致；模型内各图元的拓扑结构关系对应一致；设计参数在驱动CAD模型的同时，同时能传递给CAE模型。CAE模型是通过文件变量定义部分的

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“PARRES”命令完成读取设计参数的。设计参数在驱动CAD模型同时将设计参数写成文本文件，便于CAE模型文件的读取。模型文件变量定义格式如图3所示。

参数数值对应分为两种情形：一种是驱动CAD模型中某位置的几何尺寸参数,直接驱动ANSYS几何模型对应位置的尺寸值；另一种是驱动CAD模型筋板厚度的参数，与设置该筋板厚度的单元常数相对应。

液压机的结构最大特点是，内部为横竖筋交错结构。为了方便模型的建模，命令流文件的书写，用“K”和“A”命令编写了创建横筋

[4]

和竖筋的宏命令。这些宏命令可避免建模时对坐标系的频繁操作，缩短了ADPL语言文件的长度，提高编写速度。下面为构建横筋板的宏命令，它只需要输入筋板高度，Y坐标，起点和终点的X坐标，就可创建横筋板。

Numcmp,all K,,xStart,yPos,0 ......

*Get,Kmx,KP,0,NUM,MAX A,Kmx3,Kmx-2,Kmx-1,Kmx

图4液压机受力图 [3]

......变量初始值PARRES,CHANGE,in,inpara,.\\......关系型变量图3 CAE模型文件变量定义格式 框架式液压机的主机框架为一封闭受力系统，如图4。在ANSYS中进整机分析时，框架若自由状态直接进行静态求解时，将会出现不稳定的情形。由于液压机结构和载荷对称，引起的变形也对称的特点，施加约束如图5。图6为整机综合变形图，从整机变形可看出，机身转动变形和在XOY面内的滑动变形都没有被限制。上述施加约束方式即使整机变形和实际情况相一致，又可保证求解的稳定性。

图5 约束和加载 四．快速设计实例和结论

基于广义模块化的液压机产品快速设计系统，利用ANSYS提供的强大的分析功能，完成了对液压机设计方案的强度和刚度分析， 可以根据用户的需求快速生成设计方案。图7为一个台面4500×2500，压力2000吨组合框架式液压机的设计实例，表2为系统中上梁的部分初始设计参数和新方案的设计参数对比。有限元分析的结果为整机的最大变形0.84mm，小于最大允许变形1.1mm；最大应力254Mpa率大于许用应力235Mpa，但其为上梁的局部应力集中，由

图6 整机框架变形

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于未考虑焊接中焊缝的圆弧半径，局部应力集中不大于许用应力1/3，故认为满足强度要求。表2为上梁的公称模型和快速设计方案的部分参数。

通过上面的实例，可以看出该系统不仅快速，而且可以保证其设计满足强度和刚度要求的前提下，同时又不至于造成材料的浪费。该系统的CAD/CAE模型库可在使用中可以根据市场的变化情况进行模型的添加和更改；该系统也可为企业保存设计知识和技术。

图7快速设计实例表2 某液压机的快速设计方案

设计参数(mm) 上梁有效长 上梁有效宽 公称模型 快速设计方案

3400 4500

3100 2500

横主筋板厚30 40

上下面板厚50 40

主油缸直径 760 700

[参考文献]

[1]徐丽萍，面向产品族的液压机广义模块化设计研究，天津大学硕士论文，2004 [2]徐燕申，候亮，液压机广义模块设计原理与应用，机械设计，2001（7），1-4

[3]张学玲，徐燕申，模块化CAD模型与有限元模型的数据交换，西南交通大学学报，2003，38（5）：584-587 [4]谭建国，使用ANSYS6.0进行有限元分析，北京：北京大学出版社，2002，364-393

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