Ansys Workbench二次开发的门座起重机参数化设计

张 鹏 肖汉斌 祝 锋 刘 敏
武汉理工大学物流工程学院 武汉 430063

摘 要：针对传统四连杆门座起重机设计分析中的大量相似性建模和校核再设计步骤使其设计效率低下的问题，
提出了一种基于Ansys Workbench 二次开发的门座起重机参数化设计方法。该方法基于Ansys Workbench 软件，
VB.NET 语言和APDL 参数化设计语言，实现了输入指定参数即可实现门座起重机的自动建模和有限元分析功能，加
快了信息交汇速度，缩短了校核再设计过程，提高了起重机设计效率。
关键词：门座起重机；Ansys Workbench；二次开发；参数化设计
中图分类号：TH213.4 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2020）01-0084-04

0 引言
Ansys Workbench 有限元分析软件是Ansys 软件的新一代产品，可用来求解静力学、动力学、流体、电磁场等问题[1]，其标准分析过程包括建立分析模型并施加边界条件、求解计算和结果分析等[2]。目前，为缩短产品开发周期、缩减研发费用，大多数起重机厂及零部件厂在研发过程中均广泛使用有限元分析软件。

传统门座起重机设计方案是利用CAD 系统对产品进行三维实体建模，再将模型导入到CAE 系统中进行有限元分析，得出所需的分析结果[3]。基于该分析结果，对起重机结构进行再次优化设计和有限元校核，如此反复直至达到设计要求。在该过程中，软件CAD 与CAE之间的信息交汇不仅耗时，还可能出错，致使设计效率大幅降低，从而延长产品设计周期。针对结构形式相同，相关尺寸不同的门座起重机参数化建模及结构分析问题[4]，本文提出参数化设计方法，采用了VB.NET 语言对Ansys Workbench 进行二次开发，利用APDL 语言进行参数化编程，构建交互式、参数式设计分析界面，实现快速建模及有限元分析验算。整个建模分析过程简便，易操作，对开发人员专业水平要求较低，可提高设计效率，缩短研发周期[5]。

1 Ansys Workbench 二次开发

1.1 二次开发语言选择

Visual Basic.NET 是基于微软.NET Framework 之上，可视化、完全面向对象的编程语言，习惯称之为VB.NET 语言[6]。与VB 相比，VB.NET 具有真正面向对象的程序设计、软件集成开发、事件驱动功能、数据库访问功能、结构化程序语言设计、支持对象的链接与嵌入及动态交换与链接等功能特点。基于这些优点，VB.NET 受到了很多程序设计者的青睐，其中就包括利用VB.NET 对Ansys Workbench 进行二次开发。

1.2 APDL 参数化设计语言
APDL（Ansys Parametric Design Language） 主要用于有限元分析的参数化设计过程中，亦即Ansys 参数化设计语言[7]。APDL 语言是用来自动完成某些功能或建模的一种脚本语言, 它是对Ansys 及其附属产品如Ansys Workbench 进行定制和二次开发的基础。APDL语言可用参数而不是数字来输入模型尺寸、材料参数等，通过修改参数的值便可得到同类型不同型号产品的有限元分析结果，获得结果文件。因此，利用APDL 语言可以方便地实现模型的参数化。

1.3 二次开发程序流程
Ansys Workbench 可与CAD 系统无缝连接，具有更加友好的Windows 风格用户界面和统一开发管理CAE 信息工作环境，且用户定制功能更加优越。AnsysWorkbench 具有很好的集成框架，用户可利用完善的开发包对其进行二次开发，能够实现用户利用其他编程软件对其内部函数进行调用的功能[8]。

在Workbench 的CAD/CAE 协同环境下，可实现设计、仿真和实验的协同开发。门座起重机参数化设计与分析流程如图1 所示，根据具体的产品需求输入相关参数，运行VB.NET 程序调用Ansys Workbench，执行建模和分析程序，得到分析结果；然后根据分析结果判定是否需要修改参数再次运行程序，直至获得所要的结果。

图1 门座起重机参数化设计与分析流程

1.4 门座起重机模型的简化和边界条件分析
刚性四连杆门座起重机的结构复杂，在建立有限元模型过程中若将所有因素都考虑进去势必会造成资源浪费，导致产品设计的经济性和实用性大大降低。为此，在合理假设的基础上，应对其进行结构简化，使有限元模型应满足既有利于有限元分析，又能较真实地反映实际工作状况的准则。

1）整机结构包括圆筒、转台、立柱及平衡梁、臂架和象鼻架等主承力结构，这些部分均由钢板焊接而成。其中，门架、平衡梁、臂架和象鼻架主梁简化为等截面或变截面箱形梁结构；立柱、象鼻架除主梁外结构均简化为等截面或变截面工字钢梁结构。

2）主承载构件中的圆筒、小拉杆为环形截面结构，大拉杆为实心圆截面或方形截面结构，故建模模拟时均简化为梁单元。

3）机器房内起升机构、回转机构、电气系统等结构对整机影响较小，均以质量点的形式加于转台上其固定位置。

4）机器房外框及司机室质量比整机质量小，且机器房外框和司机室形状与大小对整机结构均无影响，可忽略不计。

5）大车运行机构与轨道接触，其结构形式及质量对整机机构分析无影响，变幅机构重心位于回转中心线上，对整机结构亦无影响，均可忽略。经上述简化过程后，刚性四连杆门座起重机参数化设计简化模型图如图2 所示。该简化设计模型图由66个点、81 条线构成，共需要36 个结构尺寸参数。

图2 刚性四连杆门座起重机参数化设计模型简图

2 门座起重机参数化建模与分析
APDL 参数化设计语言参数化建模与分析的强大功能使得门座起重机自动建模与分析成为可能。根据门座起重机金属结构和分析结果的要求，运用APDL 语言对其特征尺寸进行描述，通过参数的改变来表现其建模和分析过程，从而实现门座起重机参数化建模与分析。参数化结构静力学分析过程为：参数输入→模型建立及分析→结构分析结果显示。由于主要结构及截面参数众多，在界面设计时可将二者的输入截面分开设计，界面分为主要结构参数、截面参数、建模分析和结果显示等4 部分，并使用TabControl 控件将这4 部分集成于同一个窗体中。主要结构参数输入界面分为参数输入区和主要结构尺寸示意图等部分，为了提高设计效率，在此只选择主要结构进行参数化，主要结构尺寸示意图显示了需要输入的参数，如图3 所示。

图3 主要结构尺寸参数输入界面

在截面参数输入界面中，将整机结构分成圆筒门架、转台人字架、平衡梁和臂架系统等4 个构件组，置于两个不同的二级TabControl 控件下，每个控件组参数输入框的旁边均有相应的截面参数说明图，并在第一个二级TabControl 控件内另放置有箱形及工字型标准截面的参数位置关系说明图，如图4 所示。

图4 截面参数输入界面

建模分析界面分为工况选项设置框和Workbench 模型展示区两部分。在工况设置框中，需设定幅度、臂架与轨道相对位置以确定模型中臂架方向及象鼻梁顶点位置；输入起升载荷、死配重质量、风压及风向、货物偏摆及相关载荷系数，完成工况定义；点击“模型建立”按钮，由VB.NET 在后台自动调用Workbench 进行结构参数化建模 。执行完建模程序以后可以通过点击模型查看框架内各部件按钮，在Workbench 模型展示区生成相应结构有限元模型，如图5 所示。

图5 建模分析界面

结果显示界面由结果显示区、显示控制选项框和数据显示区等组成。显示区显示应力云图和变形图，显示控制选项框可设置显示的结构部分（如整机），显示视角可选择显示的视角（如等轴测）, 以及导出模型和分析报告。而在数据显示区则显示相应部件的最大最小位移和最大最小应力数值，如图6 所示。

图6 结果显示界面

3 小结
利用有限元分析软件Ansys Workbench 的APDL 参数化设计语言，对刚性四连杆门座起重机进行了参数化设计与分析。通过整机结构和截面尺寸参数化设计，既可得到门座起重机的三维模型，又能实现模型的有限元分析，为后续结构优化设计提供支撑。该门座起重机参数化建模及分析系统只需在自定义用户界面中完成参数的输入即可自动调用相关程序得到建模与分析结果，免去了重复建模和有限元分析等步骤，提高了设计效率，缩短了新产品的研发周期。此外，从软件界面可以看出，即使是不熟悉甚至是未曾学过Workbench 的用户都可以进行此类产品的有限元分析，得到精确的分析结果。对于外形相似、不同参数的四连杆门座起重机设计，可以通过简单的操作一劳永逸地解决问题。

参考文献
[1] 赵博妍. 基于有限元分析的门座起重机门架及转台人字架系统研究[D]. 天津：天津大学，2013.
[2] 李相国. 基于有限元理论优化设计梁式抽油机结构件[J].机械工程师，2016(9)：201-203.
[3] 撒文奇. 基于三维设计方法的重力坝CAD/CAE 集成设计平台研究与开发[D]. 天津：天津大学，2010.
[4] 韩晓君，赵鹏. 新型壁行式起重机参数化建模分析方法[J]. 起重运输机械，2014(3)：28-32.
[5] 刘洋，乔领干，陈启军. 基于APDL 的渐开线直齿轮参数化建模与接触分析[J]. 机械设计与制造，2013(3)：4-6.
[6] 曹胜强. 基于VB.NET 的超声C 扫特征成像系统研发[D].南京：南昌航空大学，2018.
[7] 冯强，仲梁维，李磊.Ansys Workbench 仿真平台在支架优化设计中的应用[J]. 软件导刊，2017，16(11)：172-175，239.
[8] 涂维青. 基于Ansys Workbench 的注塑模具刚强度分析系统开发[D]. 郑州：河南工业大学，2013.