渐开线直齿圆柱齿轮的参数化设计APDL命令流.doc

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书资料大小：1.37M 资料格式：doc 举报版权申诉

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摘要

第一章绪论

1.1研究背景

1.2有限元技术及ANSYS简介

1.2.1空间有限元法的基本思想

1.2.2ANSYS简介

1.3本课题研究内容

第二章ANSYS软件的二次开发技术

2.1ANSYS内嵌二次开发技术

2.1.1ANSYS参数化设计语言（APDL）

2.1.2ANSYS用户界面设计语言[4]（UIDL）

2.1.3ANSYS用户可编程特性[5]（UPFs）

2.2基于VC++和ANSYS的开发技术

第三章渐开线齿轮的参数化建模

3.1参数化技术概念

3.2渐开线齿轮的几何特征及分析

3.2.1渐开线齿轮的齿廓描述

3.2.2齿形的几何参数

3.2.3齿轮的结构尺寸

3.3齿轮参数化有限元模型的建立

3.3.1几何模型的建立

3.3.2单元选择及网格划分

3.3.3施加约束和载荷

第四章软件实现及应用

4.1总体设计思路

4.2 ANSYS与VC++的接口技术

4.2.1ANSYS的启动

4.2.2界面程序与ANSYS的参数命令传递接口

4.3界面实现过程

4.3.1图形显示窗口的截取

4.3.2参数设置交互界面的设计

4.4数据文件的建立和保存

4.4.1命令文件的创建

4.4.2常用参数的保存与读取

第五章总结与展望

5.1总结

5.2展望

参考文献

附录：APDL命令流

研究生课程考试成绩单（试卷封面）机械工程学院吴倩专业学号机械制造及其自动化 220090165 现代集成制造系统 2009 年 9 月至 2010 年 3 月周学时 3 学分 3 院系学生姓名课程名称授课时间简要评语考核论题总评成绩（含平时成绩）备注任课教师签名：日期：注：1. 以论文或大作业为考核方式的课程必须填此表，综合考试可不填。“简要评语” 栏缺填无效。 2. 任课教师填写后与试卷一起送院系研究生秘书处。 3. 学位课总评成绩以百分制计分。

现代集成制造系统课程大作业论文题目：基于 VC 与 ANSYS 的齿轮分析系统专业名称：机械制造及其自动化导师姓名：汤文成姓学名：号：吴倩 220090165 2010 年 3 月 6 日

摘要齿轮传动是现代机器和仪器中最重要的传动系统之一。随着FEA（Finite Element Analysis）分析技术蓬勃发展，人们已经开始广泛采用计算机有限元仿真分析的方法校核齿轮强度。但由于齿轮造型及其滚动模拟分析过程太复杂，在ANSYS中直接建模繁琐费时，极大的影响了齿轮有限元分析的推广。为此，本文应用Visual C++ 开发工具将参数化技术和有限元技术融为一体，建立了一个专用的渐开线直齿圆柱齿轮高效分析平台。运用此平台，用户只需输入所需的参数，系统自动建模计算。其优点在于采用有限元法提高了建模分析的准确度，同时简化了其分析过程，避免了大量重复性工作，提高了建模与分析效率。为齿轮的参数化建模提供一种通用、有效的方法，也为解决类似问题提供了一条新途径。论文主要研究的内容包括以下几个方面： 1. 查阅大量国内外有关齿轮分析历史现状的文献资料，深入了解渐开线圆柱齿轮的特征以及 ANSYS 二次开发的基本技术，研究 ANSYS 内嵌的 APDL、UIDL 和 UPFs 三种二次开发技术，并分析其优缺点； 2. 在 ANSYS 中建立渐开线直齿圆柱齿轮的有限元模型，进而得到模型建立的命令流。 3. 结合 Visual C++语言和 ANSYS 软件，探讨 Visual C++语言与 ANSYS 的接口技术，参数传递技术以及界面制作技术，开发出一套实用、方便、可靠的渐开线直齿圆柱齿轮结构的有限元分析平台。 4. 以具体齿轮结构分析为例，检验程序的实用性、可靠性以及移植性。 5. 总结并指出本程序设计的不足，对进一步改进提出展望。关键词：直齿轮渐开线 ANSYS Visual C++ I

目录摘要................................................................................................................................................................I 目录.............................................................................................................................................................. II 第一章绪论.......................................................................................................................................................1 1.1 研究背景 .............................................................................................................................................1 1.2 有限元技术及 ANSYS 简介 ..............................................................................................................1 1.2.1 空间有限元法的基本思想 ......................................................................................................1 1.2.2ANSYS 简介.............................................................................................................................2 1.3 本课题研究内容.................................................................................................................................3 第二章 ANSYS 软件的二次开发技术............................................................................................................4 2.1ANSYS 内嵌二次开发技术 ................................................................................................................4 2.1.1ANSYS 参数化设计语言（APDL）......................................................................................4 2.1.2ANSYS 用户界面设计语言[4]（UIDL）................................................................................5 2.1.3ANSYS 用户可编程特性[5]（UPFs）.................................................................................... 5 2.2 基于 VC++和 ANSYS 的开发技术.................................................................................................. 6 第三章渐开线齿轮的参数化建模 ...................................................................................................................8 3.1 参数化技术概念.................................................................................................................................8 3.2 渐开线齿轮的几何特征及分析.........................................................................................................8 3.2.1 渐开线齿轮的齿廓描述 ..........................................................................................................8 3.2.2 齿形的几何参数 ....................................................................................................................10 3.2.3 齿轮的结构尺寸 ....................................................................................................................10 3.3 齿轮参数化有限元模型的建立.......................................................................................................11 3.3.1 几何模型的建立 ....................................................................................................................11 3.3.2 单元选择及网格划分 ............................................................................................................13 3.3.3 施加约束和载荷 ....................................................................................................................14 第四章软件实现及应用 .................................................................................................................................15 4.1 总体设计思路 ...................................................................................................................................15 4.2 ANSYS 与 VC++的接口技术 ..........................................................................................................16 4.2.1ANSYS 的启动.......................................................................................................................16 4.2.2 界面程序与 ANSYS 的参数命令传递接口........................................................................ 17 4.3 界面实现过程 ...................................................................................................................................19 4.3.1 图形显示窗口的截取 ............................................................................................................19 4.3.2 参数设置交互界面的设计 ....................................................................................................21 4.4 数据文件的建立和保存 ...................................................................................................................22 4.4.1 命令文件的创建 ....................................................................................................................22 4.4.2 常用参数的保存与读取 ........................................................................................................23 第五章总结与展望 .........................................................................................................................................25 5.1 总结 ...................................................................................................................................................25 5.2 展望 ...................................................................................................................................................25 参考文献 .........................................................................................................................................................26 附录：APDL 命令流 ..................................................................................................................................... 27 II

现代集成制造系统第一章绪论 1.1 研究背景齿轮传动是现代机器和仪器中最重要的一种传动，特别是渐开线圆柱齿轮已成为机械传动量大而广的基础零部件。其制造容易，传动平稳，传递速度稳定，传动比准确，广泛应用于汽车、拖拉机、机床、电力、冶金、矿山、工程、起重运输、船舶、机车、农机、轻工、建工、建材和军工等领域中。但从零件失效[1]情况来看，齿轮也是最容易出故障的零件之一。齿轮传动在运行工况中常常会发生轮齿折断、齿面磨损、齿面点蚀等问题。导致传动性能失效，进而引发严重的生产事故。据统计，在各类机械故障中齿轮失效就占总数的 60%以上。因而有必要对齿轮的强度性能进行合理的评估并优化其设计。目前在机械行业中，缺乏一款高效专用齿轮设计计算软件，很多时候只是采用手工计算、取大概的数值。对于一些比较复杂的齿轮来说，制造出来的齿轮存在误差较大。而传统的设计方法是依据经验用类比法，结合查表及大量繁杂的公式计算，这样的方法一是工作量大，二是不可能对各参数进行优化及筛选，很难保证齿轮设计的最优化。随着计算机技术的日益普及和 FEA 分析技术蓬勃发展，ANSYS 作为有限元分析的主流软件在工程中的应用日益成熟和广泛。人们已经开始广泛采用计算机有限元仿真分析的方法来作为齿轮强度校核的方法。但由于齿轮造型及其滚动模拟分析过程太复杂，极大地影响了齿轮有限元分析的应用。多数使用者认为：对于复杂的几何模型，在 ANSYS 中直接建模繁琐费时。因此 ANSYS 提供了同大多数 CAD 软件的接口[2]，如 AutoCAD、Pro/e、UG 等，并可将模型通过 IGES、SAT、ANF 等图形数据格式导入，以减少建模的周期，提高建模效率。但在外部数据导入的同时，由于数据的兼容性等问题，有时并不是很理想，容易引起模型的变异和数据的丢失。这就影响了有限元分析的精确度，甚至导致分析结果的错误。针对这种情况，出现了参数化建模[3]的思想，即利用 ANSYS 提供的一种有效的参数化设计语言 APDL 对其进行二次开发[4]。编写并调用 APDL 语言后，设计人员只需输入相关参数，程序就会自动运行 ANSYS 批处理程序进行运算。但是完全使用 APDL 编写的程序也存在一些不足：程序结构不清晰，很难掌控程序的进程；难以设计出交互性好、操作方便的程序界面等。随着市场经济的快速发展，生产厂家越来越注意产品竞争力的提升。由于先进制造技术和管理工具的普及，使得产品制造质量的区别变得并不明显，而设计质量变得尤为重要。因此，采用现代设计理论改进其设计方法来提升其产品的功能和质量，从而进一步增强自身竞争力，是一个急待解决的问题。 1.2 有限元技术及 ANSYS 简介 1.2.1 空间有限元法的基本思想运用结构力学的计算方法，把一个连续的、有无限多个自由度的弹性体转换为一个离散的结构体系，这个结构体系由有限多个有限大小的构件在有限多个节点相互联系而成，这些有限大小的构件就称为有限单元，简称有限元[5]。单元之间仅靠节点连接，单元内部点的待求物理量通过选定的函数关系插值得到。由于单元形状简单，易于由平衡关系或能量关系建立节点量之间的方程式，然后将各个单元方程“装配”在一起而形成总体代数方程组，计入边界条件后即可对方程组求解，这是有限单元法的求解思路。运用有限元法求解问题的步骤主要有三步： 1

现代集成制造系统 1. 单元离散化，即把整体分割成有限多个简单的小单元体，各单元体之间仅靠节点连接； 2. 单元分析，单元分析的任务就是要形成各个单元的单元刚度矩阵，建立平衡方程； 3. 整体分析，整体分析的任务就是在单元刚度矩阵的基础上形成总体刚度矩阵，以便建立整个结构的平衡方程。求解方程，得到各节点的位移，再根据节点位移求出单元应力和应变。程序流程如下图 1-1。图 1-1 有限元计算流程 1.2.2ANSYS 简介在目前的大型通用有限元分析软件中，美国的 ANSYS 软件[6]是最为通用有效的商业有限元软件之一。其强大的分析功能、友好的操作界面以及广泛的应用领域使得该软件越来越受到瞩目。其分析计算的基本流程如图 1-2 所示。 ANSYS 在机械领域主要用于确定结构在载荷作用下的静力、动力、热和流动等行为，研究结构的强度、刚度以及稳定性等问题，较常见的有以下几类： 1. 强度、刚度问题。分析结构在静态和动态外载荷作用下的应力和应变，评估其安全性，避免结构的断裂破坏。该类问题主要涉及 ANSYS 的结构分析模块，可以考虑结构的线性及非线性特性。例如，大变形、应力刚化、接触、塑性、超弹性及蠕变等。 2. 振动、噪声问题。研究结构的振动特性，以及在随时间变化载荷作用下的动态响应，以寻求隔振、降噪的解决方案。该类问题主要涉及 ANSYS 的动力学、声学分析模块。 3. 热、热变形问题。分析物体在热源作用下的稳态和瞬态温度分布，以及该温度分布下结构的热变形，以获取该结构的热力学性能，校验是否能达到设计的要求。该类问题主要涉及 ANSYS 的热、热--结构耦合分析模块。 2

现代集成制造系统图 1-2 ANSYS 分析计算的基本流程 1.3 本课题研究内容本论文通过对齿轮分析现状的探讨，得出目前在齿轮设计计算中尚存在这样或那样一些不足。为了弥补这些不足，本文提出了用 Visual C++ 开发工具将参数化技术和有限元技术融为一体[7]，借助 VC 开发出友好、方便、易用的程序交互界面，建立了一个专用的渐开线直齿圆柱齿轮分析平台。运用这个平台，用户只需输入渐开线直齿圆柱齿轮相关参数，就可进行自动建模和有限元分析。本文主要包括以下几个内容： 1. 查阅大量国内外有关齿轮设计计算历史现状的文献资料，了解渐开线直齿圆柱齿轮计算分析的发展现状及优缺点； 2. 综述 ANSYS 二次开发的基本技术，研究 ANSYS 内嵌的 APDL、UIDL 和 UPFs 三种二次开发技术，并分析其优缺点； 3. 利用 APDL 建立渐开线直齿圆柱齿轮的有限元模型，作为参数化建模的基础，也为渐开线直齿圆柱齿轮分析平台的建立做准备； 4. 利用 Visual C++2008 开发平台研究基于 VC++的 ANSYS 二次开发技术，探讨 VC++语言与 ANSYS 的接口技术，参数传递技术，与 ANSYS 软件的数据通讯技术以及界面制作技术等，开发出一套实用、方便、可靠的渐开线直齿圆柱齿轮结构的有限元分析平台； 5. 检验程序的可靠性，移植性和实用性； 6. 指出本程序设计的不足，对进一步改进提出展望。本论文研究有以下优点： 1. 采用有限元法提高了设计计算的准确度，增强了产品的可靠性； 2. 简化了其分析过程，避免了大量重复性工作，从而加快了分析速度缩短了产品的研发周期； 3. 界面友好，方便用户操作。 3

现代集成制造系统第二章 ANSYS 软件的二次开发技术 ANSYS 的二次开发都是针对某个具体的领域或行业中某个具体的问题，目的是使分析更加方便、易于操作、易于得到要关心的结果。在实际中，某些类型的结构类似于标准件。对于不同的型号，只有某些尺寸或特征存在变化，多数尺寸的变化具有规律性。对于这种类型的结构，已经开发出了一些参数化的 ANSYS 二次开发系统。渐开线圆柱齿轮的结构规则，基于 ANSYS 的二次开发技术设计的分析系统，将有效提高计算效率，降低成本。目前各种 ANSYS 二次开发分为以下几个方面： 1. 根据行业需求对 ANSYS 交互式界面进行设计。例如 ANSYS 没有直接对铆钉进行有限元分析的菜单和对话框，为了满足分析问题的需要，在 ANSYS 中添加铆钉有限元分析对应的菜单和对话框。使用时，只需点击对应的菜单并按照对话框的要求输入所需参数即可得到铆钉有限元模型和分析结果。 2. 将 ANSYS 软件与其他的大型软件，通过 Delphi 之类的高级编程语言通过各自接口结合起来进行综合应用。例如换热器法兰模型，AutoCAD 有较好扩展性，利用其图形库及其相关的 API 函数生成的几何模型，通过接口传入 ANSYS，形成其分析程序的计算模型，以便结构设计师对其进行结构分析和优化设计。 3. 对于复杂的工程结构物，建立一个合理的模型会占去绝大部分工作时间和精力，另外大量重复、类似的模型建立对于研究人员而言也是一种枯燥而繁重的体力劳动。利用 APDL 这样一个参数化的有限元建模工具，并与 VC 结合，将某一类型的模型进行封装，可以减轻大量的建模工作。 2.1ANSYS 内嵌二次开发技术 ANSYS 软件自身提供三种二次开发技术，它们分别是参数设计语言 APDL、用户图形界面设计语言 UIDL 以及用户可编程特性 UPFs。这三种方式分别针对 ANSYS 二次开发的不同功能，例如 APDL 语言主要实现将 ANSYS 软件从建模、加载分析到求解这一全过程进行参数化，并生成参数化命令流，通过将这些命令流直接导入 ANSYS 中可以实现 ANSYS 的自动分析求解；UIDL 则主要是针对 ANSYS 软件的窗口界面修改的语言；UPFs 功能则更为强大，可以帮助 ANSYS 建立开发系统。 2.1.1ANSYS 参数化设计语言（APDL）与所有的有限元软件的分析过程类似，ANSYS 软件的标准分析过程包括：建立分析模型并施加边界条件、求解计算和结果分析。对于一个复杂模型对其进行修改后重新分析时，若仍按照上述步骤来做，其过程是相当繁杂和费时的。为了解决这个问题，ANSYS 提供了一种以命令流方式进行分析的功能，即 ANSYS 参数化设计语言 APDL。 APDL[8]是一门可用来自动完成有限元常规分析操作或通过参数化变量方式建立分析模型的脚本语言，用于建立智能化分析的手段为用户提供自动完成有限元分析过程。即程序的输入可设定为根据指定的函数、变量以及选用的分析类型来做决定，对任何设计或分析属性有控制权，如分析模型的尺寸、材料的性能、载荷、边界条件施加的位置和网格的密度等。APDL 扩展了传统有限元分析的范围，并扩展了更高级运算包括灵敏度研究、零件库参数化建模、设计修改和设计优化等。为用户控制任何复杂计算的过程提供了极大的方便。它实质上由程序设计语言部分和 1000 多条 ANSYS 命令组成。其中，程序设计语言部分与其它编程语言一样，具有参数、数组表达式、函数、流程控制(循环与分支)、重复执行命令、缩写、宏以及用户程序[9]等。标准的 ANSYS 程序运行是由 1000 多条命令驱动的，这些命令可以写进程序设计 4

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