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摘 要：液壓機是制品成型壓制的主要加工機，其規格、結構形式多樣，均要根據用戶的需求定制設計，并有嚴格的剛度和強度要求。為了快速設計不同結構，不同精度要求的液壓機，把CAD參數化設計和有限元變量化分析相結合，應用廣義模塊化設計原理和方法，開發了一個基于ANSYS平臺的液壓機產品廣義模塊化快速設計系統。根據廣義模塊化模型的參數化特點，使用ANSYS軟件ADPL語言對參數化結構模塊進行有限元建模，根據用戶需求的液壓機尺寸和工程壓力，構建一定數量的參數化的CAD/CAE模型，開發覆蓋常用參數液壓機的快速設計系統。用戶只要對系統輸入有限的設計參數，系統便可以快速生成產品模型，并自動進行有限元分析。
關鍵詞：ANSYS 液壓機 廣義模塊化 變量化分析 快速設計

本文受天津大學985工程二期項目“大型液壓機模塊化快速設計和面向制造的CAD/CAPP/CAM系統”課題支持

1 前言

液壓機是產品成型壓制的主要機械，其結構和規格變化多樣，產品多為個性化設計。根據廣義模塊化原理，將液壓機劃分為不同的產品族，對產品進行設計參數劃分，創建公稱設計模型，當根據用戶需求參數，對公稱CAD模型定制后，轉入ANSYS中進行分析，生成產品設計方案，可縮短產品設計周期和降低設計成本。

2 液壓產品廣義模塊化快速設計原理

2.1廣義模塊化設計的基本原理

以廣義模塊為核心的設計方法叫做廣義模塊化設計。廣義模塊化設計是傳統模塊化設計的基礎上發展而來的[1]。 廣義模塊分為柔性模塊和虛擬模塊，柔性模塊是參數化的結構獨立模塊，可表達為[2]

其中，gq---模塊的結構參數
Pr----載荷，應力，應變等的工程約束
hs----結構材料等的性能參數
Mi---是一個參數化模型，可根據用戶需求參數來定制。

由于廣義模塊的結構定制要符合結構設計動、靜特性要求。所以對模型的CAD設計和CAE分析一體化，便成為廣義模塊化設計的關鍵技術。

2.2基于廣義模塊化設計的快速設計原理

傳統設計是先進行產品的結構設計，根據CAE分析結果，對結構進行修改。本文提出的廣義模塊化設計則是對產品進行參數化建模，并用ADPL語言構建的CAE模型，CAD和CAE模型間用數據傳輸接口連接。當根據用戶需求定制模塊的CAD模型，CAE模型可自動讀入CAD設計參數，便可以快速進行有限元分析。這樣就可大大提高產品CAD/CAE的設計分析速度。

3 液壓機廣義模塊化建模

3.1液壓機模塊劃分

液壓機結構型式多樣，常見的有組合框架式、整體框架式等。現以常見的組合框架式為例，不管設計參數如何變化，其結構拓撲型式可如圖1所示。其結構可分上梁模塊、下梁模塊、立柱模塊和工作臺模塊等。這些模塊都可以建立參數化的柔性模塊模型，它們的組合便構成了柔性產品模型。

3.2覆蓋產品族框架式液壓機公稱模型的構建

為構建可覆蓋產品族的廣義產品模型，把液壓機主設計參數工作臺面和公稱壓力按模數進行分級。示例為公比為2的模數建立公稱模型，如表1。

注：A：工作臺有效面積，T：公稱壓力，k=L/W（長/寬），公稱壓力范圍μT ，工作臺有效面積范圍νA

公稱模型的原型可根據企業已有的產品模型進行典型化，提煉出一組參數化的設計參數，在給定的模型公稱工作臺面積及公稱壓力作用下，用ANSYS軟件進行計算分析，并優化結構，做為一個標準參數化模型存放在模塊庫中，以便設計時調用。當設計時，根據用戶產品需求，在模型庫中尋找合適的模型，代入相應的用戶設計參數，生成CAD模型后，再進入ANSYS中進行CAE分析，設計過程如圖2。

3．液壓機CAD/CAE模型一體化分析的關鍵技術

液壓機由板材焊接而成，CAE模型由ANSYS提供參數化設計語言-ADPL創建，采用板單元(本系統為shell63)進行分析計算，這樣可以減少節點數量和提高分析速度，同時提高了CAE模型的穩定性，避免三維模型自由度多，難于適應參數化分析的技術難題。

液壓機CAD/CAE建模一體化的實現、需要CAD模型和CAE模型的驅動參數數量和參數定義對應一致；模型內各圖元的拓撲結構關系對應一致；設計參數在驅動CAD模型的同時，同時能傳遞給CAE模型。CAE模型是通過文件變量定義部分的“PARRES”命令完成讀取設計參數的[3]。設計參數在驅動CAD模型同時將設計參數寫成文本文件，便于CAE模型文件的讀取。模型文件變量定義格式如圖3所示。

圖3 CAE模型文件變量定義格式

參數數值對應分為兩種情形：一種是驅動CAD模型中某位置的幾何尺寸參數,直接驅動ANSYS幾何模型對應位置的尺寸值；另一種是驅動CAD模型筋板厚度的參數，與設置該筋板厚度的單元常數相對應。

液壓機的結構最大特點是，內部為橫豎筋交錯結構。為了方便模型的建模，命令流文件的書寫，用“K”和“A”命令編寫了創建橫筋和豎筋的宏命令[4]。這些宏命令可避免建模時對坐標系的頻繁操作，縮短了ADPL語言文件的長度，提高編寫速度。下面為構建橫筋板的宏命令，它只需要輸入筋板高度，Y坐標，起點和終點的X坐標，就可創建橫筋板。

Numcmp,all
K,,xStart,yPos,0
......
*Get,Kmx,KP,0,NUM,MAX
A,Kmx3,Kmx-2,Kmx-1,Kmx

框架式液壓機的主機框架為一封閉受力系統，如圖4。在ANSYS中進整機分析時，框架若自由狀態直接進行靜態求解時，將會出現不穩定的情形。由于液壓機結構和載荷對稱，引起的變形也對稱的特點，施加約束如圖5。圖6為整機綜合變形圖，從整機變形可看出，機身轉動變形和在XOY面內的滑動變形都沒有被限制。上述施加約束方式即使整機變形和實際情況相一致，又可保證求解的穩定性。

圖4 液壓機受力圖

圖5 約束和加載

圖6 整機框架變形

四．快速設計實例和結論

基于廣義模塊化的液壓機產品快速設計系統，利用ANSYS提供的強大的分析功能，完成了對液壓機設計方案的強度和剛度分析， 可以根據用戶的需求快速生成設計方案。圖7為一個臺面4500×2500，壓力2000噸組合框架式液壓機的設計實例，表2為系統中上梁的部分初始設計參數和新方案的設計參數對比。有限元分析的結果為整機的最大變形0.84mm，小于最大允許變形1.1mm；最大應力254Mpa率大于許用應力235Mpa，但其為上梁的局部應力集中，由于未考慮焊接中焊縫的圓弧半徑，局部應力集中不大于許用應力1/3，故認為滿足強度要求。表2為上梁的公稱模型和快速設計方案的部分參數。

圖7 快速設計實例

通過上面的實例，可以看出該系統不僅快速，而且可以保證其設計滿足強度和剛度要求的前提下，同時又不至于造成材料的浪費。該系統的CAD/CAE模型庫可在使用中可以根據市場的變化情況進行模型的添加和更改；該系統也可為企業保存設計知識和技術。

表2 某液壓機的快速設計方案

[參考文獻]
[1]徐麗萍，面向產品族的液壓機廣義模塊化設計研究，天津大學碩士論文，2004
[2]徐燕申，候亮，液壓機廣義模塊設計原理與應用，機械設計，2001（7），1-4
[3]張學玲，徐燕申，模塊化CAD模型與有限元模型的數據交換，西南交通大學學報，2003，38（5）：584-587
[4]譚建國，使用ANSYS6.0進行有限元分析，北京：北京大學出版社，2002，364-393