結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在工程機(jī)械領(lǐng)域有著舉足輕重的地位。在工程機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，由于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和力傳遞的不確切性，對于結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等力學(xué)特性很難獲得一個精確的解析解。CAE(Computed Aided Engineer)分析技術(shù)因在工程機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度分析方面有較高的計(jì)算精度而在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中被普遍采用。使用CAE技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，其計(jì)算結(jié)果為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支持和理論指導(dǎo)，可以保證在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段就得到比較合理的結(jié)構(gòu)形式，縮短設(shè)計(jì)和分析的循環(huán)周期，提高分析的準(zhǔn)確性和結(jié)構(gòu)的可靠性以及整機(jī)工作性能。通過對ANSYS二次開發(fā)，本文對汽車汽重機(jī)CAE平臺開發(fā)進(jìn)行了介紹。

　　1 汽車起重機(jī)CAE平臺的基本框架

　　該CAE平臺是以ANSYS有限元軟件為計(jì)算基礎(chǔ)，通過Visual Basic 6.0語言形成程序的界面系統(tǒng)和實(shí)現(xiàn)程序的調(diào)用。下圖1是基于ANSYS利用Visual Basic 6.0編程語言進(jìn)行二次開發(fā)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。用戶在平臺界面輸入結(jié)構(gòu)尺寸、載荷條件、邊界條件等參數(shù)，即可自動生成ANSYS的命令流文件，然后通過VB程序調(diào)用后臺的ANSYS命令流進(jìn)行計(jì)算，ANSYS再把計(jì)算結(jié)果根據(jù)用戶要求形成結(jié)果分析報告返回給設(shè)計(jì)人員，設(shè)計(jì)人員對結(jié)果進(jìn)行分析，調(diào)整參數(shù)，達(dá)到結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)計(jì)算和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

　　平臺設(shè)計(jì)的主要原則和功能如下。

　　1)方便實(shí)用原則，即程序模塊應(yīng)具有良好的用戶界面和易用性，同時還應(yīng)具有良好的容錯和糾錯能力，避免用戶操作不當(dāng)造成損失。

　　2)程序系統(tǒng)能夠?yàn)橛脩籼峁┮韵鹿δ埽孩僭试S用戶根據(jù)實(shí)際情況，輸入特定的計(jì)算參數(shù);②用戶在輸入各種參數(shù)以后，進(jìn)行計(jì)算之前可以對輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行修改、添加和刪除等操作，同時對數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性檢查，無效的數(shù)據(jù)給予提示，并提示用戶重新輸入，對于重要數(shù)據(jù)則要求用戶確認(rèn)，界面系統(tǒng)才作更新，以此來保證參數(shù)輸入的正確性;③通過界面調(diào)用后臺的ANSYS命令流進(jìn)行有限元分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算，能夠得到最后的計(jì)算結(jié)果文件，供用戶進(jìn)行結(jié)果分析。

　　3)程序應(yīng)具有良好的可移植性，不依賴于特定的硬件設(shè)備，能安裝ANSYS和VB6.0的硬件環(huán)境都能使用本系統(tǒng)，保證程序使用的廣泛性。

　　圖1 CAE平臺結(jié)構(gòu)圖

　　2 CAE平臺內(nèi)部程序系統(tǒng)框架

　　由于VB采用事件編程，因此平臺內(nèi)部程序的系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)尤為重要。為此，首先建立平臺的工作界面，即整個應(yīng)用程序的主界面。程序的主界面是由VB的MDI窗體生成。在MDI窗體里面包括平臺的主菜單以及各個結(jié)構(gòu)的子文件的調(diào)用。

　　程序系統(tǒng)主要由用戶界面前處理、調(diào)用ANSYS分析計(jì)算和優(yōu)化設(shè)計(jì)、后處理三個部分組成。這三個基本部分存在嚴(yán)格的順序關(guān)系，即：先進(jìn)行前處理，再進(jìn)行分析計(jì)算，然后進(jìn)行后處理。用戶可以借助界面系統(tǒng)的功能在三部分之間切換進(jìn)行數(shù)據(jù)查看;在整個操作過程中，用戶見到的始終只是一個界面，而不必理會數(shù)據(jù)的格式、數(shù)量、計(jì)算的過程等，保證每個熟悉結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)人員都能很方便地使用。

　　在用戶界面前處理中，可以定義汽車起重機(jī)吊臂、轉(zhuǎn)臺、車架、支腿等結(jié)構(gòu)件的幾何參數(shù)。各個部套可以分別進(jìn)行參數(shù)輸入，也可以進(jìn)行整車的參數(shù)輸入，從而實(shí)現(xiàn)部套計(jì)算和整車計(jì)算的功能。

　　參數(shù)設(shè)定完成后，通過VB的輸出命令，生成ANSYS可直接執(zhí)行的命令流文本文件。再調(diào)用ANSYS軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析。結(jié)果后處理過程在后臺運(yùn)行，VB界面上呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖、位移云圖，得到結(jié)構(gòu)的結(jié)果分析報告。

　　根據(jù)得到的結(jié)果分析報告，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)主要通過對結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，然后再調(diào)用ANSYS進(jìn)行受力分析，得到調(diào)整下結(jié)構(gòu)的結(jié)果分析報告。整個過程可以不斷進(jìn)行，直到得到優(yōu)化的結(jié)構(gòu)形式。

　　3 結(jié)構(gòu)的參數(shù)化建模

　　結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模是整個CAE平臺的核心，結(jié)構(gòu)參數(shù)的選定決定CAE平臺的通用性和分析結(jié)果的正確性。結(jié)構(gòu)參數(shù)的提取是參數(shù)化建模的基礎(chǔ)，關(guān)鍵是選取能表述結(jié)構(gòu)幾何特征的主要參數(shù)。一般地說，結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)包括長、寬、高、關(guān)鍵點(diǎn)、連接條件、板厚、型材截面積、材料與物理特性、載荷工況等。

　　汽車起重機(jī)是由吊臂、轉(zhuǎn)臺、車架、支腿等幾個主要承力結(jié)構(gòu)件組成的。在由APDL語言組織構(gòu)成的命令流文件中包含了它們相應(yīng)的參數(shù)模塊。這些參數(shù)模塊的任何參數(shù)值的改變，都會引起有關(guān)結(jié)構(gòu)件的有限元模型的改變，也就引起整個結(jié)構(gòu)的改變。系列化的產(chǎn)品便是這些參數(shù)的系列變化。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)便是這些參數(shù)的合理匹配及優(yōu)化。

　　下面就汽車起重機(jī)吊臂進(jìn)行參數(shù)化建模。其中參數(shù)為吊臂筒體的寬度，參數(shù)為吊臂筒體的高度，為吊臂上蓋板兩圓弧切點(diǎn)的距離，為吊臂下蓋板圓弧點(diǎn)到立板的高度，為吊臂下圓弧的半徑，為吊臂上圓弧的半徑，分別為吊臂上下蓋板的厚度。如圖2所示。

　　圖2 吊臂截面參數(shù)定義

　　通過對截面參數(shù)的定義，在結(jié)構(gòu)建模時，只要輸入不同的參數(shù)值就可以得到吊臂不同的結(jié)構(gòu)，這為結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)成為可能。目前中聯(lián)已經(jīng)完成了汽車起重機(jī)吊臂、轉(zhuǎn)臺、車架、支腿以及整車的參數(shù)化建模，可以通過該CAE平臺調(diào)用ANSYS直接運(yùn)行。

　　4 優(yōu)化模塊的實(shí)現(xiàn)

　　理論上所有可以參數(shù)化的ANSYS選項(xiàng)都可以進(jìn)行優(yōu)化，比如：尺寸(如厚度)，形狀(如過渡圓角的大小)，支撐位置等等，但由于目前計(jì)算機(jī)速度的限制，將結(jié)構(gòu)的每個參數(shù)均進(jìn)行優(yōu)化實(shí)際上是不可能的，因此只能對結(jié)構(gòu)的幾個重要尺寸進(jìn)行優(yōu)化，如汽車起重機(jī)車架的長、寬、高，隔板的位置，支腿的結(jié)構(gòu)形式，吊臂的橫截面的大小和吊臂的長度，板材厚度等等，都可以通過優(yōu)化設(shè)計(jì)找到一個最佳的結(jié)構(gòu)形式。

　　在平臺內(nèi)主要通過參數(shù)的定義及修正、目標(biāo)函數(shù)的確定和約束條件的選擇，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。該汽車起重機(jī)CAE平臺優(yōu)化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)主要著重于幾何尺寸的優(yōu)化，通過調(diào)整結(jié)構(gòu)的幾何尺寸，調(diào)用ANSYS進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，循環(huán)直到得到一個最佳的結(jié)構(gòu)形式。如吊臂的結(jié)構(gòu)，我們可以調(diào)整參數(shù)Ja吊臂寬度、參數(shù)Jb吊臂高度來對吊臂進(jìn)行分析。也可以同時進(jìn)行多個參數(shù)優(yōu)化，這取決于計(jì)算機(jī)的硬件水平。

　　5 結(jié)束語

　　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在工程機(jī)械領(lǐng)域有著舉足輕重的地位，合理的結(jié)構(gòu)在很大程度上決定了工程機(jī)械整機(jī)的性能和參數(shù)。運(yùn)用CAE技術(shù)，結(jié)合ANSYS軟件與VB編程語言，可較好解決工程機(jī)械由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，力傳遞不確定性而力學(xué)特性難以精確求解的難題。目前，借助上述技術(shù)而開發(fā)的汽車起重機(jī)CAE平臺已設(shè)計(jì)完成，并成為新產(chǎn)品開發(fā)過程中一個強(qiáng)有力的分析工具。