礦井提升機主軸CAD/CAE集成系統研究

李春通，任 芳，楊兆建，丁 華

（太原理工大學 機械工程學院，太原 030024）

礦井提升機主軸CAD/CAE集成系統研究

李春通，任 芳，楊兆建，丁 華

（太原理工大學 機械工程學院，太原 030024）

0 引言

鑒于NX和ANSYS各自的功能優勢，目前廣泛采用的是首先在NX中完成建模，然后將建立的模型導入ANSYS中，最后在ANSYS中完成有限元分析計算，但是目前它們的應用還存在兩個問題：一是NX與ANSYS相互獨立，在不能保證數據傳遞的完整性，容易造成數據丟失；二是NX和ANSYS操作過程都很復雜，尤其是ANSYS，需要比較專業的工程人員才能準確的完成復雜的分析計算，這樣對系列產品的設計分析效率比較低，管理也不方便。因此，如何將NX和ANSYS軟件進行無縫集成并應用于設計中，成為了數字化設計領域的一個重要問題。

目前該方面的研究主要集中在如何減少NX和ANSYS軟件之間在模型數據上的差異，實現它們之間無數據損失的轉換和傳遞,但如何將CAE的分析結果在NX中直觀的顯示，并反饋到零部件的設計中，還鮮有系統的研究，部分研究僅限于CAD軟件集成CAE分析數據庫，從數據庫中調取分析圖片為設計人員提供CAE分析服務，功能比較單一，實用性不強。

為此，本文綜合運用CAD參數化技術、CAE參數化有限元分析技術、動態庫技術及CAD/CAE集成技術，借助VS2010環境中的VC++模塊，基于NX軟件平臺，通過對NX和ANSYS的二次開發實現二者數據共享，研究并開發了CAD/CAE集成開發系統，開發了摩擦式礦井提升機主軸CAD/CAE集成系統，可以快速有效的對主軸進行設計和計算，提高了產品的設計效率。

1 CAD/CAE集成系統平臺的構建

1.1 系統總體結構

本系統是在NX環境下開發設計的，主要包括三個子系統，如圖1所示，共有四個模塊:

1）三維參數化模型構建模塊，即CAD參數化子系統，該模塊是通過運用NX/Open API進行參數化設計，結合MenuScript（菜單腳本語言）和VC++語言，開發了參數化建模程序，并以動態鏈接庫的形式進行封裝。

2）CAE分析模塊，即CAE分析子系統，對ANSYS軟件進行二次開發，CAE分析功能采用NX/Open API封裝到動態鏈接庫中。

3）CAD/CAE集成模塊,以NX為平臺，使用VC++語言，實現了CAD/CAE的結合。

4）輔助模塊，即輔助子系統。該模塊是為了方便設計人員更好的使用本系統而開發的，包括一些輔助工具，如畫圖板工具等。系統安裝方法以及安裝過程中應注意的問題也包含在這個模塊中。

圖1 CAD/CAE集成系統

1.2 系統開發流程

本文利用MenuScript（菜單腳本語言）創建用戶化的菜單，使用UIStyler創建人機交互對話框，利用VC++和NX/Open API對NX進行二次開發，開發了CAD參數化子系統，該方法是一種基于圖形模板的設計方法。 ANSYS軟件提供了一種參數化設計語言APDL(Ansys Parametric Design Language),可直接利用該語言編寫參數化的用戶程序，APDL文件包括模型的參數，模型生成過程，網格劃分，加載，求解及后處理等內容。本文通過后臺創建一個進程，后臺啟動ANSYS，自動讀入APDL文件，完成分析和計算，最后，利用VC++將各模塊集成在NX中。

2 系統實現

2.1 基于NX的三維參數化模型的構建

基于圖形模板的參數化設計方法的思想是先建立一個模型文件，通過修改模型的特征來驅動模型發生相應的變化，從而達到參數化的目的。開發過程中要注意開發環境的設置，首先在自定義目錄下創建prt、application、startup三個文件夾，然后新建用戶環境變量，變量名為：NXII_USER_DIR，變量值為定義目錄，圖2為CAD參數化子系統開發流程圖。

2.2 基于ANSYS的參數化有限元模型的構建

本文結合實例借助VS2010開發環境下的VC++開發友好的人機交互界面，編譯出強大的動態鏈接庫程序，實現在NX中對ANSYS的隨意調用和完美連接。利用APDL語言實現對ANSYS的二次開發，首先使用APDL功能完成零部件的參數化建模、網格劃分、加載和計算，然后建立參數化對話框，通過在對話框中輸入的數值來修改APDL文件中參數值，最后創建一個進程，后臺調用ANSYS軟件，將修改后的APDL程序讀入到ANSYS中進行計算，計算結束后，由后處理器對計算結果進行處理，并將結果數據以及圖片輸出到一個指定的文件夾中。

圖2 CAD參數化子系統開發流程圖

2.3 基于VC++的CAD/CAE集成程序的實現

采用面向對象技術對參數化CAD建模、參數化CAE有限元分析、以及NX與ANSYS的接口程序進行統一編譯，實現CAD/CAE的集成。因此，用戶就可以在NX NX界面環境下，實現零部件的參數化設計與有限元分析。

2.4 數據管理

ANSYS完成計算以后會產生分析結果的圖片、輸出文檔、*.db數據文件等。圖片的顯示根據系統定制的不同可以為等效應力云圖、等效位移云圖、模態圖等，可以在對話框中查看，系統也會自動打開Windows操作系統自帶的畫圖工具mspaint；輸出文檔中包含命令流、錯誤信息、計算求解結果等信息，可以在對話框中顯示，便于查看整個的分析過程；同時可以通過對話框打開生成的*.db數據文件，在ANSYS軟件中更詳細的查看計算的結果，而不僅限于圖片顯示的內容。

3 系統演示

3.1 CAD參數化設計

啟動NX，打開提升機主軸的CAD參數化模塊，彈出如圖3所示的對話框，輸入設計參數并點擊確定，會自動生成相應參數的三維模型。

圖3 主軸參數化輸入界面

圖4 主軸CAE參數化界面

3.2 參數化有限元分析

打開提升機主軸的CAE分析模塊，彈出如圖4所示的對話框，在該對話框中完成各種參數以及自定義工作名的輸入后，點擊“開始計算”，系統便會調用ANSYS開始計算，待計算完成后，點擊“查看輸出文檔”，便會彈出顯示輸出文檔的對話框，從中可以查看命令流等信息,點擊“查看分析結果”，可以查看系統生成的圖片，點擊“打開ANSYS軟件”，可以在ANSYS中查看主軸的詳細計算結果。圖5為提升機主軸模型圖，圖6為等效應力云圖。

圖5 主軸模型圖

圖6 應力云圖

4 結束語

本系統的優點不僅在于能夠實現NX對ANSYS的調用和它們之間的數據傳遞，還在于可以打開ANSYS軟件，在ANSYS中查看分析結果，而不局限于輸出的文檔和圖片。

本文針對摩擦式礦井提升機主軸，詳細闡述了基于NX和ANSYS的CAD/CAE集成系統的總體結構和關鍵技術的實現方法，實現了NX與ANSYS的集成，避免了NX與ANSYS之間進行數據傳輸時的數據丟失。借助VS2010環境的VC++開發了友好的人機交互界面，即使是不會使用ANSYS的工程人員，也可在系統的引導下快速的完成分析和計算，大大降低了設計人員的工作量，提高了設計效率。

[1]周于海.基于APDL的甲板吊臂架結構參數化建模及動態響應研究[D].武漢:武漢理工大學,2006.

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[3]袁峰,朱強,吳小國,等.基于CAD/CAE系統集成的液壓支架設計平臺研究[J].礦山機械,2008,36(15):2-5.

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Research on CAD/CAE integration system of mine hoist shaft

LI Chun-tong，REN Fang，YANG Zhao-jian，DING Hua

本文將常用的CAD、CAE軟件NX和ANSYS結合起來，基于CAD參數化建模和參數化有限元分析思想，以NX為平臺，利用NX和ANSYS的二次開發技術，結合VS2010中的VC++模塊和動態庫技術，定制開發了基于NX和ANSYS的CAD/CAE集成系統，實現CAD參數化建模和參數化有限元分析的集成。開發了摩擦式礦井提升機主軸CAD/CAE集成系統，實現了CAD/CAE的結合，減少了設計人員的工作量，取得了良好的預期效果。

NX；ANSYS；VC++；二次開發；集成開發；參數化

李春通（1988 -），男，山東菏澤人，碩士研究生，主要從事機械設計與理論研究。

TH122

A

1009-0134(2014)05(下)-0131-02

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.05(下).37

2014-02-14