基于参数化技术的数字化快速分析方法研究

基于参数化技术的数字化快速分析方法研究

林元载，倪中华，刘晓军，颜竞峰

(东南大学机械工程学院，江苏 南京 211189)

摘要：在产品分析过程中，大多数工作都是针对某一系列产品的分析，操作重复程度高。为了简化分析工作，研究了基于参数化技术的数字化快速分析的方法，实现了产品快速设计、快速分析和快速生成分析报告的过程，提出了数字化快速分析的参数化基础模型和系统各组件之间的数据传输规则，开发了集参数化设计、参数化分析和自动生成分析报告的LNG低温安全阀数字化快速分析系统，并以DAH-50A3低温安全阀为例验证系统设计的方法和关键技术。结果表明：数字化快速分析系统自动化程度高，大大节省了操作时间且运行可靠。

关键词：参数化设计；基础模型；数字化快速分析

数字化快速分析是通过CAE软件提供的二次开发方法(如ANSYS的APDL流文件编制、MSC.Patran的PCL语言)实现的参数化分析方法[1]。数字化快速分析使用基于历史的参数化分析方法，利用CAE软件提供的方法来记录、分析模型建立过程的操作顺序。模型建立过程的所有命令和与命令相关的数据(参数)将会按照操作的顺序逐一记录在操作栈中。分析人员可以改变操作栈中某一个或者多个参数，并要求CAE软件对有限元模型重新求解。CAE软件则根据更新后的操作栈中的参数，建立新的求解文件，从而完成参数修改和模型修改。

赵九峰[2]在进行船用起重机吊臂结构静力分析和优化设计过程中，首先利用ANSYS的命令和参数化技术建立了吊臂的有限元分析模型，然后运用ANSYS的二次开发技术实现了起重机吊臂的参数化和静力分析的参数化。分析过程中能够对几何模型和分析模型的参数进行修改，并再次计算。关云飞等[3] 为了研究齿轮啮合过程中的齿向载荷分布及齿间载荷分布，运用Pro/E建立参数化模型并利用ANSYS 的APDL语言实现了载荷、求解以及后处理结果的参数化。其在实际参数化分析过程中，通过在ANSYS中简单修改相关参数，分析了多种尺寸和多种载荷的齿轮啮合工况。纪福森等[4]利用UG的Open Grip和ANSYS的APDL分别完成参数化建模和参数化分析，并使用VC开发数字化分析平台，实现参数化CAD建模和参数化CAE分析的集成。

综合国内外文献，学者对数字化分析的研究主要集中在3个方面：1)在CAE软件中完成几何模型和分析模型参数化，并开发相应的专业软件[2,5-6]；2)先在CAD中建立参数化几何模型，然后在CAE中实现分析模型的参数化[3,7-8]；3)自主开发平台将CAD和CAE模型集成在一起，并通过数据文件实现CAD和CAE数据交换[4,9]。学者们在数字化分析方面开展了大量研究工作，并取得显著成绩，但是其中仍然有一些不足之处有待改进：1)人机交互体验差，许多系统对于参数的设置麻烦，对用户操作系统的能力要求高。2)集成CAD软件与CAE软件的较少，主要集中在CAD 建模的二次开发和 CAE分析的二次开发方面。CAD建模的二次开发使得用户只能先在CAD软件中建立模型，然后再转到CAE中进行分析；CAE分析的二次开发使得用户在复杂模型中无法充分利用CAD软件中的建模功能。

1 参数化基础模型的建立

参数化技术是计算机辅助设计技术在实际设计应用中被提出并得到迅速发展的技术[10]。用一组尺寸来定义几何模型的尺寸值，建立尺寸之间的关系式；然后用户通过人机交互界面修改参数值，程序将参数值代入关系式并按照关系式的顺序计算出几何模型其他尺寸，实现计算机辅助设计。与传统的设计方法相比，参数化设计更符合工程设计的习惯，因此极大地提高了设计效率，缩短了设计周期，减少了设计过程中信息的存储量，降低了设计费用，从而增强了产品的市场竞争力[11]。

对于同一类型产品的设计和分析，可利用参数化技术建立CAD参数化基础模型、CAE参数化基础模型及分析报告模板，并将模型中的差异性用一组参数来描述。参数化基础模型指用于产品性能分析的几何模型和分析模型，是描述产品设计和分析整个生命周期的载体。参数化基础模型包含了所有的参数信息，这些参数能够驱动模型建立新模型并分析求解。几何模型用来描述产品的几何特征和信息，分析模型则包括网格尺寸、材料属性、边界条件和结果数据等参数。而分析报告模板则是将CAD和CAE基础模型中的参数以及分析过程中用户所关心的参数进行汇总，并系统地管理所有参数。

1.1 参数化基础模型的数据结构

本文对参数化基础模型的定义为：参数化基础模型是描述产品设计和分析整个生命周期的载体，包含了设计和分析过程中几何模型(CAD)和分析模型(CAE)的所有参数，这些参数能够驱动参数化基础模型生成新模型，并分析求解。几何模型用来描述产品的几何特征和信息，分析模型则包括网格尺寸、材料属性、边界条件和结果数据等的参数化。

定义1：参数化基础模型的数据结构为

ModalBase=<>geometry,Modalanalyze>

其中：ModalBase描述产品参数化基础模型的所有信息，且ModalBase可以由几何模型Modalgeometry和分析模型Modalanalyze来描述。

在参数化基础模型中，几何模型的部分参数会作为分析模型的参数，则可推出参数化基础模型的参数数据结构为

ParametersBase=Parametersgeometry∪Parametersanalyze

其中：ParametersBase描述产品参数化基础模型的参数信息，ParametersBase可以由Parametersgeometry几何模型参数和Parametersanalyze分析模型参数来描述。

定义2：分析模型参数的数据结构为

Parametersanalyze=<>geo,Parmesh,Parmat,Parboundary,Parresult>

其中：Parametersanalyze为产品参数化分析模型的所有参数；Pargeo为几何模型的输出参数；Parmesh为分析过程中网格控制参数；Parmat为分析过程中材料属性参数；Parboundary为分析过程中边界条件参数；Parresult为分析求解后的结果数据参数。

1.2 数字化快速分析报告的结构

参数化分析报告描述了参数化基础模型的信息、用户输入的信息和重新生产新模型过程中的中间数据。

定义3：参数化分析报告的数据结构为

ReportTemp=<>ParModel,ReportlntData>

其中：ReportTemp为整个分析报告的内容；ReportParModel为参数化基础模型的信息及修改的信息；ReportlntData为数字化分析过程中用户关心的中间数据。

在参数化分析报告中参数化模型的标准和修改的参数在1.1中已经详细说明，不再赘述。而在参数化分析过程中用户所关心的参数为中间数据，由几何模型信息、网格信息和结果分析3部分组成。中间数据的数据结构为

ReportlntData=<>Modal,lntDataMesh,lntDataResAna>

其中：lntDataModal、lntDataMesh和lntDataResAna分别为几何模型信息、网格信息和结果分析。

2 基于参数化技术的数字化快速分析方法

数字化快速分析的基本思想是对于同一类型产品，在实际分析时的差别仅在于几何模型尺寸、材料属性、网格尺寸、边界条件等某些参数的修改。针对同一类型产品分析的特征，用户只需要修改分析给定的相应分析参数，其他工作可由分析系统后台完成。其实现方式如图1所示。

Step1：针对某类产品建立CAD参数化模型、CAE参数化模型作为基础模型和分析报告模板，其中共性参数采取固定设置，而差异性参数作为参数化模型和模板的参数。

Step2：将基础模型和分析报告模板中的参数导入数字化快速分析系统中并将所有参数分为输入参数、输出参数和分析报告参数。

Step3：将数字化快速分析系统生成的参数文件传递给CAD软件，软件通过参数文件和CAD参数化基础模型驱动生成产品实例，并导入CAE软件中。

Step4：数字化快速分析系统生成的参数文件和产品实例模型传递给CAE软件，内核通过产品实例模型、参数文件和CAE参数化基础模型驱动重新生成新模型，并对新模型求解得到产品分析实例。

图1 数字化快速分析基本思想

Step5：CAE软件用分析结果的数据替换原来基础模型的输出参数，并传递回数字化快速分析系统。

Step6：数字化快速分析系统将结合分析报告模板、结果数据及分析过程中重要的参数，自动生成Word格式的分析报告。

2.1 数字化快速分析方法原理

数字化快速分析是CAD和CAE技术在实际分析过程中寻找到的共性和区别并加以延伸，是有很强实际工程应用价值的技术。将共性的部分在CAD和CAE模型中进行统一设置，并不可更改；同时将区别的部分用一组参数来描述，供给用户在进行固体、流体和流固耦合性能分析时使用。输入参数将更新CAD和CAE参数化模型中相应的参数，CAD和CAE参数化模型则驱动相应的内核进行计算、求解。CAD内核计算得到的模型数据将再次驱动CAE内核改变CAE参数化模型中的几何模型数据；CAE内核计算得到的结果数据将传递回CAE参数化模型中，CAE参数化模型得到的参数将反向更新输出参数。参数设计系统的原理如图2所示。

图2 数字化快速分析方法原理图

2.2 数字化快速分析数据流向

根据数字化快速分析产品的特点和企业对分析功能的需求，数字化快速分析系统各组件间的数据传输如图3所示。图3中，实线框内是数字化快速系统的组件，包括CAD软件、CAE软件、数字化快速分析平台和分析报告；虚线箭头表示了中间数据的流向。

数字化快速分析系统在分析过程中，各组件会

图3 数字化快速分析数据流向

有许多中间数据产生(图3和图4)，所有中间数据都被下一个环节的功能模块使用。

图4 数字化快速分析系统 各组件产生的中间数据

2.3 数字化快速分析实现方法

结合数字化快速分析基本思想、组件产生的中间数据和组件间的数据流向，可得数字化快速分析的实现方法，如图5所示。

其中CAE参数化模型需由专业CAE分析人员前期进行基础模型的建立，在验证正确后，方可加入系统作为参数化基础模型来使用。而CAD参数化模型是通过在系统中的接口，进入SolidWorks软件的快速设计系统进行的，该部分由同实验室的周佳佳和王亚同学开发完成。

3 系统的实现和应用实例

本文以LNG低温安全阀为例，基于商用软件SolidWorks、ANSYS Workbench和Office Word内核，开发LNG低温安全阀数字化快速分析系统(如图6所示)，实现快速分析的可视化操作。系统将快速设计、性能分析以及内部数据封装起来，用户通过人机交互界面修改相关参数就可驱动快速分析系统进行分析。

图5 数字化快速分析实现方法

图6 LNG低温安全阀数字化快速分析系统交互式主界面

LNG低温安全阀数字化快速分析系统在实际应用过程中包括6个步骤，即几何模型检查、材料属性设置、网格尺寸设定、边界条件设置、网格参数设定、调用分析模块求解和分析报告生成。

1)几何模型检查。

选择低温安全阀DAH-50A3为分析模型并检查其几何模型参数，若发现参数需要修改时，可通过点击“打开模型”按钮，进入快速设计模块修改参数化CAD基础模型(如图7所示)，修改后的模型如图8所示。

图7 参数化CAD基础模型 图8 快速设计后产品实例

2)选择/输入材料属性参数。

材料参数设置向用户提供选择、修改和添加新材料的功能(如图9所示)。可以通过材料树或者材料属性(如材料名、密度、弹性模量等)搜索材料并选择：若当前材料的属性不符合要求，可以修改相关参数，并存入材料数据库中；当数据库中没有对应的材料，也可以创建新材料并存入材料数据库。

图9 固体结构分析材料属性设置

3)设定边界条件。

参数设置区显示与固体快速分析相关的边界条件参数(如图10所示)，上半部分为边界条件参数表格，下半部分为边界条件相关参数说明。边界条件设置后，单击“确认边界条件”按钮，导航栏步骤3“边界条件”状态为已完成。

图10 固体结构分析边界条件设置

4)设定网格尺寸。

参数设置区显示与固体快速分析相关的网格参数(如图11所示)，上半部分为网格参数表格、网格对比图、确认网格按钮、提交分析按钮和生产报表按钮。下半部分为网格相关参数的说明。如果网格尺寸参数全部设置为0，即不修改参数化CAE基础模型的网格尺寸，网格如图12所示。设置网格精细程度为50、网格尺寸为0(基础模型的网格尺寸)以及加密网格尺寸为0(基础模型的网格尺寸)，网格如图13所示。网格参数设置后，单击“确认网格”按钮，导航栏步骤4“网格参数”状态为已完成。

图11 结构分析网格参数设置

图12 参数化CAE基础模型网格 图13 修改网格精细程度后网格

5)调用ANSYS Structural模块求解。

当几何模型、材料属性、边界条件及网格参数的状态都设置完成后，可点击“提交分析”按钮，系统将所设置的参数(包括模型、材料属性、边界条件及网格参数)传递给ANSYS Structural模块进行分析计算。后台调用ANSYS结构分析求解器进行仿真分析，通过前台实时显示快速分析过程。分析过程的显示包括后台启动ANSYS、打开分析模型、参数传递、更新参数、分析完成等状态显示。

6)生成分析报告。

分析完成后，系统将关闭分析过程显示界面，返回至固体结构快速分析界面，点击“分析报告”，根据预设模板自动生成Word格式分析报告并显示，如图14所示。报表包含5个主要部分：几何模型信息、网格尺寸信息、材料属性信息、边界条件信息和结果数据信息。

图14 固体结构分析分析报告(目录)

4 结束语

本文基于参数化技术，对数字化快速分析技术的过程和原理进行了深入研究。将分析过程中的共性设置融入到参数化模型，将差异性用一组参数来描述，从而实现参数化基础模型的建立。开发的LNG低温安全阀快速分析系统，集参数化设计、参数化分析和自动生成分析报告于一体。

参考文献：

[1] 顾元宪.计算机辅助设计及其软件设计方法[M].北京：科学普及出版社，1992.

[2] 赵九峰. 基于APDL的船用起重机吊臂参数化设计及优化[D].大连：大连理工大学，2008.

[3] 关云飞,沈晓明.ANSYS在齿轮设计和计算中的应用[J].机电工程技术,2004,33(2):56-57.

[4] 纪福森，吴铁鹰，陈伟. 参数化CAD/CAE集成与应用[J]. 机电工程技术,2006(6): 86-88.

[5] 武卫平，霍亮生.2.5m高速电梯轿厢底结构设计与有限元计算[J]，建筑机械，1995(3)：24-27.

[6] 王锌. 履带起重机履带架及附属件结构参数化设计与有限元分析[D].长春：吉林大学，2009.

[7] 马世辉. 球头立铣刀的参数化设计及有限元分析[D].兰州：兰州理工大学,2009.

[8] 潘峰. 轿顶Pro/E参数化设计及ANSYS有限元分析[D].沈阳：东北大学,2008.

[9] 黄高文. 基于CAD/CAE集成的面天线参数化有限元建模[D].西安：西安电子科技大学,2005.

[10] 张斌. 安全阀内流场瞬态数值模拟及测试装置研发[D].上海：华东理工大学,2013.

[11] 宋学官，蔡林，张华. ANSYS流固耦合分析与工程实例[M]. 北京：中国水利水电出版社，2012.

Research on the digital-rapid analysis method based on parametric technology

LIN Yuanzai, NI Zhonghua, LIU Xiaojun, YAN Jingfeng

(School of Mechanical Engineering, Southeast University,Jiangsu Nanjing,211189, China)

Abstract：In the process of product analysis, most of the work is to analyze a series of products in high repeatability. In order to simplify the process, it proposes the digital-rapid analysis method based on parametric technology, introduces an analysis of the product from design to analysis, generates analysis reports. It presents parametric model and the data transmission between the system components, develops the digital-rapid analysis system for LNG cryogenic-safety valve system integrated with parametric design, parametric analysis and automatically generated-analysis report. It shows an example and verifies the system design method and key technology. The results show that the digital-rapid analysis platform is in high degree of automation and reliable.

Key words：parametric design; based model; digital-rapid analysis

DOI：10.3969/j.issn.2095-509X.2017.03.008

收稿日期：2016-06-01

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51405081，51605204)；江苏省六大人才高峰资助项目；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目

作者简介：林元载(1990—)，男，福建大田人，东南大学硕士研究生，主要研究方向为计算机辅助工程。

中图分类号：TP391

文献标识码：A

文章编号：2095-509X(2017)03-0045-06