文章-三维虚拟仿真系统中有限元参数化方法实现

三维虚拟仿真系统中有限元参数化方法实现廉江2，马青1，曹卫星2，王欣1(1大连理工大学机械工程学院1160232中石化第二建设公司210033)摘要：为保证吊装的安全进行，吊装辅助件的选择与设计至关重要，通常采用人工校核的方法，且多有重复性，有必要对有限元分析软件ANSYS进行二次开发，实现吊装辅助件的参数化分析。本文采用ANSYS自带编程语言APDL编写参数化命令流程序，对其进行参数化有限元分析，并通过具体算例证明了该方法的可行性与准确性。关键字：ANSYS；参数化；APDL；吊装辅助件；三维虚拟仿真系统引言在大型设备的吊装过程中，为保证安全有效地进行吊装作业，对吊装辅助件如平衡梁、索具、吊耳等的设计及强度与刚度的校核计算至关重要。目前，国内多家建设公司采用以手工校核为主的计算方式，计算公式较多，内容繁锁，且多有重复性。近几年来，随着有限元理论的不断发展与成熟，一些国际知名的有限元分析软件如ANSYS等被越来越多的用户所认可，将有限元理论应用到对吊装辅助件的强度校核中有极大地现实意义，可以避免传统的手工计算只能对特定的吊耳截面进行校核的局限性，能够查看吊耳任何位置的应力情况，同时，由于吊耳的结构形式基本相同，采用有限元参数化的方法，省去重复建模的过程，能够为设计人员减轻工作负担，提供设计依据，缩短设计周期。本文采用有限元分析软件ANSYS自带编程语言APDL对吊装辅助件进行参数化分析，抽象提取各种设计参数，编制APDL命令流程序，同时通过xml格式的文件实现三维虚拟仿真系统中不同模块间的数据传输问题[1]。用户在使用时按照界面要求输入相应数据，即可对ANSYS进行批处理分析，同时自动截取各种方位的吊装辅助件的应力云图，提取最大应力点，生成各节点应力分析报告。1.吊装辅助件的参数化特点在吊装过程中常用的吊装辅助件一般结构型式比较固定[2]，如图1所示。从图中可以看出，虽然不同类型的吊耳结构相差较大，但同类型的吊耳结构却十分相似，如管轴式吊耳的区别之处仅为主筋板类型的不同，对于这种拓扑结构基本一致只有少量特征差异的系列化产品，对其进行有限元参数化设计计算是完全可行的。同时在吊装过程中当吊装设备长度较长时，容易出现挠度过大的现象，对设备造成破坏，因此完全有必要验证吊装过程中设备的稳定性是否满足要求。分析其结构特点可知，吊装设备基本上由圆柱、圆台和球体等规则的几何体组成，完全能够实现参数化分析，保证设计人员能够随时查看设备各位置的应力情况及整体稳定性。a.管轴式吊耳b.吊盖c.遛尾单板式吊耳d.遛尾双板式吊耳图1各吊耳的结构型式2.有限元参数化技术有限元分析软件ANSYS通常有两种操作方式，交互式图形用户界面方式（GUI）和命令流批处理方式（BATCH）[3]。通过GUI方式可以方便地实现交互式访问程序的各种功能，适合初学者和简单的工程问题的分析和计算。命令流批处理方式是一种后台工作方式，批处理文件的编写是通过ANSYS软件自带的参数化设计语言——APDL来实现[4]，用户可以利用APDL将ANSYS命令组织起来，编写出参数化的用户程序，从而实现有限元分析的全过程，即建立参数化的CAD模型、参数化的网格划分与控制、参数化的材料定义、参数化的载荷和边界条件定义、参数化的分析控制和求解以及参数化的后处理。APDL语言编程比较容易，调试也较简单，可以利用文本编辑器如写字板、记事本等，或者借助专门的编辑器如UltraEdit、Pspad等，直接进行参数化命令流的编写，编写完成后，在ANSYS命令输入窗口中直接输入文件名即能完成全部操作[5]。本文根据各吊耳的结构类型，运用参数化的建模及求解思想，分别对其编写APDL命令流程序，通过仿真系统其它模块生成的xml文件提取吊耳类型的信息，选择相应的命令流文件，最终完成有限元分析的全过程。3.吊装辅助件的有限元参数化方法研究典型的有限元分析过程为前处理、加载求解、后处理三大模块。前处理模块用来完成单元类型的选取、材料属性的定义及创建有限元模型；加载求解模块用来完成载荷及边界条件的确定及有限元的求解；后处理模块可以查看模型的应力及变形等。3.1单元类型的选取ANSYS结构分析中最重要最常用的是梁单元(beam3、beam4、beam54、beam188等)、杆单元(link8、link10)、管单元(pipe16)、板单元(shell41、shell63、shell181等)、实体单元(solid45、solid186等)。分析各种形式的吊耳结构可知，其厚度要远远小于长度，不适合用实体单元建模，且实体单元划分网格时对模型要求较高，因此在保证精度要求的基础上，对以上所述的各种吊耳形式采用shell63单元对进行模拟分析，该单元有弯曲和薄膜两种功能，面内和法向载荷都允许，每个节点上有六个自由度：X，Y，Z方向的平动和绕X，Y，Z轴的转动。对吊盖的有限元分析中，由于其厚度较大，更接近于实体，因此采用solid45单元进行模拟分析，该单元由八个节点组成，每个节点有三个自由度，节点坐标系的X，Y，Z方向的平动。3.2参数的确定要实现有限元参数化建模，首先必须根据模型的几何结构抽象出描述模型的特征参数，并在不影响精度的情况下对分析模型进行简化，不论是吊耳、吊盖或长细设备，均可将参数分为以下几大类，如图2所示：图2有限元分析参数1)几何模型参数几何模型参数也就是结构尺寸参数，有限元模型中几何参数的选取，并不是把每一个结构尺寸全部都参数化。原因在于，这里的几何模型实际上是吊耳等结构物理特征的反映，它必须有利于有限元的计算和分析。有时，对于那些于整体分析不重要的细部结构参数甚至可以忽略。同时，对于相互间有约束关系的局部结构，将其尺寸进行关联，修改一个即可驱动与其关联的尺寸随动变化。如在管轴式吊耳的建模上，十字型主筋板的参数只需确定其厚度即可，其它类型的主筋板除厚度外还需确定筋板间距，筋板长度受吊耳长度参数的驱动。不同筋板形式的吊耳建模采用APDL提供的ifelse语句进行类型切换。各种主筋板类型的有限元模型如图3所示。有限元分析参数几何模型参数物理特性参数材料特性参数实常数参数载荷参数a.十字型主筋板b.双十字主筋板c.井字型主筋板d.双井字主筋板图3不同主筋板类型的吊耳有限元模型2)物理特性参数材料特性参数主要指弹性模量、泊松比、密度，对于吊耳而言，其材料主要为16MnR，所以材料的特性参数也基本不变。实常数参数为吊耳各结构的几何参数，如板单元的厚度等，它取决于构件的几何参数和几何形状。3)载荷参数从吊装设备初始状态到其就位状态，吊耳或吊盖所受力的大小和方向随着吊装设备状态的改变而变化，将所受载荷以及吊装设备与水平面的夹角设为参数，载荷的大小和方向便不受限制，可完成吊装过程中任何时刻的有限元分析，吊装设备竖直状态时管轴式吊耳的加载受力图如图4所示。3.3组件技术的应用组件就是选择部分同类对象后构成一个集合，然后为这个集合赋予一个名称，这样就构成了一个组件。在编写参数化命令流中应用组件技术可大大减小编程的工作量，提高工作效率同时避免错误的产生。例如管轴式吊耳，其结构形式已基本确定，可将其分为加强筋、主筋板、管轴、挡圈、补强圈等五部分，在对各部分模型分派物理特性和划分网格时，直接输入组件名称便可调出相对应的模型，省去了逐一选择的麻烦，以加强筋为例，其APDL命令流为：……ASEL,S,,,104,107,3!选择组成加强筋的面ASEL,A,,,117,119,2!选择组成加强筋的面ASEL,A,,,128,129,1!选择组成加强筋的面ASEL,A,,,100,120,20!选择组成加强筋的面CM,cm_drwjb,AREA!生成吊耳加强筋的组件……CMSEL,S,cm_drwjb!通过组件选择吊耳加强筋AATT,1,6,1,0,!对吊耳加强筋赋物理属性……图4管轴式吊耳载荷示意图3.4载荷及边界条件的施加当吊装设备为圆柱形，主吊耳采用管轴式时，建立与吊耳相接触的部分吊装设备模型并在边缘处施加自由度约束，将UX,UY,UZ,ROTX,ROTY,ROTZ六个方向自由度的值设为0，即全约束。钢丝绳与吊耳接触部分为受力区域，判断吊耳实际受力可知，该区域各部分所受力的大小并不相同，应呈正弦趋势分布，因此采用SurfaceEffect154单元模拟受力区域，该单元可用于三维模型中不同面载荷的施加，如图4所示。4.三维虚拟仿真系统中有限元参数化的实现方法在三维吊装虚拟仿真系统所提供的功能中，校核计算及有限元分析为其中之一[1]，在对整个系统的操作过程中，涉及的数据众多，如何在各模块之间正确高效地进行数据的传输是难点之一，本系统通过xml格式的项目文件来储存并读取数据，有限元分析的数据来源分别为用户输入、项目文件及数据库，系统将自动提取出吊耳建模所需数据，并按照固定的格式存储在记事本中，通过APDL命令中提供的*tread函数读取数据，最终实现吊装辅助件的参数化有限元分析，其工作流程图如图5所示。图5参数化有限元分析工作流程图5.算例分析本文以中国石化第二建设公司提供的吊装案例为算例，对主筋板为双十字型的300吨级管轴式吊耳进行参数化有限元分析，吊耳参数数据见表1。首先打开吊耳的校核计算界面，如图6a)所示，按照界面要求输入相应数据，点击“有限元分析”按钮，即弹出有限元分析界面，如图6b)所示。输入相应数据后点击“分析”，系统将后台调用ANSYS分析软件，自动生成模型并计算，提供多方位应力云图和具体应力数据。设置工作目录设置安装路径绘制吊装设置二维图数据库生成Xml格式项目文件输入吊装辅助件参数启动虚拟仿真系统设置吊装方式模型参数文件程序后台调用ANSYS计算分析结果保存计算结果文件查看结果结束程序表1管轴式吊耳数据表能力等级300t吊耳材料16MnR主筋板形式双十字外加强筋有管轴长度370mm安全系数1.6设备厚度40mm动载系数1.1外加强筋直径1200mm外加强筋厚度30mm管轴内径796mm管轴壁厚24mm主筋板厚度25mm主筋板间距370mm加强板直径2000mm加强板厚度30mm挡板直径1060mm挡板厚度16mma.管轴式吊耳的校核计算界面b.管轴式吊耳的有限元分析界面图6管轴式吊耳校核计算及有限元分析界面对吊耳进行受力分析可知，危险截面共有两处：一处为吊耳管轴与钢丝绳接触区域，不仅承受轴向力，同时还承受剪力的作用，另一处为吊耳根部即加强板与吊装设备接触区域，该区域所受弯矩最大，对吊装设备也容易引起局部失稳的现象，因此，在对吊耳进行校核计算时，应着重校核这两处的应力是否在许用应力范围之内。图7为对吊耳进行参数化有限元分析所生成的应力云图，吊耳管轴与钢丝绳接触处应力最大，值为136.9MPa，如图7a)所示；加强筋与吊装设备接触处最大应力值为78.4MPa，如图7b)所示，均在材料的许用应力范围内；吊耳最大变形在管轴与钢丝绳接触处，变形量为1.8mm，如图7c)所示；吊装设备与加强筋接触处变形量为1.2mm，如图7d)所示。由上可知，采用有限元参数化的思想对吊耳等吊装辅助件进行分析，所得结果比较准确，同时实现人机交互式的操作界面，省去了在有限元软件中重复创建有限元模型、加载求解和查看处理结果等诸多过程，省时省力，为设计人员提供了良好的设计依据。a.吊耳应力云图b.吊耳应力云图c.吊耳变形云图d.吊耳变形云图图7吊耳及吊装设备应力与变形云图6.结语本文所述内容为三维吊装仿真系统中的校核计算及有限元分析模块，用户只需按照界面要求输入相关数据即可得到有限元分析结果文件，所得结果比较正确，为设计人员提供了很好的设计依据，减少了设计时间，提高了设计效率，达到事半功倍的效果。参考文献：[1]杨煦斌，王欣等.面向吊装的三维虚拟仿真系统设计与实现.石油化工建设，2008，1[2]中华人民共和国石油化工行业标准.SH/T3515－2003.大型设备吊装工程施工工艺标准.北京:中国石化出版社，2004[3]龚曙光.ANSYS基础应用及范例解析.机械工业出版社，2002[4]博弈创作室.APDL有限元参数化分析技术及其应用实例