维普资讯 http://www.cqvip.com ＡＮＳＹＳ参数化编程语言的二次开发及应用★ 口何芝仙 口曹菁。 芜湖２４１０００ 上海２０００３０ １．安徽工程科技学院机械系２．上海交通大学动力与机械学院摘要：利用ＡＮＳＹＳ中的ＡＰＤＬ语言进行二次开发，编写专门程序，实现了自动多次改变边界条件，求解并记录指定 节点上的应力或变形，解决了柔度矩阵的建立和曲轴动应力计算两个典型问题。计算结果表明，采用ＡＰＤＬ语言进行二次 开发，扩展了ＡＮＳＹＳ软件的功能，可解决机械工程设计中的一些关键技术问题。 关键词：参数化编程语言 柔度矩阵中图分类号：ＴＨ１２２ 结构静力分析法 动应力 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—４９９８（２００７）０５—０００５—０３ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｉｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｈｅｌｐ ｏｆ ｔｈｅ ＡＮＳＹＳ Ｐａｒａｍｅｔｅｒ Ｄｅｓｉｇｎ Ｌａｎｇｕａｇｅ ａｎｄ ａ ｓｐｅｃｉａｌ ｐｒｏｇｒａｍ ｉｓ ｐｒｏｖｉｄｅｄ．Ｔｈｉｓ ｐｒｏｇｒａｍ ｉｓ ａｂｌｅ ｔｏ ｅｈａｎｇｅ ｔｈｅ ｂｏｕｎｄａｒｙ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ ａｎｄ ｅｏｍｐｕｔｅ ａｎｄ ｒｅｃｏｒｄ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｏｒ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎａｔｅｄ ｎｏｄｅｓ．Ａｓ ａ ｒｅｓｕｌｔ，ｔｗｏ ｔｙｐｉｃａｌ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ａｒｅ ｓｏｌｖｅｄ，ｉ、ｅ、ｓｅｔｔｉｎｇ ｕｐ ｏｆ ｈｅ ｆｔｌｅｘｉｂｌｅ ｍａｔｒｉｘ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｅ ｓｔｒｅｓｓ ｏｎ ｔｈｅ ｃｒａｎｋｓｈａｆｔ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｈａｖｅ ｓｈｏｗｎ ｔｈａｔ ｓｏｍｅ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｃａｎ ｂｅ ｓｏｌｖｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｅｘｐａｎｄｅｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ＡＮＳＹＳ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｖｉａ ＡＰＤＬ． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：ＡＰＤＬ Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｍａｔｒｉｘ Ｓｔａｔｉｃ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｓｔｒｅｓｓ ＡＮＳＹＳ是一种集结构、热、流体、电磁和声学于一 体的大型通用有限元分析软件，在工程设计和科学研 究中应用广泛，尤其是结构分析模块特别是结构静力 分析模块在机械工程中应用最广。ＡＮＳＹＳ还提供了参 数化编程语言ＡＰＤＬ（ＡＮＳＹＳ Ｐａｒａｍｅｔｅｒ Ｄｅｓｉｇｎ Ｌａｎ． 式为： ＝∑∑ｃ ｐ 或写成矩阵形式 ｉ＝１ ｚ１ ［ ］＝［Ｃ 】×［ｐ ］ （１） 式中 为实际油膜压力作用下轴承孔表面上各节点 ｇｕａｇｅ）用于二次开发，可以自动完成某些功能或建模， 大大扩展了软件的功能【Ｊ１。本文针对结构分析的某些 的径向变形量（ｒ＝１，２，…，ｍ；ｓ＝１，２，…，ｎ）；ｃ 为作 用在节点 处的单位油膜压力使节点ｒｓ产生的径向 场合，需多次计算变形和应力，采用ＡＰＤＬ语言进行二 次开发，可以自动进行多次分析求解和处理计算结果， 大大减轻了人工数据处理计算工作量。一个典型问题 是柔度矩阵的计算，以此为前提的变形矩阵法是解决 计入轴瓦表面弹性变形的滑动轴承润滑分析的常用方 变形量；Ｐ 为作用在节点 处的实际节点油膜压力。 ２．２ 变形矩阵的求取 轴瓦表面变形矩阵的求取，采用ＡＮＳＹＳ中的参数 化编程语言ＡＰＤＬ编写专门的程序实现。其求解步骤 如下： 法 一１。但采用常规的人工方法建立柔度矩阵需反复多 次进行有限元分析建模、求解和计算结果数据的处理， １）在ＡＮＳＹＳ环境下建立主轴承座的有限元计算 模型，实际的主轴承由轴瓦、主轴承盖和属于机体一部 过程烦琐复杂，工作量浩大且易出现人为错误。另一个 典型问题是曲轴轴颈表面动应力计算，情况也类似。由 分的主轴承座上半部分组成。为便于分析计算，利用其 对称性，轴承座部分只截取一个空心圆柱体（如图１所 示）。选择ｓｏｌｉｄ４５￣＆元，在轴承内表面轴承衬部分（厚 度０．５ ｍｍ）划分为均匀六 于曲轴结构复杂，有限元网格较多，瞬态动力分析计算 量浩大，个人微机难以完成计算工作，本文提出的结构 静力计算法是一个有效方法。现就上述两个问题的 ＡＰＤＬ参数化编程求解展开讨论。 面体单元网格，与有限差分 法进行润滑分析的网格 （１７×３６）一致。其余部分则 自由划分单元网格，共得到 ８ ２２７个单元、８２７节点。 １变形矩阵的计算 １．１ 变形矩阵法 变形矩阵法是一种求解计入轴瓦变形时滑动轴承 ２）记数器置１并确定 计算点数。根据对称性和圆 润滑分析的有效方法，计算轴承孔表面变形的基本公 －ｋ安徽省教育厅自然科学研究项目（编号：２００６ＫＪ２８６Ｂ） 收稿日期：２００６年７月 周方向的重复性，可取计算 点数为／／．Ｕ／＇￣＝１７，即轴瓦内 机械制造４５卷 第５１３期 ２伽ｌ７／５ 囤 维普资讯 http://www.cqvip.com 吕 吕 Ｔｈｅ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｍａｔｉｒｘ ｏｆ ｂｕｓｈ ＼ ×１０ 建立ＡＮＳＹＳ几何模型 匠 ／ｎ＝１， ｍ＝ｌ７／ 暄 ｌ 施加边界条件 暴 有限元法计算 ▲图３柔度矩阵之一 记录轴瓦内表面节点位移 南 表面的轴向节点数。 ３）动态施加边界条 ● ＜ Ｎ 件。根据主轴承结构特 点，位移边界条件为约束 Ｙ 轴承座圆柱表面的全部 输出变形矩阵计算结果 自由度；载荷边界条件即 为施加在对应节点上的 ▲图２变形矩阵计算流程图 单位径向压力。 ４）有限元分析求解 并记录轴瓦内表面所有节点的径向位移；记数器 ＝ ＋１。 ５）若记数器 ＞ “ｍ，输出计算结果；否则，选择下 一个节点，转步骤３），计算流程如图２所示。 采用本文提出的方法可一次直接计算出柔度矩阵， 实现了计算结果和后续数据的自动记录和处理，大大简 化了求解过程。图３就是轴瓦表面某节点的柔度矩阵。 ２曲轴动应力的计算 ２．１ 结构静力分析法 内燃机曲轴结构复杂，在额定工况下工作，曲轴承 受周期性变载荷作用。有关曲轴动应力的计算，采用 较多的方法是计算内燃机工作时活塞膨胀做功行程 最大压力和最小压力２个工况下的应力，该法只能近似 计算出曲轴最大应力和最小应力。对于曲轴颈上油膜 压力的处理，大多采用周向分布在中心角１２０。范围内 按照余弦函数分布，轴向分布按抛物线分布的假设计 算 １ １。这种计算方案的合理性值得商榷。实际上，曲 轴动应力主要取决于作用于轴颈上油膜压力，而油膜 压力是动态变化的，沿曲轴颈分布和随时间的变化与 曲轴一轴承系统动力学和摩擦学行为密切相关。而按 照作用在曲轴颈表面动态油膜压力进行瞬态动力分 析，则由于曲轴结构复杂，有限元分析的单元划分较多， 计算规模过于浩大，计算耗时过长，导致个人微机难以 完成计算任务。本文提出的结构静力计算法，其基本思 路是将动态油膜压力动态施加曲轴颈载荷边界条件，进 行多次结构静力计算并自动记录计算结果。这一计算过 ２∞７／５ 程就可以很方便地采用ＡＰＤＬ语言开发专门的计算程 序来实现。 ２．２计算模型及步骤 曲轴颈表面动应力计算与柔度矩阵的计算十分相 似，主要计算步骤如下： １）在ＡＮＳＹＳ环境下建立曲轴的几何模型并划分 有限元计算网格，如图４所示，由３９ ９５０个单元、７２ ４６２ 个节点组成。由于需要研究动态油膜压力对曲轴颈表 面动应力分布的影响，根据轴的几何特点，选择ｓｏｌ— ｉｄ４５单元，曲轴颈表面的网格划分进行人为控制，使之 与有限差分法进行轴承润滑分析时的网格划分一致， 而其它部分则自由划分网格单元。 ２）确定动应力的计算点数 “ｍ（如 “ｍ＝７２），令 记数器 ＝１。 ３）动态施加边界条件。 位移边界条件取在各主轴颈截面轴心节点处 约束垂直和水平方向自由度，约束曲轴左端面（带轮 端）的轴向自由度，并约束该端面绕ｚ轴旋转自由度。 在曲轴颈表面动态施加力边界条件，即动态施加曲轴 颈表面的节点力。节点力来源于由存入动态节点力的 数据文件。它是通过曲轴轴承系统动力学和摩擦学耦 合分析后得到轴颈中心运动参数，再润滑分析得到动 态油膜压力，然后转换成节点力。节点力按下式计算： ， （￡）＝Ｊ Ｊ寺【Ｐ（Ｏｉ，ｚ ￡）＋Ｐ（ ＋ｌ＇Ｚｉ，￡） Ａ ＋Ｐ（ ，五＋ｌ，￡）＋Ｐ（ ＋ｌ， ＋ｌ，￡）】Ｒｃｏｓ０ｄＯｄｚ 。 ， （￡）＝ｆＪ ｆ÷［Ｊ －ｒ ｐ（ ，Ｚｉ，￡）＋Ｐ（ ＋ｌ，Ｚｉ，￡） Ｌ ｎ ＋Ｐ（ ， ＋ｌ，ｔ）＋Ｐ（ ＋ｌ， ＋ｌ，￡）】Ｒｓｉｎ０ｄＯｄｚ 式中 ——第 节点对应的圆周角 ｚ。——第ｉ节点对应的轴向位置 Ｐ（ ￡）——第ｉ节点ｔ时刻对应的油膜压力 ４）在ＡＮＳＹＳ环境下进行有限元计算，记录指定节 点的应力。 ５）若计数器 ≥ “ｍ，输出计算结果，计算结束； 机械制造４ｓ卷第５１３期 维普资讯 http://www.cqvip.com ｂ ▲图５某时该施加于曲轴颈表面节点力 ＝１３４．７１ ＭＰａ ／／ ｌ５Ｏ ▲图６第２曲柄销左、中、右截面 周向分布 ｌＯＯ ５Ｏ Ｏ ————ｒ————７＿—１８０ 馘１）ＡＮＳＹＳ中的 ｒ————≠ ０ ０ ７３ ’ＡＰＤＬ语言是一个 ７ ５４０ ３６０ｂ ＝ 、 有效的二次开发工 曲轴转角／（。） ｂ 具。针对不同类型 较 的问题，利用它进 行二次开发，编写 专门的计算程序， 大大扩展了ＡＮＳＹＳ 曲轴转角／（。） 软件的求解功能。 ▲图７第２曲柄销上、下表面上 轴向分布 ▲图８危险点动应力变化曲线 ２）通过改变边 否则，转到步骤３。 界条件，自动进行反复多次求解并记录指定节点上应 ２．３计算结果 力或变形，方便快捷地建立了轴瓦柔度矩阵，避免了柔 在内燃机的一个工作循环内取７２个计算点，即曲 度矩阵计算时大量复杂的人工数据处理，为解决计入 轴每转动ＣＡ＝１０。选取一个应力计算采样点。每计算 轴瓦变形时的滑动轴承润滑分析提供了必要的前提。 一个采样点的应力都从保存动态节点载荷的数据文 ３）利用ＡＰＤＬ参数化编程语言进行二次开发，提 件里读取与之对应的数据并施加到曲轴轴颈表面，然 出了采用动态改变载荷边界条件的多次结构静力分析 后求解并记录指定节点的应力值。整个计算过程采用 法求解曲轴动应力，解决了曲轴动应力计算的关键问 （如图５所示）参数化编程语言ＡＰＤＬ编写专用的计算 题。 程序实现。在奔腾１Ｖ２．８ ＧＨｚ内存５１２ ＭＢ的ＰＣ机上， 参考文献 一个计算点耗时约１６ ｍｉｎ，一个工作循环的应力计算 １陈晓霞．ＡＮＳＹＳ７．０高级分析【Ｍ】．北京：机械工业出版社， 历时约１９ ｈ。 ２００４． 采用本文提出的方法，可以计算出曲轴表面任意 ２段云芳，韦云隆．弹性变形对径向轴承弹流润滑性能的影响 节点上的应力在内燃机一个－Ｉ－作循环内的变化。通过 【Ｊ】．润滑与密封，２０００，（６）：９—１１． 曲轴颈左中右截面以及上下表面直线上节点的应力分 ３陈凌珊，赵吉华，唐国兰，等．轴承弹性变形对动载滑动轴承 析比较，可知，危险截面位于第２曲柄销的左截面上。图 润滑状况影响的分析【Ｊ】．润滑与密封，２００３，（１）：６５—６９． ６是第２曲柄销左中右截面上等效动应力 。的周向分 ４王良国，胡德波．３８６Ｑ型发动机曲轴疲劳强度有限元分析 布及随时间的变化，这里的等效应力是按照第３强度理 【Ｊ】．内燃机学报，２０００，（３）：２７０—２７４． 论得到的相当应力。图７是第２曲柄销在上下表面直线 ５ Ｈｅａｔｈ Ａ Ｒ．ＭｅＮａｍａｒａ Ｐ Ｍ．Ｃｒａｎｋｓｈａｆｔ Ｓｔｒｅｓｓ Ａｎａｌｙｓｉｓ—Ｃｏｍｂｉｎ－ 上等效动应力 轴向分布及随时间的变化。它们形象 ａｔｉｏｎ ｏｆ Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎｄ Ｃｌａｓｓｉｃａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ［Ｊ】． 地反映了曲轴颈表面动应力的时空分布特征。图８是危 ＡＳＭＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｆｏｒ Ｇａｓ Ｔｕｒｂｉｎｅｓ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ，１９９０， 险点动应力变化曲线，它是曲轴强度计算的重要依据。 １１２（７）：２６８—２７０． ３结论 △ （编辑 凌 云） 机械制造４５卷 第５１３期 ２ＯＯ７／５
