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阶梯轴的有限元分析及其优化专用软件的开发

李实  
【摘要】: 阶梯轴是组成机械的重要零件之一,其结构参数和加工工艺水平不仅影响着整个机械的尺寸和重量,也在很大程度上影响着机械的可靠性与寿命。因此阶梯轴的设计计算是机械设计必不可少的重要组成部分。以往阶梯轴的设计计算,工程技术人员往往是采用传统的机械设计理论进行计算,导致计算结果的不准确,设计计算效率低。随着现代有限元技术的日益完善,完全可以在保证精度的前提下对阶梯轴进行快速、精确的数值模拟与优化。 针对不熟悉有限元分析和优化的一般工程技术人员,本文采用ANSYS的参数化设计语言APDL与Visual C++相结合的基础上,开发了阶梯轴的有限元分析及其优化专用软件,使得一般工程技术人员能快速对阶梯轴进行参数化设计、有限元分析与优化。 该系统共包括四个部分:用户界面模块、ANSYS计算模块、Visual C++调用接口模块和后处理模块。采用Visual C++语言来编制用户界面模块,用ANSYS的参数化设计语言APDL编写ANSYS计算模块,并通过Visual C++调用接口模块,将Visual C++与APDL编写的命令流嵌套起来:用Visual C++将APDL命令流写入指定的文本文件中,并提取对话框控件中的数据赋给APDL中的数据变量,然后通过批处理方式启动ANSYS调用APDL命令流进行建模、网格划分、载荷施加以及计算等有限元分析过程,计算完毕之后针对阶梯轴现有结构的薄弱环节,进行优化设计。以阶梯轴为优化对象,以提高性能和节约成本为优化目标。利用ANSYS的APDL参数化设计语言,选用ANSYS自带的优化工具完成阶梯轴的优化,使阶梯轴结构重量最轻,并具有良好的强度性能。最后通过将该系统应用于六阶阶梯轴的实例,并将该实例的理论分析与有限元分析值进行比较,验证了该系统的可行性和计算结果的可参考性。 该软件的开发,实现了阶梯轴建模和分析计算的自动化、智能化,大大减小阶梯轴建模与分析的工作量,提高了新产品研发效率。尤其是计算精度得到了很大提高,这将为一般工程计算人员设计重要的阶梯轴提供了方便实用的软件系统。


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