基于ANSYS二次开发的电梯参数化有限元分析系统

摘 要：电梯是人们工作和生活中常用的运输工具，其高效、安全和可靠性也越来越受到人们的重视。在电梯整个安全体系中，结构性安全是最基本、最核心的。为提高电梯生产效率和质量，许多生产厂家，已经将电梯结构的有限元分析引入到设计之中。本文从ANSYS二次开发入手，探讨开发电梯参数化有限元分析系统的途径和方法，以供参考。

关键词：ANSYS；二次开发；电梯；参数化；有限元

随着计算机技术的飞速发展和有限元理论的日趋成熟，计算机辅助技术（CAE）也获得了重大进展，一大批优秀的CAE软件应运而生。其中，ANSYS以其强大的前后处理功能和友好的操作界面，在各领域得到了广泛的应用。作为一款通用型有限元分析软件， ANSYS能进行温度场、应力场、电磁场和流场的分析。也正因为其通用性，使其对不同行业的针对性不强，这给专业分析人员造成一定的障碍。因此，结合行业特点，利用ANSYS二次开发工具，开发适用于用户的参数化模块，充分体现专业化、客户化、便捷化已经成为一种趋势。有限元法在电梯设计中的应用，使电梯结构分析又上升到了新的台阶。利用ANSYS二次开发的电梯参数化有限元分析系统，只要输入电梯的设计参数和分析参数，经过系统进行前后处理之后，就可以得到想要的结果，极大的提高了设计效率和质量。

一、有限元法及ANSYS二次开发

有限元法就是将结构离散化，用有限个容易分析的单元来表示复杂的对象，单元之间通过有限个节点相互连接，然后根据变形条件综合求解。由于单元的数目和节点的数目都是有限的，所以称为有限元法。[1]这种方法灵活性大，只要改变单元数目，就可以使解的精确度与真实情况无限接近。基于有限元方法的CAE系统，其核心思想是结构的离散化。应用CAE软件对工程或产品进行性能分析和模拟时，一般要经历三个过程：前处理，即对工程或产品进行建模，建立合理的有限元分析模型；有限元分析，即对有限元模型进行有限元单元特性分析、单元组装、系统求解和结果生成；后处理，即根据工程或产品模型与设计要求，对有限元分析结果进行加工、检查，并以图形方式提供给用户，辅助用户判定计算结果与设计方案的合理性。有限元分析通常借助计算机软件完成，如 MSC Nastran，ANSYS，2D-sigma等。

ANSYS是大型通用有限元分析软件，能与多数计算机辅助设计软件接口，实现数据共享和交换。ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。因此广泛应用于以机械制造、土木工程等工业领域。ANSYS前处理模块，提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块，可将计算结果以多种图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。

ANSYS为用户提供了良好的二次开发环境，使用户可以将ANSYS的功能进一步拓展。 ANSYS提供了三种二次开发工具：参数化设计语言 （APDL），用户界面设计语言 （UIDL），用户可编程特性 （UPFs）。其中，前两种为标准使用特性，后者为非标准使用特性。与其他有限元软件相比，ANSYS提供了简洁明了的命令流，结合 ANSYS二次开发工具与ANSYS命令，可以很方便的开发一些适合用户自身的工具。APDL是用来自动完成某些功能或建模的一种脚本语言，提供一般程序语言的功能。它包含三个方面的内容：工具条、参量和宏命令。灵活运用这三种工具，可以实现快速操作，数据快速传递、更新等功能。UIDL可以客户化 ANSYS图形交互界面的许多部件，包括：菜单项、对话框、在线帮助以及在 ANSYS环境中集成自己开发的程序。UPFs是非标准应用，通过预留接口，用户可将自己编写的代码连接到 ANSYS，甚至将ANSYS作为子程序来调用，从而使得 ANSYS具有特殊功能。

二、电梯参数化有限元分析系统的实现

（一）参数化模块开发

电梯由曳引、导向、轿厢、门、重量平衡、电力拖动、电气控制、安全保护等系统组成，其结构特点是系列化较强。[2]由于各种电梯使用功能不同、负载重量不同、轿厢体积不同，因而电梯各部件和零件的规格和尺寸会不同，在结构特性上也存在差异。而结构尺寸的差异是因为相同数目及类型的已知条件，在不同规格的产品设计中取不同值造成的。对于这类产品进行设计时，采用参数化建模方法，只需改变相应参数化尺寸的值，就可以自动迅速生成产品模型，省去大量重复过程，提高设计和生产效率。

（二）参数化设计语言

有限元分析的标准过程包括：定义模型及其载荷、求解和解释结果。如果要修改设计，就要改变模型几何结构或载荷并重复上述步骤。当模型较复杂或修改较多时，这个过程会非常麻烦，浪费时间和精力。参数化设计语言APDL，用建立智能分析的手段，提供了自动完成上述循环的功能。它允许复杂的数据输入，使用户能够对任何设计或分析属性具有控制权。比如，模型尺寸、材料、边界条件和网格密度等，扩展了有限元分析范围，并扩充了包括灵敏度研究、参数化建模、设计修改及优化等更高级运算。

（三）电梯参数化分析模块

参数化分析模块是电梯参数化分析系统的核心模块。该模块先要进行一个模板分析过程，再编辑该分析的Log文件。编辑过程中，需要引進变量参数，通过条件判断和循环，实现全过程的参数化分析。参数设定后就可以建模，对于不变的参数无需修改，对于变化的参数可以在命令中以变量代替。建完模型，就开始进行网格划分。用户可在界面中输入“E1-Size”参数来控制网格单元的大小，并用“/UI”命令保存一张网格划分完成后的图片提供给用户。前处理完成后，可进行静力分析，之后把用户关心的结果输出。再生成等效应力云图，以便用户观察。最后，进行模态分析的后处理。

（四）用户界面的设计

再先进的电梯参数化有限元分析系统，也必须建立友好的用户界面，便于用户进入和操作。[3]用户图形界面设计语言UIDL，就是ANSYS图形界面的专用设计语言。它主要完成三种图形界面的设计：主菜单系统及菜单项、对话框和拾取对话框、对话框帮助系统。通过UIDL，用户可以在扩充ANSYS功能的同时，建立对应的图形驱动界面，如在主菜单的某位置增加菜单项，设计对应的对话框、拾取对话框，实现参数输入和程序运行控制，同时提供相应的联机帮助。

综上所述，根据电梯结构系列化特点，在有限元方法的基础上，利用ANSY的二次开发功能，进行参数化建模，可以开发电梯零部件参数化分析系统。该参数化有限元分析系统，引用参数化CAD的概念，在输入模型相关参数时，只需输入基本的设计参数即可。该系统简化了输入界面，并能避免大量重复性分析工作，极大地提高分析效率。即使非专业分析人员，也可以利用该系统来进行电梯零部件的分析。

参考文献

[1]邢艳洪.基于ANSYS二次开发的电梯参数化有限元分析系统[D].东北大学，2006.

[2]陈黎明.基于有限元分析的结构稳健优化设计技术[D].南京航空航天大学，2012.

[3]张涛.扶梯的参数化设计及有限元分析[D].东北大学，2008.

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