自动化挖掘机动臂结构有限元分析策略研究

　　摘要：针对当前挖掘机动臂结构有限元分析方法中人工操作强度大、建模效率低等问题，研究基于Pro/TOOLKIT、APDL命令流和ANSYS的Batch工作模式的自动化动臂结构有限元分析运行机制，建立自动化动臂结构有限元分析系统体系结构，提出相应的有限元分析工作流程。结合具有双动臂液压缸的鹅颈式动臂结构，开发人机界面友好的自动化动臂结构有限元分析软件，验证自动化有限元分析方法的可行性及其在提高批量动臂结构有限元分析效率方面的有效性。
　　Abstract：Inallusiontothedeficienciesexistingincurrentstructuralfiniteelementanalysisofexcavatorboomsuchastheintensemanipulationstrengthandtheinefficiencyofthemodeling，theoperationmechanismofautomatedstructuralfiniteelementanalysisofexcavatorboomisresearchedbasedonthePro/TOOLKIT，APDLcommandsandthe"Batch"operationmodeofANSYS.Thenthearchitectureoftheautomatedstructuralfiniteelementanalysissystemofexcavatorboomisestablishedandtheworkprocedureofthefiniteelementanalysisisproposed.Astheexcavatorboomwithtwoboomcylindersistakenasanexample，automatedstructuralfiniteelementanalysissoftwareofexcavatorboomisdevelopedtodemonstratethattheautomatedstructuralfiniteelementanalysismethodisfeasiblewitheffectivenessinimprovingthebatchstructuralfiniteelementanalysismodelingofexcavatorboom.
　　关键词：挖掘机；动臂；自动化；有限元分析
　　Keywords：excavator；boom；automated；finiteelementanalysis
　　　0引言
　　动臂结构有限元分析是设计或优化动臂结构时评价结构性能的重要手段之一。针对当前动臂结构优化过程频繁调用有限元软件求解结构应力所存在的优化效率低、耗时长问题，有学者提出了利用黑箱模型预测动臂结构应力的方法[1][2]。但黑箱模型（如神经网络）的构建离不开训练样本的获取。动臂结构复杂，直接进行有限元建模难度大、效率低。利用ANSYS与Pro/Engineer的无缝数据接口[3][4][5]，通过人工频繁交互Pro/Engineer与ANSYS环境分析动臂结构应力构造神经网络训练教师样本的方法在一定程度上降低了获取样本的复杂度，但依然存在人工操作强度大，效率低下等问题。ANSYS与Pro/Engineer的无缝数据接口为发挥ANSYS的有限元分析计算能力和Pro/Engineer的实体建模能力提供了途径，APDL与Pro/TOOLKIT为自动化动臂结构实体建模和有限元建模提供了接口。因此，有必要研究能够有效自动进行动臂结构有限元分析的方法，降低人工操作强度，提高动臂结构有限元分析效率。
　　1系统体系结构与工作流程
　　1.1自动化分析原理在研究VC++程序与ANSYS、Pro/Engineer环境之间集成方法的基础上，提出自动化动臂结构有限元分析原理，如图1所示。
　　自动化动臂结构有限元分析的关键是实现动臂结构有限元分析参数设置、有限元分析模型建立、求解及分析结果提取、保存等一系列动作的自动化运行。因此，引入基于APDL命令流及Batch工作模式，通过VC++环境下的数据组织管理程序根据动臂结构参数以命令行的形式后台运行ANSYS软件，载入APDL命令流进行有限元分析，并通过监控ANSYS运行时所产生的动态数据库判断ANSYS分析结果的自动化分析方法。为解决ANSYS环境下直接进行自动化动臂结构实体建模难度大，效率低下的问题，由数据组织管理程序通过Pro/TOOLKIT编程接口以异步模式自动化生成动臂结构三维实体模型，进而利用APDL命令通过无缝数据接口实现模型从Pro/Engineer环境到ANSYS环境的传递。
　　1.2系统体系结构从便于系统应用和开发的角度分析，自动化动臂结构有限元分析系统应具备易于交互、参数可配置、功能可扩展及系统模块化等性能。因此，设计集成VC++、Pro/Engineer、ANSYS的自动化动臂结构有限元分析系统体系结构如图2所示。