CN105138758A - 一种基于数据库的有限元参数化分析系统和分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数据库的有限元参数化分析系统和分析方法，分析系统包括数据库、有限元求解器和数据交流平台，数据库包括前处理数据库和结果数据库，前处理数据库用于设计者输入数据，数据交流平台将前处理数据库的数据转化为有限元程序代码并输入有限元求解器求解；有限元求解器输出的结果文件经数据交流平台编辑后写入结果处理数据库。本发明既可以通过修改相关参数来更改产品的尺寸参数，也可以通过增加或减少数据来更改产品的拓扑结构；同时降低了对开发人员的专业要求，减少了程序的后期修改工作量。

Description

一种基于数据库的有限元参数化分析系统和分析方法

[技术领域]

本发明涉及产品结构有限元分析，尤其涉及一种基于数据库的有限元参数化分析系统和分析方法。

[背景技术]

当前，产品结构有限元分析已成为重型机械产品设计过程中不可缺少的重要环节。正常研发流程中，该工作一般由专业的有限元工程师来完成。分析完成后，有限元工程师再将分析结果和修改意见反馈给产品设计工程师。因此，整个结构设计过程存在一个分析→修改→再分析→再修改的反复工作。由于设计和分析交由不同的工程师来完成，产品设计工程师往往不能第一时间知道结构分析的结果。同时，其产品结构的不断修改也加大了设计工程师和有限元工程师的工作量，从而造成整个设计流程耗时较长，效率低下。对非标重型机械产品结构来说，尤为如此。

为解决这一问题，许多重型机械公司都针对具体产品开发了相应的有限元参数化界面程序，以方便产品设计工程师直接使用。产品设计工程师可以根据设计需求，不断修改有限元模型的相关参数，快速得到相关结构的有限元分析结果，从而加快整个设计研发的进程，提高产品研发效率。

如图1所示，目前大多数的有限元参数化界面程序都是基于.NET和ANSYS或ABAQUS平台完成有限元参数化程序设计方法。从参数输入界面输入相关参数，程序先将这些参数转化为相应的有限元程序代码，再在后台调用有限元求解器进行求解，最终输出分析结果。输入不同的参数值，就可以快速地得到不同结构的有限元分析结果，从而高效地指导产品结构的设计。

但是，采用传统有限元参数化程序设计方法编写的程序具有以下几个缺陷：

1)必须由精通程序设计的有限元工程师完成，对开发人员的专业要求较高；

2)针对不同的产品必须开发不同的程序，程序的应用范围具有很大的局限性，无形中也增加了程序开发的工作量；

3)只能更改产品的尺寸参数，不能更改产品的拓扑结构(例如：增加或减少结构中的梁、板等结构)；

4)一旦程序完成，后期修改工作量较大。

[发明内容]

本发明要解决的技术问题是提供一种便于更改产品的拓扑结构、对开发人员的专业要求较低、后期修改工作量小的有限元参数化分析系统。

本发明另一个要解决的技术问题是提供一种便于更改产品的拓扑结构、对开发人员的专业要求较低、后期修改工作量小的有限元参数化分析方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种基于数据库的有限元参数化分析系统，包括数据库、有限元求解器和数据交流平台，数据库包括前处理数据库和结果数据库，前处理数据库用于设计者输入数据，数据交流平台将前处理数据库的数据转化为有限元程序代码并输入有限元求解器求解；有限元求解器输出的结果文件经数据交流平台编辑后写入结果处理数据库。

以上所述的有限元参数化分析系统，前处理数据库包括截面参数表、点参数表、线参数表、面参数表、耦合参数表、载荷参数表、输出定义参数表、机械设计计算参数表和优化计算参数表。

以上所述的有限元参数化分析系统，结果数据库包括部件应力输出表、局部应力输出表、部件位移输出表、轴向力图输出表、剪切力图输出表、弯矩图输出表、梁截面图输出表、机械设计计算结果参数表和优化计算结果参数表。

一种使用上述有限元参数化分析系统的有限元参数化分析方法，包括以下步骤：

401、编辑前处理数据库中的相关参数表，完成相关参数的输入；

402、读取前处理数据库的数据，并将相关数据转换为有限元程序代码；

403、调用有限元求解器对相关有限元程序代码进行求解；

404、生成最终分析报告。

本发明具有以下有益效果：

1)既可以通过修改相关参数来更改产品的尺寸参数，也可以通过增加或减少数据来更改产品的拓扑结构；

2)由于可以通过修改数据库的参数表长度来更改拓扑结构，因此一套程序适用于各种不同的产品结构，针对不同的产品不需要单独开发不同的程序，极大扩展了程序的应用范围，真正做到一劳永逸；

3)使用者可以直接在数据库的基础上即可完成对具体产品的有限元参数化定制，因此极大降低了对二次开发人员的专业要求；

4)后续如有其它功能要求，使用者可直接在数据库中增加相应的参数表及代码，不需要修改原来的程序，从而极大减少了程序的后期修改工作量。

[附图说明]

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是现有技术有限元参数化程序流程图。

图2是本发明实施的三个软件平台之间的数据交互关系的示意图。

图3是本发明实施的前处理数据库表格结构示意图。

图4是本发明实施的后处理数据库表格结构示意图。

图5是本发明实施的9种常规截面类型及截面参数示意图。

图6是本发明实施的有限元参数化程序设计方法的流程图。

图7是本发明实施案例立柱1的结构参数示意图。

图8是本发明实施例立柱1关键点参数输入表。

图9是本发明实施案例立柱1应力云图。

图10是本发明实施案例立柱1位移云图。

图11是本发明实施案例立柱2的结构参数示意图。

图12是本发明实施案例立柱2应力云图。

图13是本发明实施案例立柱2位移云图。

图14是本发明实施案例立柱2的关键点输入表。

图15是本发明实施案例立柱1压杆稳定计算表。

[具体实施方式]

1、程序开发平台的选择

本发明实施例所阐述的是一种基于数据库的有限元参数化程序分析系统和分析方法，将数据库的概念引入到有限元参数化程序设计当中。

采用本方法开发有限元参数化程序的系统需要三个软件平台：数据库平台、有限元软件平台(有限元求解器)、数据库与有限元软件之间的数据交流平台。

三个软件平台之间的数据交互关系如图2所示：

本发明实施例选择以下三个软件作为开发平台：

1)选择EXCEL软件作为数据库平台。首先，EXCEL本身具备强大的数据处理、计算功能，方便工程师在其基础上做其它的相关计算；其次，大多数机械设计工程师都采用EXCEL进行相关的机械设计计算，因此选择EXCEL作为数据库平台很适合设计工程师的使用习惯；最后，方便后处理中分析报告的生成、排版等程序的设计。

2)选择ANSYS作为有限元软件平台。ANSYS作为当前应用最为广泛的有限元分析软件，具备较强的工程应用背景和丰富的单元库。另外，其ANSYS独有的APDL语言也很适合用于有限元的参数化设计。

3)选择VB.NET作为数据库和有限元软件之间的数据交流平台。VB.NET与ANSYS和EXCEL各自之间的混合式程序设计理论比较成熟，相对来说技术难度较小。并且，VB.NET与大多数软件都存在借口，以VB.NET作为平台开发的程序具有较好的可扩展性。

其中，数据库是整个程序的数据输入端口，为整个程序的根本。VB.NET平台则为整个程序的数据交流平台，它负责将数据库中的数据转换为ANSYS可以识别的代码，并将ANSYS计算结果写入到结果数据库中。ANSYS则为整个程序的计算核心，承担了整个程序主要的结构计算任务。

2、数据库的设计说明

2.1数据库结构：

数据库由前处理数据库和结果数据库两部分组成。其中，前处理数据库是结构分析的根本，由设计者输入，包括截面参数表、点参数表、线参数表、面参数表、耦合参数表、载荷参数表、输出定义参数表共7个基本的参数表，以及机械设计计算和优化计算功能这2个功能扩展参数表等；后处理数据库实际为分析报告，由程序来根据分析结果自动输入，即程序根据输出定义参数表中的参数，判断将哪些分析结果写入后处理数据库，。前、后处理数据库表格结构见图3和图4所示。

VB.NET直接采用Office.Interop.Excel与EXCEL数据库进行连接，未采用ADO方式连接。优点是方便后处理中表格格式的编辑处理；减少表格数量，保证表格的整体结构性；缺点是无法建立索引、关键字和关联性，增加了程序的设计难度。

2.2前处理参数表的设计

前处理数据库中包含截面参数表、点参数表、线参数表、耦合参数表、载荷参数表、输出定义参数表、机械设计计算参数表、优化计算参数表等8类参数表。其作用主要是用来构建几何结构以及定义机械设计常用计算的各种参数。

所有表格中，首尾两行中的内容均为关键字，程序通过关键字的搜索来准确定位参数表中的数据,见图8所示。程序读取数据时，先搜索表格首尾行的关键字位置，再根据其位置读取整个参数表的数据。因此，不管参数表的长度怎么变化，程序都能准确地对参数表中的数据进行读取。

截面参数表包含了9种ANSYS中常规截面参数的设计(见图5所示)和自定义截面参数的设计。

点参数表中包含了几何结构的关键点、螺栓连接点以及加载点等参数。通过控制点参数表的长度，就可以控制几何结构关键点数量，从而实现拓扑结构的变化；通过对点参数表格中的关键点坐标值进行修改，就可实现结构尺寸的变化。另外，用户可在参数表中将点的坐标参数转化为比较直观的长、宽、高等参数组合，以便更方便地进行后期参数修改。这些尺寸参数也可在后续的优化计算参数表格中调用，以实现对结构设计前期的优化计算。

线参数表用于定义连接各个几何结构关键点的线条，并对每根线赋予相应的截面属性，从而形成具体的拓扑结构。可以根据实际情况给线赋予不同的截面属性，如常截面、变截面和杆等。

耦合参数表用于定义有限元分析中的节点自由度释放、点点耦合和点线耦合等。其中，节点自由度释放用于定义结构中铰接点的位置和自由度。点与点的耦合和点与线的耦合则用于远程加载、远程连接等特殊情况。

载荷参数表用于定义重力载荷、点载荷、线载荷、点约束、线约束及自定义质量等参数。

输出定义参数表用来定义杆或梁的轴向力图、剪切力图、弯矩图、局部应力等结果的输出。

机械设计计算参数表用以满足机械设计过程中常用的机械设计计算功能，包括：螺栓联接计算、梁的屈曲计算、焊缝强度计算、疲劳计算等。

优化计算参数表用于完成结构尺寸的优化计算功能。这在早期的方案设计阶段显得尤为重要。

另外，只要保证前处理数据库中各个表格的结构体系、格式以及关键字不变，使用者完全可以根据自己需要，针对具体产品定制相应的产品结构有限元分析表格。甚至可以将产品设计前期的相关计算参数关联进来，做的整个设计计算过程的无缝链接。

3、程序流程说明

本发明实施例所阐述的基于数据库的有限元参数化程序设计方法的流程，如图6所示：

设计工程师首先根据自己的设计要求编辑前处理数据库中的相关参数表。编辑前处理数据库相关参数表的过程中，实际是完成了相关参数的输入。与传统程序对单一结构、特定几个参数的输入相比，用户通过对数据库的编辑，可以自由定义相关结构和设计参数，满足各种不同结构的有限元分析要求，并能通过后期扩展满足不同计算功能的要求。

调用程序读取完成后的前处理数据库。程序首先根据参数表中的关键字搜索定位相关参数表的起止位置。由于采用了关键字定位的方法，因此无论参数表长度由于结构不同而产生什么变化，程序都能准确地找到参数表的起止位置。找到相关参数表的起止位置后，程序再通过循环命令语句准确地将相关数据读取出来，并通过不同的规则不断地将其转换为有限元程序代码，完成数据库与有限元代码之间的转换。

最后，程序在后台调用有限元求解器对生成的有限元模型进行求解，后处理程序根据输出参数表中的参数选择输出分析结果，再通过VB.NET数据交流平台，将这些结果写入后处理数据库中，即生成最终的分析报告。如果设计者对分析结果不满意，可以通过修改相关结构参数或者直接通过修改相关拓扑结构来进一步改进相关设计。

4、应用案例

本发明基于数据库的有限元参数化程序设计方法，应用于圆管带式输送机中立柱结构的设计计算中。立柱1结构设计方案图见图7所示，关键点参数见图8。

立柱1的有限元分析应力结果见图9所示，位移结果见图10所示。

通过更改关键点参数表即可实现立柱拓扑结构的更改，得到立柱2的设计结构，如图11和图12。

立柱2的有限元分析应力结果见图13所示，位移结果见图14所示。

上面的应用案例中，通过更改数据库中相关参数表的结构，就可以实现立柱拓扑结构的变化，省去了传统方法中修改代码的麻烦。

使用者也可以在后处理表格中根据需要自定义相关计算功能，例如在立柱结构的后处理表格中增加了压杆稳定计算的程序，见图15。

其中校核程序在EXCEL表格中完成，这对于大多数机械设计工程师而言都是可以轻松完成的工作。

本发明与现有技术相比的优点、所产生的效果如下：

本发明以上实施例所阐述的基于数据库的有限元参数化程序设计方法与传统的有限元参数化建模方法相比，具有以下优点：

5)既可以通过修改相关参数来更改产品的尺寸参数，也可以通过增加或减少数据来更改产品的拓扑结构；

6)由于可以通过修改数据库的参数表长度来更改拓扑结构，因此一套程序适用于各种不同的产品结构，针对不同的产品不需要单独开发不同的程序，极大扩展了程序的应用范围，真正做到一劳永逸；

7)使用者可以直接在数据库的基础上即可完成对具体产品的有限元参数化定制，因此极大降低了对二次开发人员的专业要求；

8)后续如有其它功能要求，使用者可直接在数据库中增加相应的参数表及代码，不需要修改原来的程序，从而极大减少了程序的后期修改工作量。

Claims (4)

1.一种基于数据库的有限元参数化分析系统，其特征在于，包括数据库、有限元求解器和数据交流平台，数据库包括前处理数据库和结果数据库，前处理数据库用于设计者输入数据，数据交流平台用于将前处理数据库的数据转化为有限元程序代码并输入有限元求解器求解；有限元求解器输出的结果文件经数据交流平台编辑后写入结果处理数据库。

2.根据权利要求1所述的有限元参数化分析系统，其特征在于，前处理数据库包括截面参数表、点参数表、线参数表、面参数表、耦合参数表、载荷参数表、输出定义参数表、机械设计计算参数表和优化计算参数表。

3.根据权利要求1所述的有限元参数化分析系统，其特征在于，结果数据库包括部件应力输出表、局部应力输出表、部件位移输出表、轴向力图输出表、剪切力图输出表、弯矩图输出表、梁截面图输出表、机械设计计算结果参数表和优化计算结果参数表。

4.一种使用权利要求1-3中任一所述的有限元参数化分析系统的有限元参数化分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

401、编辑前处理数据库中的相关参数表，完成相关参数的输入；

402、读取前处理数据库的数据，并将相关数据转换为有限元程序代码；

403、调用有限元求解器对相关有限元程序代码进行求解；

404、生成最终分析报告。