結構設計在工程機械領域有著舉足輕重的地位。在工程機械結構設計中，由于結構的復雜性和力傳遞的不確切性，對于結構的強度、剛度、穩(wěn)定性等力學特性很難獲得一個精確的解析解。CAE(Computed Aided Engineer)分析技術因在工程機械結構強度和剛度分析方面有較高的計算精度而在結構設計中被普遍采用。使用CAE技術進行結構分析，其計算結果為結構設計提供了技術支持和理論指導，可以保證在產(chǎn)品設計階段就得到比較合理的結構形式，縮短設計和分析的循環(huán)周期，提高分析的準確性和結構的可靠性以及整機工作性能。通過對ANSYS二次開發(fā)，本文對汽車汽重機CAE平臺開發(fā)進行了介紹。

　　1 汽車起重機CAE平臺的基本框架

　　該CAE平臺是以ANSYS有限元軟件為計算基礎，通過Visual Basic 6.0語言形成程序的界面系統(tǒng)和實現(xiàn)程序的調用。下圖1是基于ANSYS利用Visual Basic 6.0編程語言進行二次開發(fā)系統(tǒng)的結構圖。用戶在平臺界面輸入結構尺寸、載荷條件、邊界條件等參數(shù)，即可自動生成ANSYS的命令流文件，然后通過VB程序調用后臺的ANSYS命令流進行計算，ANSYS再把計算結果根據(jù)用戶要求形成結果分析報告返回給設計人員，設計人員對結果進行分析，調整參數(shù)，達到結構優(yōu)化的目的，實現(xiàn)結構計算和優(yōu)化設計。

　　平臺設計的主要原則和功能如下。

　　1)方便實用原則，即程序模塊應具有良好的用戶界面和易用性，同時還應具有良好的容錯和糾錯能力，避免用戶操作不當造成損失。

　　2)程序系統(tǒng)能夠為用戶提供以下功能：①允許用戶根據(jù)實際情況，輸入特定的計算參數(shù);②用戶在輸入各種參數(shù)以后，進行計算之前可以對輸入的數(shù)據(jù)進行修改、添加和刪除等操作，同時對數(shù)據(jù)進行有效性檢查，無效的數(shù)據(jù)給予提示，并提示用戶重新輸入，對于重要數(shù)據(jù)則要求用戶確認，界面系統(tǒng)才作更新，以此來保證參數(shù)輸入的正確性;③通過界面調用后臺的ANSYS命令流進行有限元分析和優(yōu)化設計計算，能夠得到最后的計算結果文件，供用戶進行結果分析。

　　3)程序應具有良好的可移植性，不依賴于特定的硬件設備，能安裝ANSYS和VB6.0的硬件環(huán)境都能使用本系統(tǒng)，保證程序使用的廣泛性。

　　圖1 CAE平臺結構圖

　　2 CAE平臺內部程序系統(tǒng)框架

　　由于VB采用事件編程，因此平臺內部程序的系統(tǒng)框架設計尤為重要。為此，首先建立平臺的工作界面，即整個應用程序的主界面。程序的主界面是由VB的MDI窗體生成。在MDI窗體里面包括平臺的主菜單以及各個結構的子文件的調用。

　　程序系統(tǒng)主要由用戶界面前處理、調用ANSYS分析計算和優(yōu)化設計、后處理三個部分組成。這三個基本部分存在嚴格的順序關系，即：先進行前處理，再進行分析計算，然后進行后處理。用戶可以借助界面系統(tǒng)的功能在三部分之間切換進行數(shù)據(jù)查看;在整個操作過程中，用戶見到的始終只是一個界面，而不必理會數(shù)據(jù)的格式、數(shù)量、計算的過程等，保證每個熟悉結構的設計人員都能很方便地使用。

　　在用戶界面前處理中，可以定義汽車起重機吊臂、轉臺、車架、支腿等結構件的幾何參數(shù)。各個部套可以分別進行參數(shù)輸入，也可以進行整車的參數(shù)輸入，從而實現(xiàn)部套計算和整車計算的功能。

　　參數(shù)設定完成后，通過VB的輸出命令，生成ANSYS可直接執(zhí)行的命令流文本文件。再調用ANSYS軟件進行結構的力學分析。結果后處理過程在后臺運行，VB界面上呈現(xiàn)結構的應力云圖、位移云圖，得到結構的結果分析報告。

　　根據(jù)得到的結果分析報告，對結構進行優(yōu)化設計。結構優(yōu)化設計主要通過對結構的幾何參數(shù)進行調整，然后再調用ANSYS進行受力分析，得到調整下結構的結果分析報告。整個過程可以不斷進行，直到得到優(yōu)化的結構形式。

　　3 結構的參數(shù)化建模

　　結構參數(shù)化建模是整個CAE平臺的核心，結構參數(shù)的選定決定CAE平臺的通用性和分析結果的正確性。結構參數(shù)的提取是參數(shù)化建模的基礎，關鍵是選取能表述結構幾何特征的主要參數(shù)。一般地說，結構的主要參數(shù)包括長、寬、高、關鍵點、連接條件、板厚、型材截面積、材料與物理特性、載荷工況等。

　　汽車起重機是由吊臂、轉臺、車架、支腿等幾個主要承力結構件組成的。在由APDL語言組織構成的命令流文件中包含了它們相應的參數(shù)模塊。這些參數(shù)模塊的任何參數(shù)值的改變，都會引起有關結構件的有限元模型的改變，也就引起整個結構的改變。系列化的產(chǎn)品便是這些參數(shù)的系列變化。產(chǎn)品結構性能的優(yōu)化設計便是這些參數(shù)的合理匹配及優(yōu)化。

　　下面就汽車起重機吊臂進行參數(shù)化建模。其中參數(shù)為吊臂筒體的寬度，參數(shù)為吊臂筒體的高度，為吊臂上蓋板兩圓弧切點的距離，為吊臂下蓋板圓弧點到立板的高度，為吊臂下圓弧的半徑，為吊臂上圓弧的半徑，分別為吊臂上下蓋板的厚度。如圖2所示。

　　圖2 吊臂截面參數(shù)定義

　　通過對截面參數(shù)的定義，在結構建模時，只要輸入不同的參數(shù)值就可以得到吊臂不同的結構，這為結構實現(xiàn)優(yōu)化設計成為可能。目前中聯(lián)已經(jīng)完成了汽車起重機吊臂、轉臺、車架、支腿以及整車的參數(shù)化建模，可以通過該CAE平臺調用ANSYS直接運行。

　　4 優(yōu)化模塊的實現(xiàn)

　　理論上所有可以參數(shù)化的ANSYS選項都可以進行優(yōu)化，比如：尺寸(如厚度)，形狀(如過渡圓角的大小)，支撐位置等等，但由于目前計算機速度的限制，將結構的每個參數(shù)均進行優(yōu)化實際上是不可能的，因此只能對結構的幾個重要尺寸進行優(yōu)化，如汽車起重機車架的長、寬、高，隔板的位置，支腿的結構形式，吊臂的橫截面的大小和吊臂的長度，板材厚度等等，都可以通過優(yōu)化設計找到一個最佳的結構形式。

　　在平臺內主要通過參數(shù)的定義及修正、目標函數(shù)的確定和約束條件的選擇，從而實現(xiàn)結構的優(yōu)化設計。該汽車起重機CAE平臺優(yōu)化設計的實現(xiàn)主要著重于幾何尺寸的優(yōu)化，通過調整結構的幾何尺寸，調用ANSYS進行結構分析，循環(huán)直到得到一個最佳的結構形式。如吊臂的結構，我們可以調整參數(shù)Ja吊臂寬度、參數(shù)Jb吊臂高度來對吊臂進行分析。也可以同時進行多個參數(shù)優(yōu)化，這取決于計算機的硬件水平。

　　5 結束語

　　結構設計在工程機械領域有著舉足輕重的地位，合理的結構在很大程度上決定了工程機械整機的性能和參數(shù)。運用CAE技術，結合ANSYS軟件與VB編程語言，可較好解決工程機械由于結構復雜，力傳遞不確定性而力學特性難以精確求解的難題。目前，借助上述技術而開發(fā)的汽車起重機CAE平臺已設計完成，并成為新產(chǎn)品開發(fā)過程中一個強有力的分析工具。