一、前言

　　工程技術(shù)人員基于CAD軟件對產(chǎn)品進(jìn)行研發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)，參數(shù)化設(shè)計(jì)方法主要是指將模型中的定量信息變量化，使之成為可任意調(diào)整的參數(shù)。這樣，在后期對產(chǎn)品進(jìn)行裝配驗(yàn)證、性能分析時(shí)就可以方便地對各種變量化的參數(shù)賦予不同數(shù)值，從而得到不同大小和形狀的零件模型。參數(shù)化設(shè)計(jì)的主要優(yōu)勢在于其能夠大幅度提高產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)的效率與質(zhì)量，從而有效縮短產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計(jì)周期，并降低相關(guān)成本。同理，對于CAE分析，借助于參數(shù)化，則可以對有限元模型中的部分關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行修改以達(dá)到反復(fù)分析各種尺寸、不同載荷大小的多種設(shè)計(jì)方案或者序列性產(chǎn)品(產(chǎn)品不同結(jié)構(gòu)空間尺寸或位置變化)，從而極大提高分析效率，減少分析成本。

　　二、簡單的有限元參數(shù)化模型

　　簡單的有限元參數(shù)化模型主要是指對梁單元的相關(guān)截面尺寸(圖1)和板殼單元的厚度尺寸(圖2)，以及在具體位置施加載荷的數(shù)值大小進(jìn)行修改和調(diào)整，以校核不同設(shè)計(jì)方案對結(jié)構(gòu)相關(guān)性能的影響。

　　借助于現(xiàn)有的主流有限元模型軟件界面的交互操作功能，實(shí)現(xiàn)上述功能輕而易舉。其主要劣勢在于無法實(shí)現(xiàn)當(dāng)結(jié)構(gòu)空間尺寸或位置變化時(shí)(如結(jié)構(gòu)整體的長、寬、高尺寸變化或整體的旋轉(zhuǎn)和俯仰等)的參數(shù)驅(qū)動(dòng)。

　　三、全尺寸驅(qū)動(dòng)的有限元參數(shù)化模型

　　所謂全尺寸驅(qū)動(dòng)的有限元參數(shù)化模型主要是指在對結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析的過程中，將模型所涉及到的所有不同工況中可能需要調(diào)整的相關(guān)尺寸進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)。這樣，當(dāng)參數(shù)化模型確定后，便可以在短時(shí)間內(nèi)分析結(jié)構(gòu)所有工況及不同的結(jié)構(gòu)方案，從而快速確定結(jié)構(gòu)的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案及其相關(guān)性能。當(dāng)前，全尺寸驅(qū)動(dòng)的有限元模型參數(shù)化建模方法主要有兩種趨勢：①界面交互方式幾何模型驅(qū)動(dòng);②專用程序語言驅(qū)動(dòng)。這兩種有限元模型的參數(shù)化建模方法主要來自于兩種不同類型的有限元模型分析軟件。

　　1.界面交互方式幾何模型驅(qū)動(dòng)

　　以界面交互方式幾何模型驅(qū)動(dòng)為主的有限元模型參數(shù)化建模方法，主要來自于在CAD軟件基礎(chǔ)上發(fā)展起來的CAE分析軟件，其充分發(fā)揮既成的在CAD參數(shù)化設(shè)計(jì)功能方面的優(yōu)勢，將CAD中的幾何模型與CAE模型中的前處理模型完全關(guān)聯(lián)起來，當(dāng)CAD模型通過控制參數(shù)發(fā)生改變時(shí)，有限元模型會隨之產(chǎn)生相同的變化，并自動(dòng)完成有限元網(wǎng)格的更新與劃分，且保持先前的邊界條件不發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)利用CAD的參數(shù)化驅(qū)動(dòng)有限元模型的參數(shù)化。如圖3所示，當(dāng)孔的大小和位置在CAD模型中通過參數(shù)化控制使其尺寸改變后，進(jìn)入到CAE模塊時(shí)，有限元模型會自動(dòng)更新而不再需要做任何處理。

　　這種方法處理起來簡單，很適合在CAD基礎(chǔ)上想進(jìn)一步學(xué)習(xí)并掌握CAE分析的工程技術(shù)人員。但是，這種方法同時(shí)也有一定的局限性，當(dāng)結(jié)構(gòu)相對較為復(fù)雜且驅(qū)動(dòng)尺寸較多時(shí)，更新處理就會相對困難，甚至出現(xiàn)錯(cuò)誤。而且，其僅能對結(jié)構(gòu)幾何模型的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，而且模型的適用性也有一定的局限性，主要以實(shí)體(3D單元)模型見長。

　　2.專用程序語言驅(qū)動(dòng)

　　以專用程序語言驅(qū)動(dòng)為主的有限元參數(shù)化建模方法，主要來自于專業(yè)的有限元分析軟件，其除了界面交互功能外，還提供專門的參數(shù)化語言程序端口。借助于相對較為簡單的專用程序語言不但可以實(shí)現(xiàn)建模、加載以及后處理過程的參數(shù)化分析，而且還可以開發(fā)專用有限元分析程序，或者編寫經(jīng)常重復(fù)使用的功能小程序，實(shí)現(xiàn)特殊載荷的施加或按規(guī)范對結(jié)構(gòu)局部進(jìn)行強(qiáng)度和剛度的校核等。總之，程序語言在很大程度上擴(kuò)展了有限元分析之外的能力，提供建立標(biāo)準(zhǔn)化零件庫、序列化分析、設(shè)計(jì)修改、設(shè)計(jì)優(yōu)化以及更高級的數(shù)據(jù)分析處理能力。

　　但是，由于有限元分析過程中程序語言的書寫，要求所涉及到的關(guān)鍵點(diǎn)、線、面和體以及節(jié)點(diǎn)、單元的編號準(zhǔn)確無誤，所以這種方法對于以梁單元為主的結(jié)構(gòu)模型、簡單的板殼單元模型和實(shí)體單元模型較為適用。對于復(fù)雜的板殼單元模型，由于結(jié)構(gòu)某處增加或減少筋板時(shí)，整個(gè)結(jié)構(gòu)的面編號會發(fā)生很大變化，若再在程序語言中調(diào)整相關(guān)面的編號的話，會浪費(fèi)更多的精力和時(shí)間，反而不如直接利用界面交互方式進(jìn)行設(shè)計(jì)分析的效率高。

　　四、結(jié)構(gòu)參數(shù)化模型創(chuàng)建舉例

　　圖4所示為某裝船機(jī)回轉(zhuǎn)與俯仰結(jié)構(gòu)示意圖，以回轉(zhuǎn)角度A和俯仰角度B為控制參數(shù)，簡單介紹一下通過程序語言(以 APDL語言為例)實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模的方法。由于旋轉(zhuǎn)軸與俯仰軸 不相交，所以需要?jiǎng)?chuàng)建兩個(gè)局部坐標(biāo)系分別用于單獨(dú)回轉(zhuǎn)部分 和既回轉(zhuǎn)又俯仰部分的建模。用于單獨(dú)回轉(zhuǎn)部分的局部坐標(biāo)系 通過“local，11，0，a，b，c，0，0，A”命令(其中，a、b和c是編號為11的局部坐標(biāo)原點(diǎn)在總體坐標(biāo)系中的坐標(biāo))很容易創(chuàng)建。而用于既回轉(zhuǎn)又俯仰部分的局部坐標(biāo)系，僅需要在上步創(chuàng)建的局部坐標(biāo)系中創(chuàng)建出參考節(jié)點(diǎn)2、3和4(2點(diǎn)位于俯仰鉸軸的中點(diǎn))，其中節(jié)點(diǎn)4是通過命令“ngen，2，2，2，L*cos(B)，L*sin(B)，0”(L為節(jié)點(diǎn)4至節(jié)點(diǎn)2的距離，可任意賦值)創(chuàng)建，這樣再利用命令“cs，12，0，2，4，3”創(chuàng)建出編號為12的第二個(gè)局部坐標(biāo)系，然后在此局部坐標(biāo)下對既回轉(zhuǎn)又俯仰部分進(jìn)行建模。如此，便可實(shí)現(xiàn)對回轉(zhuǎn)角度A和俯仰角度B的參數(shù)化控制。#p#分頁標(biāo)題#e#

　　五、結(jié)論

　　通過參數(shù)化控制進(jìn)行有限元分析，可以大幅度提高工作效率，減少分析成本。對有限元模型進(jìn)行參數(shù)化建模時(shí)，界面交互式幾何模型驅(qū)動(dòng)方法主要適用于結(jié)構(gòu)相對較為簡單的實(shí)體模型，而基于專用程序語言的驅(qū)動(dòng)方法主要適用于以梁單元為主的結(jié)構(gòu)模型、簡單的板殼單元模型和實(shí)體單元模型。前者在CAD軟件的基礎(chǔ)上學(xué)習(xí)起來，相對較為簡單，而后者則需要操作者不但要熟練掌握有限元分析軟件界面的操作方法，還必須具備一定的程序語言編寫基礎(chǔ)。