苏ICP备112451047180号-6
毕业设计的内容和意义
课题内容：
现在有限元分析技术越来越多的应用于永磁涡流联轴器的分析计算与设计中。现在普遍采用基于有限元分析软件为平台，用有限元法作为计算手段。但是，其建模过程过于繁琐，所花时间过多，进而影响设计效率。其次，有限元软件的通用性和友好度虽然不断提高，但对设计工作人员要求较高。用户必须具有一定的有限元理论知识和对软件掌握到一定程度之后，才能够比较好的运用有限元软件。针对这些问题，我在现有的筒式永磁涡流联轴器有限元分析技术的基础上开发了一套基于VC++和ANSYS平台的筒式永磁涡流联轴器分析系统。该系统运用大型有限元软件ANSYS的参数化设计语言APDL对筒式永磁涡流联轴器参数化建模，用VC++编写图形用户界面，并调用VC++接口模块嵌套VC++与APDL命令流。
主要内容包括：
1) 编写筒式永磁涡流联轴器有限元程序；
2) 利用VC++实现程序界面设计；
3)完成VC++与ANSYS软件的接口；
4)系统调试；
课题的意义：
产品的功能和质量是影响产品竞争力的主要因素,而决定功能和质量的主要阶段是产品设计阶段。因此,现代制造业的竞争就是产品设计的竞争,对产品设计理论和方法的研究已成为学术界和企业界关注的热点。对于筒式永磁涡流联轴器的发展而言,采用现代设计理论改进其设计方法来提升其产品的功能和质量,从而进一步增强自身竞争力,是一个急待解决的问题。传统的设计和计算主要依靠手工来完成,不仅效率低下而且计算由于做过大量的简化和近似处理而不准确。并且重复工作量很大,耗时较多,成本较大,不利于筒式永磁涡流联轴器多样化发展的趋势,也不利于筒式永磁涡流联轴器研发制造的可持续发展。因此,为了筒式永磁涡流联轴器的设计水平和效率,本课题用Visual C++开发工具将参数化技术和有限元技术融为一体,建立了一个基于VC和ANSYS的筒式永磁涡流联轴器分析系统。
文献综述
围绕基于VC和ANSYS的筒式永磁涡流联轴器分析系统这一课题为中心，查阅相关书籍以及相关的学术论文和期刊杂志，对于涉及到此课题的相关知识进行了仔细的阅读和研究，了解并掌握与课题相关的知识要点，现文献综述如下：
1）基本原理：
传统三维有限元建模方法存在缺陷：模型信息丢失、网格不兼容等，给后续工作造成很大麻烦。为避免传统三维有限元建模方法带来的问题，本文抛弃了传统的有限元建模方法，使用APDL语言。
Ansys软件是美国ansys公司研制的大型通用有限元分析软件，能够进行包括结构、热、声、流体以及电磁场等学科的研究，在航空、航天、机械制造、能源、电子、轻工、水利等邻域有着广泛的应用[1]。APDL语言是有限元分析软件ansys自带的一种批处理语言。APDL提供一般程序语言的功能，另外还提供简单界面定制功能，实现参数交互输入、消息机制、界面驱动和运行应用程序等，拓展了传统有限元分析的范围，能用来自动完成某些功能，但是使用APDL编程不直观、不方便。VC++是一种面向对象的程序设计语言，具有良好的图形用户界面，应用其开发程序可以大大提高软件设计能力及开发速度。
Ansys提供了一种运行批处理命令APDL的格式，只要自动形成APDL
代码并在ansys中运行，即可实现参数化有限元分析[2]。程序设计的第一步是通过ANSYS建立分析模型的参数化APDL代码，然后在VC中根据模型的参数化APDL代码进行编程。程序实现的功能：
（1）模型参数通过对话框输入；
（2）根据输入的参数自动形成相应的APDL命令文本；
（3）程序能自动调用ANSYS并执行APDL命令文本；
（4）分析结果文件能直接在程序中查看[3]。
2）基本方法：
VC++是一种具有强大功能并且比较容易实现的面向对象的可视化编程语言。设计人员通过使用其简洁方便的编程界面以及集成的多种常 用工具箱就可以高效地开发应用程序[4]。ANSYS参数化设计语言APDL是一种用来完成有限元常规分析操作或通过参数化变量方式建立分析模型的脚本语言。它用智能化分析的手段，为用户提供了自动完成有限元分析过程的功能。运用VC++与ANSYS的接口技术和对APDL语言封装的功能进行参数化设计，在VC++中将ANSYS软件作为子程序调用，利用ANSYS的结构分析功能以及算法来实现结构的参数化设计[5]。系统设计简便、易用为目标，人只需在筒式永磁涡流联轴器的分析过程中在相应的模块输入相应的参数就可以进行模型建立等操作。
其中VC++主要完成三个功能：实现友好的交互编程界面、向ANSYS命令窗口传递函数和调用封装在后台的APDL语言[6]。为了建立高效的分析平台，需要通过VC++封装的APDL宏文件来进行信息传递。
解决ANSYS和VC++的接口问题是实现此系统的关键。可通过两种方法实现VC++对ANSYS的自动调用。参数化设计的基本思想是生成一个包含ANSYS命令记录的宏文件，需要计算时，只要执行这个宏文件即可，需要修改时，只要修改宏文件里的相关参数，剩下的由计算机自动完成。整个系统要能够成功的实现，关键在于宏文件是否能够正确地生成和导入[7]。通过实现VC和APDL嵌套来生成宏文件，然后在宏文件里传递ANSYS命令形成完整地命令流文件。
在ANSYS批处理模式下运算完毕以后，进入后处理选项，选择不同地处理选项得到需要地计算结果，并通过APDL命令流编程可以输出图片文件及设置其存储位置。
系统交互界面设计
利用对话框作为人机交互界面，建立筒式永磁涡流联轴器有限元分析平台操作界面[8]。
3）基本特点：
(1) 此系统避免了大量的重复工作，易于实际操作；
(2)操作起来方便、快捷、高效 ；
(3) 系统的通用性和友好性提高[9]；
(4) 分析速度快且不易出错；
(5) 提高了筒式永磁涡流联轴器的分析效率和设计速度[10]。
4) 国内外研究进展
国外学者对永磁涡流联轴器的研究始于上世纪90年代，Thomas W.Nehl, Bruno Lequesne 最早提出了永磁涡流联轴器的二维有限元模型,即将永磁涡流联轴器的三维模型在合理化假设下简化为二维模型来处理；2003年，Canova 提出利用分离变量法研究永磁涡流联轴器，这种方法与A.C .Smith 方法的相同之处是都把永磁涡流联轴器简化成二维来分析[11]。2007年之后随着计算机技术的发展和分析软件的更新，对永磁涡流联轴器的研究以有限元分析为主。
2004年赵海涛基于ANSYS对拱坝进行了可视化建模，和有限元仿真分析；2006年龚亚琦等采用ANSYS二次开发技术对桥梁进行参数化建模；同年，宿艳彩基于ANSYS软件对桥梁结构进行了参数化有限元分析；张亮亮对单塔斜拉桥进行了空间受力仿真分析；崔苗等研究了在ANSYS中使用APDL参数化建模；2008年，于建伟等做了ANSYS中的参数化建模方法的研究；同年，夏瑞武做了APDL参数化有限元分析技术及应用的研究[12]；魏永等在APDL环境下进行了参数化有限元分析的应用；2009年龚曙光等写了ANSYS参数化编程与命令手册一书，为APDL的应用提供了很大的方便；2011年王彬做了斜拉桥的施工监控分析和仿真计算方面的研究；同年，谢上飞对斜拉桥桥塔进行了有限元分析。
5) APDL 参数化有限元分析技术的应用情况
APDL在航空航天领域的应用
飞行器设计中的热防护技术是发展可重复使用运载器的关键性技术之一, 长期以来受到航天航空领域广泛的关注[13]。文献利用有限元方法并结合有限元软件ANSYS
的参数化分析语言 APDL, 建立可重复使用运载器热防护系统内部一维传热模型, 模拟再入条件下隔热结构内部辐射和传导复合换热, 分析再入环境下热防护系统瞬态温度响应。APDL在汽车领域的应用
对于车辆耦合振动的有限元计算问题, 目前常采用的一种方法：考虑运动的质量点与桥梁做整体振动分析, 采用质量点生死的方法来模拟。这种方法对于车辆模型模拟的效果还可以, 但是对于实际中作为一独立的具有悬挂系、车轮等的振动系统的车辆而言, 模拟的就过于粗糙。文献成功的将 ANSYS 的 APDL 技术运用到模拟中, 并提出了一种将移动质量与弹簧相结合的建立车辆模型的方法[14]。电力车转向架方面, 文献采用 APDL 为基础的有限元优化设计方法, 将构架结构进行了有效的优化设计分析, 得到了受力更为合理、应力分布更加均匀的轻量化构架。
APDL在其他领域的应用
APDL应用领域非常广泛，黄克权等利用APDL参数化分析，设计了25号港双丝焊接仿真的方法，包括有限元模型的参数化建立、焊接热源模型的参数化表示、热源移动的参数化实现、后处理模式的参数化方法；张光明等利用ANSYS软件的APDL的语言编写了程序，实现了呈高斯函数分布且移动的焊接热源的施加；赵燕以 ANSYS 为平台，采用 APDL 语言，在深基坑开挖工程中，对土体开挖、支撑架设和拆除等工况的关键技术问题实现自动动态模拟, 进行参数化建模、计算及数据处理，为利用 ANSYS 进行深基坑工程的数值模拟提供了一种快捷方法[15]； 张慧等利用 ANSYS 参数化编程语言 APDL，对侧向受荷桩土互相作用方面进行了一些关键性的研究；陈锦喜等采用 ANSYS 的 APDL 程序语言对某自动武器的复进簧进行参数化建模及有限元分析；熊刚等利用软件后处理中的面操作, 通过面积分和矩阵运算，编制了APDL 宏程序求实体单元模型内力图的方法。
虽然对于 APDL的研究和应用只是刚刚起步, 但从各方面的成果我们不难看出它在众多领域中的优越性。通过VC++对ANSYS的调用，实现了筒式永磁涡流联轴器参数化建模、分析及结果的显示。分析结果表明VC++与ANSYS结合，可以有效地发挥各自的优势[16]。VC++实现了参数化界面的编制，对ANSYS的参数化命令有效封装，弥补了ANSYS开发界面的不足[17]。 ANSYS中参数化建模，避免了软件本身交互操作的繁复易错。 本程序设计，可以让不精通ANSYS的设计人员对斗杆进行有限元分析．具有较强处理实际问题能力。
参考文献：
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[2] 葛邵飞，谢晓尧.基于 APDL 桥梁参数化有限元分析方法研究[J].计算机应用与软件, 2015(10):273-275.
[3] 博弈创作室．APDL参数化有限元分析技术及其应用实例[M]．北京：中国水利水电出版社，2004.
[4]王育坚. Visual C++面向对象编程教程[M].北京：清华大学出版社，2007.
[5]王昕瑜，任家骏.基于VC++和ANSYS的挖掘机斗杆的参数化有限元分析[J].煤矿机械, 2014, 35(5):228-231.
[6] 李悦，范勤.基于VC++和ANSYS的L型门机参数化有限元分析系统[J]. 制造业自动化, 2013, 35(9):113-116.
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[8] G Papa，Korou，B Seljak.An artificial intelligence approach to the efficiency
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[9] 应法明，滕欣定，吕少炯.基于VC和Ansys的电动单梁起重机金属结构软件系统的开发[J].起重运输机械, 2016(10):71-73.
[10]薛隆泉，王玉秋，刘荣昌，张红军，王慧武.基于VC++和ANSYS接口的高效率曲轴有限元分析系统[J].重型机械, 2004(5):28-31.
[11]苏洪伟.永磁涡流联轴器性能分析[D].吉林大学, 2013.
[12]梁明刚. 基于VC++和ANSYS接口的参数化桥式起重机桥架有限元分析系统[D].武汉科技大学，2008.
[13] 马少杰，曹吉胜..基于VC++和ANSYS的隧道施工实时监测技术[J].现代矿业, 2013, 29(8):81-83.
[14]徐伟，孙建军.永磁调速器的涡流场分析[J].机械传动, 2015(2):115-118.[15]夏瑞武.APDL参数化有限元分析技术及其应用[J].机电产品开发与创新, 2008, 21(2):103-104.
[16]王旭，王大志，刘震，宋克岭，刘胜利.永磁调速器的涡流场分析与性能计算[J].仪器仪表学报, 2012, 33(1):155-160.
[17] 姜波.基于万向联轴器的ANSYS有限元分析[J].科技传播, 2012(13):104-105.
研究内容
本次毕业设计主要目标是开发一种专用的筒式永磁涡流联轴器结构有限元分析平台。运用这个平台，只需输入初始参数就可以进行自动建模和有限元分析。
具体内容包括：
（1）利用APDL语言建立筒式永磁涡流联轴器的有限元模型，作为参数化模型的基础。
（2）研究VC++语言与ANSYS的接口技术，利用VC++对ANSYS二次开发。
（3）应用VC++语言和ANSYS软件开发出一套实用的筒式永磁涡流联轴器有限元分析平台。
系统结构框图
根据系统的任务要求，初步确定的整个系统的总体框图如下图一所示：
图: 系统的总体框图
二、研究内容
1.编写筒式永磁涡流联轴器有限元程序
大型有限元分析软件ANSYS自带的参数化设计语言APDL，可以完成对筒式永磁涡流联轴器的参数化建模，并对有限元模型进行分析和后处理。
2. 参数化的交互界面设计
采用VC++6.0进行程序的界面设计。多样化的控件，使其具有较强的界面编写功能。
（1）参数的确定
对筒式永磁涡流联轴器进行结构分析，需要在交互界面中输入其主要参数。
（2）参数的输入
程序运行后，通过输入参数，自动生成相应的APDL代码，保存在指定的TXT文件中。
（3）交互界面设计
交互界面主要包括三个部分：参数输入区、交互操作区及分析结果查看区。
3.VC++与软件接口
利用VC++对ANSYS进行封装，即用VC++对ANSYS二次开发，在VC++中将ANSYS软件作为子程序调用。
研究计划
第1-2周 熟悉课题，查找相关资料；
查找相关资料，开始着手理论设计；
第3-4周 完成英文文献翻译，基本完成理论设计雏形；
完成系统理论设计；
第5-6周 学习ANSYS编程；
第7-8周 编写筒式永磁涡流联轴器有限元程序；
第9-10周 编写筒式永磁涡流联轴器有限元程序；
第11-12周 利用VC++实现程序界面设计；
第13-14周 完成VC++与ANSYS软件的接口；
第15-16周 系统调试；
完成系统调试，对系统整体进一步优化；
特色与创新
利用参数化技术建立了筒式永磁涡流联轴器模型以及采用有限元分析方法提高了设计计算的准确度，增强了可靠性同时简化了分析过程，避免了大量重复性工作，从而加快了分析速度，缩短了产品的研发周期。