动力学分析、三维造型和有限元分析软件间数据自动转换的方法

摘要

本发明公开了一种动力学分析、三维造型和有限元分析软件之间数据自动转换的方法，包括以下步骤：启动机械系统动力学分析软件，加载虚拟样机模型进行运动学动力学仿真；在所述三维造型软件中利用相关插件程序生成所述动力学分析软件可识别的CMD命令文件；在所述有限元分析软件中导出对应模型的模态中性文件；利用所述动力学分析软件读取上述生成的所述CMD命令文件和所述模态中性文件并进行刚柔混合仿真；进行循环性的修改模型和柔性化模型，并将较优的结果屏幕显示以及保存数据文件。将本发明的数据自动转换的方法应用于复杂的机械系统设计、分析，可以提高产品设计精度和设计效率。

说明书

技术领域

本发明涉及机械设计领域，特别是涉及一种动力学分析、三维造型和有限元分析软件之间数据自动转换的方法。

背景技术

目前的CAD/CAE/CAM等工程软件不少，它们各自适用于不同的专业技术领域(如造型设计、运动学动力学分析、有限元柔性分析)；即使属于同一领域(如各种高端CAD造型软件Pro/E、UG、CATIA等、各种大型CAE分析软件ANSYS、ADAMS、MSC.NASTRAN等)，它们也各具特色和优势，充分利用这些功能强大的工程设计软件进行复杂机械系统的联合设计和分析，能够极大地改进产品设计质量并提高产品设计效率。由于各类软件系统的相对独立性、不同软件开发商执行的行业标准不同以及软件版本不断升级等原因，这些软件系统往往自成体系、各具特点，缺乏统一的数据模型和通信约定，以致不同环节之间的数据传递不畅通。

具体的说，在应用CAD/CAE/CAM等工程类软件求解实际的工程问题时，如拖拉机转向机构的虚拟试验设计、联合收割机整机及脱粒部件等关键部件及的运动学和动力学仿真研究等，不可避免要涉及到不同软件的接口问题。所谓软件接口技术是指能够实现两个或两个以上系统间信息交换的程序或方法。其核心内容就是从其中一个(或多个)软件系统读出信息，再将信息写入另一个(或多个)软件系统，从而能可靠、高效地求解集成性和复杂性越来越强的实际工程问题。目前解决的办法是采用人工方式，手动进行数据转换，这种方式效率低，很难真正实现软件之间数据信息的无缝自动化传输、共享和集成。这就导致在利用大型工程设计软件进行复杂机械系统的联合设计及仿真时，为获得更好性能而开展的虚拟试验、优化设计等复杂反复的自动化计算过程无法实现。目前，这已成为复杂机械系统设计的瓶颈问题。

公开号为CN101561838A的中国专利文献公开了一种ADAMS软件与Pro/E软件之间数据转换的方法，包括以下步骤：首先利用ADAMS进行运动学、动力学分析，当根据分析结果或设计要求，需要改变零、部件模型的尺寸参数时，利用ADAMS宏命令和操作系统的批处理命令语句，从ADAMS中直接启动三维参数化建模软件Pro/E；在Pro/E中完成三维整机或零部件模型的自动修改、重构和虚拟装配，并利用接口模块MECH/Pro施加约束，最后采用Pro/TOOLKIT的命令语句，从Pro/E中自动返回ADAMS；再次进行运动学、动力学分析，若符合要求则输出结果；否则重复上述步骤直至满足要求为止；在ADAMS软件中，需要修改的模型尺寸数据以独立的数据文件形式输出保存。

但上述中国专利文献CN101561838A公开的方法无法解决ADAMS等动力学分析软件、Pro/E等三维造型软件和ANSYS等有限元分析软件三者之间的数据自动传输问题，因此在复杂机械系统设计过程中，例如当：(1)需要将机械零件的柔性特征(如零件模态数据信息)从ANSYS自动传输至ADAMS中进行动力学分析时；(2)需要在ANSYS中自动修改Pro/E等三维造型软件的零件几何模型信息时。在上述两种情况下该方法将无能为力。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中动力学分析软件、三维造型软件和有限元分析软件之间数据无法自动转换，导致无法进行复杂机械系统设计分析的技术问题，提出一种动力学分析软件、三维造型软件和有限元分析软件之间数据自动转换的方法。

为达到上述目的，本发明的技术方案提供一种动力学分析软件、三维造型软件和有限元分析软件之间数据自动转换的方法，包括以下步骤：

(1)启动机械系统动力学分析软件；

(2)加载虚拟样机模型，进行运动学动力学仿真分析；

(3)当要进行刚柔混合仿真分析时，利用动力学分析软件宏命令和批处理命令语句，从动力学分析软件中启动三维造型软件，在所述三维造型软件中完成三维整机模型和零件模型的自动修改、重构和虚拟装配，并利用接口模块读取.mpr文件并重生，最后采用命令语句读取轨迹文件生成所述动力学分析软件可识别的CMD命令文件；

(4)从动力学分析软件中启动三维造型软件，在所述三维造型软件中完成三维零件模型的自动修改、重构，并利用三维造型软件与有限元分析软件的接口生成有限元分析软件可识别的模型数据；

(5)在有限元分析软件中完成读取步骤(4)中生成的可识别的模型数据，利用有限元分析软件与动力学分析软件的接口导出对应零件模型的模态中性文件；

(6)利用所述动力学分析软件读取步骤(3)生成的所述CMD命令文件和步骤(5)中所述模态中性文件，在施加约束与驱动之后，利用所述动力学分析软件进行刚柔混合仿真，将结果数据屏幕显示并以独立的数据文件形式输出保存；

(7)应用所述动力学分析软件进行循环性的修改模型并柔性化模型，并将较优的结果屏幕显示。

其中，所述动力学分析软件为ADAMS软件，所述三维造型软件为Pro/E软件，所述有限元分析软件为ANSYS软件。

其中，步骤(6)包括以下具体步骤：

利用ADAMS的宏命令与ADAMS/AutoFlex将MNF读入以将对应的零件柔性化；

删除对应零件刚体或者修改该刚体的属性；

对于柔性化后的零件添加对应的约束；

创建测量，并对要分析的目标建立函数表达式；

利用变量和数据元素存储每一次的实验结果数据，利用ADAMS宏命令和条件控制语言显示数据信息；

利用ADAMS的file读写命令将所有信息写入独立的数据文件；

循环结束后，利用ADAMS的矩阵数组函数以及宏命令对实验结果进行分析并输出最终的结果。

其中，步骤(3)中的所述接口模块为MECH/Pro模块。

其中，步骤(3)中的所述命令语句为Pro/TOOLKIT命令语句。

其中，步骤(4)包括：

启动Pro/E，并将三维模型载入内存并窗口显示；

利用VC读取数据文件将数值储存并赋值给Pro/E中模型的参数，以修改模型的尺寸，并调用ProSolidRegenerate()函数实现模型的重生；

调用ProMacroLoad()执行宏命令实现Pro/E向ANSYS转换数据；

结束gus.exe和cmd.exe进程；

退出ANSYS程序，即完成了ANF文件的生成。

其中，步骤(5)包括：

编写APDL宏文件，包括ANF文件的读取、单元属性的定义、网格划分、蜘蛛网的生成、MNF的导出以及ANSYS程序的退出；

利用DOS命令或者system()函数实现后台启动ANSYS程序和读取APDL宏文件，完成MNF的生成。

其中，在步骤(3)中所述三维造型软件中完成三维整机模型和零件模型的自动修改、重构和虚拟装配的步骤包括：

启动Pro/E，并将三维模型载入内存并窗口显示；

应用VC读取数据文件将数值储存并赋值给Pro/E中模型的参数，以修改模型的尺寸，并调用ProSolidRegenerate()函数实现零件模型和装配模型的重生；

调用ProMacroLoad()执行宏命令实现轨迹文件的读取。

其中，所述轨迹文件的具体内容包括：利用MECH/Pro打开.mpr文件并重生模型，再利用interface实现到ADAMS/View的转化以生成CMD命令文件和SLP文件。

其中，所述.mpr文件的具体内容是：利用MECH/Pro将三维模型生成刚体以及添加一些关键的Marker。

上述技术方案具有如下优点：在进行机械系统设计分析时，本发明的动力学分析软件、三维造型软件和有限元分析软件之间数据自动转换的方法，利用开发的接口程序自动修改模型尺寸参数，自动进行零件和装配模型重构，自动将零件柔性化并进行多次循环刚柔混合仿真分析，多次运行找到其中较满意的结果。利用本发明的方法，Pro/E等三维参数化建模软件、ADAMS等运动学动力学分析软件和ANSYS等有限元分析软件之间的数据信息传递完全采用自动化方式，不需要人工干预。因此，本发明的方法将三维建模软件强大的建模功能、运动学动力学分析软件强大的分析功能以及有限元分析软件有限元功能真正无缝集成起来，为完成机械系统虚拟试验和优化分析，提供了一种自动、简便、高效、可靠的实现手段。将本发明的数据自动转换的方法应用于复杂的机械系统设计、分析，可以提高产品设计精度和设计效率。

本发明的动力学分析软件、三维造型软件和有限元分析软件之间数据自动转换的方法，实现了CAD/CAE软件(ADAMS、Pro/E和ANSYS软件)之间的参数化设计分析，将所有功能的实现集成在ADAMS软件环境中，对于影响某个具体模型性能的因素可进行试验分析，可以将对整机性能有影响的零件模型或者其他关键零件模型进行柔性化，并能进行刚体运动学动力学分析或者刚柔混合仿真，将各次的试验结果与试验分析的结果显示输出并以独立的数据文件保存。

本发明的动力学分析软件、三维造型软件和有限元分析软件之间数据自动转换的方法已经在拖拉机转向机构的设计方面进行了实验应用，应用表明，所提出的这种自动化数据转换技术是科学有效的，并为复杂机械系统的设计分析提供了一种自动、高效而可靠的解决方案。

附图说明

图1是本发明实施例的一种ADAMS、Pro/E和ANSYS软件之间数据转换的方法的流程图；

图2是图1所示的实施例中Pro/E-ADAMS异步可执行程序流程图；

图3是图1所示的实施例中Pro/E-ANSYS异步可执行程序流程图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1至3显示了本实施例的技术方案提供一种ADAMS软件、Pro/E软件和ANSYS软件之间数据转换的方法，如图1所示，包括以下步骤：

(1)启动机械系统动力学分析软件；

(2)加载虚拟样机模型，进行运动学动力学仿真分析；

(3)当要进行刚柔混合仿真分析时，利用动力学分析软件宏命令和批处理命令语句，从动力学分析软件中启动执行Pro/E-ADAMS异步可执行程序，在所述三维造型软件中完成三维整机模型和零件模型的自动修改、重构和虚拟装配，并利用接口模块读取.mpr文件并重生，最后采用命令语句读取轨迹文件生成所述动力学分析软件可识别的CMD命令文件；

所述可执行程序，如图2所示，包括以下步骤：

①启动Pro/E；利用Pro/TOOLKIT函数ProEngineerStart()异步启动Pro/E程序；

②创建变量；

③读取中间文件；VC读取数据文件中的数值，并转换为实型数值；

④变量赋值；将参数值赋给Pro/E中的变量；

⑤载入装配模型和零件模型；利用Pro/TOOLKIT函数ProMdlRetrieve()实现模型载入内存；

⑥初始化装配模型和零件模型；利用Pro/TOOLKIT函数ProModelitemInit()函数实现初始化模型，利用Pro/TOOLKIT函数ProParameterInit()函数实现初始化模型参数；

⑦装配模型和零件模型修改与重构；

利用Pro/TOOLKIT函数ProParameterValueSet()实现模型和零件模型参数的设定，利用Pro/TOOLKIT函数SolidRegenerate()函数实现零件模型以及装配模型重生；

⑧读取轨迹文件，利用MECH/Pro生成ADAMS模型文件；

利用Pro/TOOLKIT函数ProMacroLoad()读取轨迹文件实现三维模型转化为ADAMS模型数据，其中轨迹文件的具体内容是：利用MECH/Pro打开.mpr文件并重生模型，再利用interface实现到ADAMS/View的转化以生成CMD命令文件和SLP文件。其中.mpr文件的具体内容是：利用MECH/Pro将三维模型生成刚体以及添加一些关键的Marker，在添加Marker时，一般添加在PNT上，因为Pro/E中创建的模型的PNT是参数化的。

(4)利用ADAMS宏命令和Windows XP操作系统的批处理命令语句，从ADAMS中直接执行Pro/E-ANSYS异步可执行程序，在Pro/E中完成三维零件模型的自动修改、重构，并利用Pro/E与ANSYS的接口生成ANSYS可识别的模型数据，即ANF文件(当然在其他的实施例中也可以是.anf、.prt、.igs等文件格式)。

其中的Pro/E-ANSYS可执行程序是由Pro/E的开发工具Pro/TOOLKIT在异步模式下开发的可执行程序，该Pro/E-ANSYS可执行程序包括以下步骤：

①启动Pro/E；利用Pro/TOOLKIT函数ProEngineerStart()异步启动Pro/E程序；

②创建变量；

③读取中间文件；VC读取数据文件中的数值，并转换为实型数值；

④变量赋值；将参数值赋给Pro/E中的变量；

⑤载入需要修改尺寸的零件模型；利用Pro/TOOLKIT函数ProMdlRetrieve()实现零件模型载入内存；

⑥初始化该零件模型；利用Pro/TOOLKIT函数ProModelitemInit()函数实现初始化零件模型，利用Pro/TOOLKIT函数ProParameterInit()函数实现初始化零件模型参数；

⑦零件模型修改与重构；利用Pro/TOOLKIT函数ProParameterValueSet()实现零件模型参数的设定，利用Pro/TOOLKIT函数SolidRegenerate()函数实现零件模型重生；

⑧转化模型数据；

利用内嵌的Pro/E-ANSYS接口将模型数据从Pro/E软件传递至ANSYS软件中，其包括的步骤为：首先调用Pro/TOOLKIT函数ProMacroLoad()执行宏命令实现内嵌接口的操作；然后结束gus.exe、cmd.exe以及ansys.exe进程，即可生成ANSYS软件可读取的ANF文件。

在其他的实施例中，转化模型数据也可以是：利用prt文件或者igs、stp中性文件格式来实现，其包括的步骤为：调用Pro/TOOLKIT函数ProMacroLoad()执行宏命令或者其他函数实现文件存取的操作，即可生成prt文件或者igs、stp中性文件格式。

⑨判断是否需要进行其他零件模型的尺寸修改，如果不需要，则转步骤⑩，直接退出Pro/E程序，否则，进入步骤②创建变量进行下一个零件模型的尺寸修改；

⑩退出Pro/E；利用Pro/TOOLKIT函数ProEngineerEnd()实现退出Pro/E程序；

退出该可执行程序；利用VC函数SendMessage(WM_CLOSE)实现可执行程序窗口的关闭与退出，完成ANF文件的生成。

(5)在ANSYS中完成读取ANF文件，利用ANSYS与ADAMS的接口导出对应零件模型的模态中性文件，即MNF；

首先编写APDL宏文件，包括ANF文件的读取、单元属性的定义、网格划分、蜘蛛网的生成、MNF的导出以及ANSYS程序的退出；

然后利用DOS命令或者system()函数实现后台启动ANSYS程序和读取APDL宏文件，完成MNF的生成。

(6)ADAMS软件读取上面生成的CMD命令文件和MNF，在施加约束与驱动之后，ADAMS进行刚柔混合仿真，将结果数据屏幕显示并以独立的数据文件形式输出保存。ADAMS将进行循环性的修改模型并柔性化模型，并将较优的结果屏幕显示；

首先利用ADAMS的宏命令与ADAMS/AutoFlex将MNF读入以将对应的零件柔性化；

然后删除对应零件刚体或者修改该刚体的属性；

添加零部件之间的约束。

然后创建测量，并对要分析的目标建立函数表达式；

然后利用变量和数据元素存储每一次的实验结果数据，利用ADAMS宏命令和条件控制语言显示数据信息；

然后利用ADAMS的file读写命令将所有信息写入独立的数据文件；

循环结束后，利用ADAMS的矩阵数组函数以及宏命令对实验结果进行分析并输出最终的结果。

应用本实施例中的动力学分析软件、三维造型软件和有限元分析软件之间数据自动转换的方法实现了CAD/CAE软件(ADAMS、Pro/E和ANSYS软件)之间的参数化设计分析，将所有功能的实现集成在ADAMS软件环境中，对于影响某个具体模型性能的因素进行试验分析，可以将对整机性能有影响的零件模型或者其他关键零件模型进行柔性化，并能进行刚柔混合仿真，将各次的试验结果与试验分析的结果显示输出并以独立的数据文件保存。

利用本实施例中的方法可以使Pro/E等三维参数化建模软件、ADAMS等运动学动力学分析软件和ANSYS等有限元分析软件之间的数据信息传递完全采用自动化方式，不需要人工干预。因此，本实施例的方法将三维建模软件强大的建模功能、运动学动力学分析软件强大的分析功能以及有限元分析软件有限元功能真正无缝集成起来，为完成机械系统虚拟试验和优化分析，提供了一种自动、简便、高效、可靠的实现手段。对于复杂的机械系统设计、分析提高了产品设计精度和设计效率。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。