巧妙轉(zhuǎn)換Pro/ENGINEER與ANSYS間的模型數(shù)據(jù)

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ANSYS軟件誕生于上世紀(jì)70年代。在有限元分析軟件的發(fā)展史上,，ANSYS一直作為一個(gè)重要成員存在于激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中,，生存下來(lái)并不斷發(fā)展壯大,。目前ANSYS是世界上最有影響的以有限元分析為基礎(chǔ)的CAE軟件之一,，廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造,、水利,、石油化工,、輕工,、航空航天、電子及土木工程等行業(yè)的一般工業(yè)設(shè)計(jì)及科學(xué)研究,。使用ANSYS進(jìn)行分析必須通過(guò)構(gòu)建三維幾何模型,，雖然其本身附帶三維建模模塊，但其建模能力與流行三維造型軟件如Pro/ENGINEER,、UG和CATIA等相比實(shí)在太弱,。構(gòu)建分析中需要的復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和曲面，在ANSYS當(dāng)中實(shí)際很難完成,。    Pro/ENGINEER（以下簡(jiǎn)稱Pro/E）是美國(guó)PTC公司的產(chǎn)品,，目前已經(jīng)發(fā)布了Pro/ENGINEER Wildfire 3.0版。1985年P(guān)TC公司成立于美國(guó)波士頓,，開(kāi)始參數(shù)化建模軟件的研究,。經(jīng)過(guò)10余年的發(fā)展，Pro/E已經(jīng)成為最優(yōu)秀的三維建模CAD軟件之一,。Pro/ENGINEER是一個(gè)基于特征的參數(shù)化實(shí)體造型系統(tǒng),，用戶能迅速方便地利用其建立各種龐大復(fù)雜的模型。
9 M. R# ?. p2 C" _* N    隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展,，利用先進(jìn)的CAD/CAE工具對(duì)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行研究已經(jīng)成為一種可行方案,。充分利用Pro/ENGINEER和ANSYS這兩個(gè)工具在各自領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，并將其結(jié)合起來(lái)研究開(kāi)發(fā)復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)是當(dāng)前國(guó)內(nèi)多數(shù)研究群體的首選方案,。
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一,、Pro/ENGINEER向ANSYS進(jìn)行模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的方式介紹及評(píng)析
, A! C  i4 a/ Z) F8 b    當(dāng)前CAD/CAE軟件開(kāi)發(fā)的趨勢(shì)是專業(yè)化分工程度越來(lái)越高。雖然Pro/ENGINEER與ANSYS軟件分別都有相應(yīng)模塊向?qū)Ψ筋I(lǐng)域滲透,，允許用戶在購(gòu)買(mǎi)足夠模塊的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)相應(yīng)操作,，但是對(duì)于需要使用CAD/CAE集成系統(tǒng)的工程人員來(lái)說(shuō)，只使用單一的Pro/ENGINEER或者ANSYS軟件都很難迅速優(yōu)質(zhì)地完成任務(wù),。工程人員較好的選擇還是構(gòu)建兩者的集成系統(tǒng)作為工作平臺(tái),。
. l2 |( \& A: W3 N' T: K, \) ^    建立由不同軟件組成的集成系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題就是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口的設(shè)置（這里主要指從Pro/ENGINEER向ANSYS導(dǎo)入模型數(shù)據(jù)，使得ANSYS能夠得到準(zhǔn)確有效的模型數(shù)據(jù)便于下一步分析）,。本文使用目前流行的版本Pro/ENGINEER Wildfire 2.0與ANSYS 9.0做分析,，總結(jié)了三大類方式共4種方案可供實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。
- u) w$ ^2 t8 Y6 {* z    1.利用IGES中間標(biāo)準(zhǔn)格式轉(zhuǎn)換
    IGES(Initial Graphics ExchangeSpecification)是由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(ANSI)組織波音公司,、通用電氣公司等共同商議制定的,。它由一系列產(chǎn)品的幾何、繪圖,、結(jié)構(gòu)和其他信息組成,，可以處理CAD/CAM系統(tǒng)中的大部分信息，亦受到絕大多數(shù)CAD/CAM系統(tǒng)的支持,。IGES文件格式分為ASCⅡ格式和二進(jìn)制格式,，其中ASCⅡ格式又有固定行長(zhǎng)(每行8O個(gè)字符)格式和壓縮格式兩種,。由Pro/ENGINEER保存的IGES文件格式屬于固定每行80字符的ASCⅡ格式文件。而ANSYS本身內(nèi)置了IGES轉(zhuǎn)換過(guò)濾器,，所以它支持IGES格式文件的導(dǎo)入,。但由于轉(zhuǎn)換過(guò)濾程序允許輸入部分模型參數(shù)，所以ANSYS有時(shí)會(huì)把不能識(shí)別的特征省略掉,，如圖1所示,。當(dāng)Pro/ENGINEER中建立的模型特征過(guò)多或結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜時(shí)，使用IGES文件格式輸入到ANSYS后很可能產(chǎn)生模型斷裂,、丟失實(shí)體等情況,，會(huì)直接影響模型后續(xù)分析的準(zhǔn)確性。
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5 j* _, }/ Q0 P圖1 ANSYS導(dǎo)入IGES文件時(shí)的報(bào)告

    通過(guò)實(shí)踐,，筆者發(fā)現(xiàn)可以在ANSYS的導(dǎo)入IGES文件對(duì)話框中作一些選項(xiàng)調(diào)整,，多試幾次就可得到滿意效果。實(shí)踐中對(duì)話框中當(dāng)四個(gè)選項(xiàng)分別選取“Defeature model,、合并重合的關(guān)鍵點(diǎn),、產(chǎn)生實(shí)體、刪除小面積”時(shí),，就導(dǎo)入效果準(zhǔn)確的模型,，如圖2所示的兩種不同選項(xiàng)組合模型有很大差異。使用IGES中間標(biāo)準(zhǔn)格式有個(gè)缺點(diǎn)：導(dǎo)入模型相當(dāng)耗費(fèi)時(shí)間,，耗費(fèi)的時(shí)間與模型的復(fù)雜程度成正比,。

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圖2 導(dǎo)入IGES選項(xiàng)不同導(dǎo)致輸入的模型差異

/ K# \2 x& r' b    2 . 使用A N S Y S — P r o /ENGINEER接口轉(zhuǎn)換
/ L& c6 G) q% p: C, E: S4 V) X    A N S Y S 軟件安裝選項(xiàng)中包含與P r o / E N G I N E E R 軟件的接口模塊“Connection for Pro/Engineer”。此模塊不僅能將Pro/E模型數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換給ANSYS,，同時(shí)還提供了以執(zhí)行部件為基礎(chǔ)的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)功能,。該功能允許從建立以部件為基礎(chǔ)的參數(shù)化Pro/E模型開(kāi)始,，用ANSYS程序?qū)ζ溥M(jìn)行優(yōu)化,，并以一個(gè)優(yōu)化的模型結(jié)束，而且建立好的模型仍是以部件為基礎(chǔ)的參數(shù)化模型,。此模塊能給工程人員在有限元分析過(guò)程中考慮采用何種前后處理提供最好的支持,。利用軟件自帶接口能夠快速準(zhǔn)確地導(dǎo)入數(shù)據(jù)，因此下面將對(duì)此類方案著重進(jìn)行分析,。
    ANSYS在默認(rèn)的狀態(tài)下是不能對(duì)Pro/E中的prt（或asm）文件進(jìn)行直接轉(zhuǎn)換的,。必須通過(guò)以下過(guò)程對(duì)ANSYS設(shè)進(jìn)行連接設(shè)置以激活模塊。
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圖3 ANS_ADMIN 9.0對(duì)話框

    鼠標(biāo)點(diǎn)擊“ 開(kāi)始→ 程序→ANSYS 9.0→Utilities→ANS_ADMIN”,，出現(xiàn)如圖3所示對(duì)話框,，選擇“Configuration options →O K ” ， 接下來(lái)的對(duì)話框順序選取“Configuration Connection for
Pro/ENGINEER → OK”和“ANSYSMultiphysics & WIN32 → OK”,。
    完成后,，A N S Y S會(huì)自動(dòng)提示已在自己的安裝目錄中成功生成了config.anscon文件,，在接下來(lái)出現(xiàn)的對(duì)話框“PRO/ENGINEERInstallation path”選項(xiàng)后輸入P r o / E 的起始安裝路徑如“ E : \proeWildfire 2.0”，“Language used with Pro/Engineer”選項(xiàng)用默認(rèn)的“usascii”,，然后點(diǎn)擊“0K”,。出現(xiàn)對(duì)話框提示在Pro/E目錄下成功建立了一個(gè)protk.dat文件，點(diǎn)擊確定即完成配置�,，F(xiàn)在打開(kāi)Pro/E,，如果在“工具”菜單的后面出現(xiàn)一個(gè)新菜單“ANSYS 9.0”（如圖4所示），就表示已經(jīng)成功建立了接口,。
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* g: [' o/ M) P( e& Z; [圖4 Pro/E下的ANSYS菜單

    接口配置完成后,，就可以使用以下兩個(gè)方案實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換：
8 O  ~2 T5 U* f    （1）使用ANSYS直接導(dǎo)入Pro/E模型數(shù)據(jù)
    打開(kāi)ANSYS，在點(diǎn)擊“File→Import→Pro/E”后出現(xiàn)的對(duì)話框中,，選擇填入正確的prt文件名,，并在“Pro/ENGINEER command”欄中填入正確運(yùn)行P r o / E 的命令如“proe”，然后點(diǎn)“OK”即可完成輸入,。此操作要求被打開(kāi)的prt文件必須在Pro/E的工作目錄中,，或者Pro/E與ANSYS有相同的工作目錄，否則會(huì)出現(xiàn)找不到anf文件的錯(cuò)誤,。如果前面在“Pro/ENGINEER command”欄中填入了錯(cuò)誤的運(yùn)行命令,，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)出現(xiàn)一個(gè)致命錯(cuò)誤的提示，這時(shí)重新輸入正確即可,。在某些ANSYS版本中此功能有Bug,，當(dāng)直接導(dǎo)入方案行不通時(shí)可以采用本文論述的其他方案。
    (2)使用anf文件導(dǎo)入模型數(shù)據(jù)打開(kāi)Pro/E后,，新建或者打開(kāi)一個(gè)p r t文件（可以不必輸入材料特性）,，點(diǎn)擊如圖4所示的菜單“ANSYSGeom”, 就會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)ANSYS進(jìn)行模型轉(zhuǎn)換。因?yàn)橐�保護(hù)數(shù)據(jù)一致性,，所以此種轉(zhuǎn)換模式完成后不允許用戶在Pro/ENGINEER環(huán)境中更改模型,，如若需要更改只能在ANSYS中做模型修改，否則必須退出ANSYS才能回到Pro/ENGINEER環(huán)境,。轉(zhuǎn)換過(guò)程中Pro/ENGINEER會(huì)在自身的的工作目錄下生成數(shù)個(gè)同名的文件,，其中一個(gè)后綴名為.anf的文件就是可供ANSYS讀取的格式。anf文件是ASCⅡ格式文件,，其中記錄了模型的特征數(shù)據(jù),，是ANSYS導(dǎo)入數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)格式之一。只要運(yùn)行一次直接導(dǎo)入并生成了anf文件,，就不需要再同時(shí)打開(kāi)Pro/ENGINEER和ANSYS兩個(gè)大型軟件了,。通常的做法是運(yùn)行ANSYS，從菜單“File→Read input from”中選擇該文件，即可完成模型的輸入,。
    3.在Pro/ENGINEER下選擇ANSYS做求解器輸出轉(zhuǎn)換文件

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圖5 運(yùn)行有限元分析菜單

    對(duì)于較簡(jiǎn)單零件的分析可以使用Pro/ENGINEER選擇ANSYS做求解器輸出轉(zhuǎn)換文件的方案,。新建或打開(kāi)一個(gè)prt文件后，調(diào)用“應(yīng)用程序”菜單中的Mechanica程序進(jìn)入有限元FEM模式,。此模式下允許輸出以ANSYS為求解器的ans文件,，此文件為ANSYS專用的附帶網(wǎng)格信息的模型數(shù)據(jù)文件，屬于ASCⅡ文件格式,，文件中的標(biāo)題部分指出允許讀入此文件的最低ANSYS版本,，如Pro/ENGINEER Wildfire 2.0生成的ans文件要求是ANSYS 7.1。同使用anf文件一樣,，我們可以從ANSYS菜單“File→Read input from”中選擇文件,，完成模型的輸入。不同之處在于此時(shí)導(dǎo)入的模型是帶有有限元網(wǎng)格的,。
    生成ans文件的步驟如下：點(diǎn)擊“網(wǎng)格”菜單選擇“創(chuàng)建”,，接下來(lái)一系列對(duì)話框是關(guān)于網(wǎng)格的選項(xiàng)，全部采用默認(rèn)也可創(chuàng)建網(wǎng)格,。網(wǎng)格創(chuàng)建完畢之后,，“分析”菜單中的“有限元求解”選項(xiàng)即可使用，點(diǎn)擊后出現(xiàn)如圖5所示的運(yùn)行有限元分析的菜單,。在選擇菜單中,，選擇求解器為ANSYS以及輸出到文件選項(xiàng)，如圖5所示,。點(diǎn)擊“OK”之后Pro/ENGINEER就在工作目錄下建立了與prt文件名相同的ans文件,。
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二、轉(zhuǎn)換當(dāng)中一些值得注意的問(wèn)題
1 Y* K+ C6 @! n! }" B# I    在利用Pro/ENGINEER與ANSYS構(gòu)成CAD/CAE集成系統(tǒng)的過(guò)程中容易產(chǎn)生一些錯(cuò)誤,，只有多實(shí)踐才能根據(jù)出錯(cuò)提示找到正確的解決方式,。以下列舉一些常見(jiàn)問(wèn)題的解決方式：
    (1)Pro/ENGINEER與ANSYS必須安裝于同一個(gè)操作系統(tǒng)下，ANSYS為了完成與Pro/ENGINEER的連接需要指定Pro/ENGINEER的安裝路徑,，所以安裝的順序必須是先裝Pro/ENGINEER再裝ANSYS,，最后設(shè)置連接過(guò)程。
4 i3 z8 U2 k: s$ w9 x    (2)Pro/ENGINEER與ANSYS都有許多版本,，Pro/ENGINEER中生成的文件能夠順利被ANSYS讀取的條件是安裝的ANSYS版本發(fā)布時(shí)間要在Pro/ENGINEER版本之后,。表1中列舉了常用Pro/ENGINEER與ANSYS版本的發(fā)布時(shí)間以供參照,。

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7 X1 P- d9 M( H1 h% I表1 Pro/E與ANSYS版本發(fā)布時(shí)間對(duì)照

    (3)重要交換文件（如i g s,、anf、ans文件）必須建立在不帶有特殊字符和空格的文件夾中,，否則ANSYS讀取文件的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)明明文件存在,，但卻因?yàn)檎也坏轿募�而終止讀取的錯(cuò)誤。較好的解決方法就是為每一個(gè)項(xiàng)目專門(mén)建立一個(gè)只含有字母、數(shù)字,、下劃線的文件夾,，工作時(shí)把Pro/ENGINEER與ANSYS的工作目錄都設(shè)置在這個(gè)文件夾中。既避免出錯(cuò),，又比較容易管理產(chǎn)生的數(shù)據(jù)文件,。
    (4)導(dǎo)入文件后有可能出現(xiàn)不能正確顯示模型的情況，此時(shí)可以觀察ANSYS的模型顯示區(qū)域左下角,，當(dāng)出現(xiàn)模型文件名時(shí)就說(shuō)明其實(shí)已經(jīng)導(dǎo)入成功了,。點(diǎn)擊“QSave”圖標(biāo)之后再點(diǎn)擊“RESUM_DB”按鈕重載一次數(shù)據(jù)庫(kù)，模型就可正常顯示,。

# S! M% m' r9 U9 h三,、結(jié)論
3 D1 O% T4 i/ C2 ]9 a    本文通過(guò)對(duì)P r o / E N G I N E E R Wildfire 2.0與ANSYS 9.0兩大流行CAD/CAE軟件的研究，解決了實(shí)際工程應(yīng)用中CAD/CAE系統(tǒng)集成的接口問(wèn)題,。對(duì)由Pro/ENGINEER向ANSYS轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)提供了幾種解決方案及實(shí)現(xiàn)步驟,，并對(duì)常見(jiàn)的問(wèn)題予以評(píng)析。這樣,，通過(guò)Pro/ENGINEER強(qiáng)大的建模功能所建立的模型,，就能夠直接轉(zhuǎn)入ANSYS系統(tǒng)進(jìn)行各種分析，為廣大工程設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)人員建立一個(gè)良好的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境鋪平道路,。

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