巧妙转换Pro/ENGINEER与ANSYS间的模型数据

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ANSYS软件诞生于上世纪70年代。在有限元分析软件的发展史上，ANSYS一直作为一个重要成员存在于激烈的市场竞争中，生存下来并不断发展壮大。目前ANSYS是世界上最有影响的以有限元分析为基础的CAE软件之一，广泛应用于机械制造、水利、石油化工、轻工、航空航天、电子及土木工程等行业的一般工业设计及科学研究。使用ANSYS进行分析必须通过构建三维几何模型，虽然其本身附带三维建模模块，但其建模能力与流行三维造型软件如Pro/ENGINEER、UG和CATIA等相比实在太弱。构建分析中需要的复杂的结构和曲面，在ANSYS当中实际很难完成。    Pro/ENGINEER（以下简称Pro/E）是美国PTC公司的产品，目前已经发布了Pro/ENGINEER Wildfire 3.0版。1985年PTC公司成立于美国波士顿，开始参数化建模软件的研究。经过10余年的发展，Pro/E已经成为最优秀的三维建模CAD软件之一。Pro/ENGINEER是一个基于特征的参数化实体造型系统，用户能迅速方便地利用其建立各种庞大复杂的模型。
# c5 W9 h& X4 l) x3 B" y    随着计算机技术的不断发展，利用先进的CAD/CAE工具对机械系统进行研究已经成为一种可行方案。充分利用Pro/ENGINEER和ANSYS这两个工具在各自领域的优势，并将其结合起来研究开发复杂机械系统的虚拟样机是当前国内多数研究群体的首选方案。

一、Pro/ENGINEER向ANSYS进行模型数据转换的方式介绍及评析
, a5 X! ^" F  p0 S/ N    当前CAD/CAE软件开发的趋势是专业化分工程度越来越高。虽然Pro/ENGINEER与ANSYS软件分别都有相应模块向对方领域渗透，允许用户在购买足够模块的基础上实现相应操作，但是对于需要使用CAD/CAE集成系统的工程人员来说，只使用单一的Pro/ENGINEER或者ANSYS软件都很难迅速优质地完成任务。工程人员较好的选择还是构建两者的集成系统作为工作平台。
/ o1 ~1 ?# f7 ?    建立由不同软件组成的集成系统的关键问题就是数据转换接口的设置（这里主要指从Pro/ENGINEER向ANSYS导入模型数据，使得ANSYS能够得到准确有效的模型数据便于下一步分析）。本文使用目前流行的版本Pro/ENGINEER Wildfire 2.0与ANSYS 9.0做分析，总结了三大类方式共4种方案可供实现数据转换。
7 D/ h9 u5 P: J, m# Y& E6 Z2 B5 e    1.利用IGES中间标准格式转换
    IGES(Initial Graphics ExchangeSpecification)是由美国国家标准协会(ANSI)组织波音公司、通用电气公司等共同商议制定的。它由一系列产品的几何、绘图、结构和其他信息组成，可以处理CAD/CAM系统中的大部分信息，亦受到绝大多数CAD/CAM系统的支持。IGES文件格式分为ASCⅡ格式和二进制格式，其中ASCⅡ格式又有固定行长(每行8O个字符)格式和压缩格式两种。由Pro/ENGINEER保存的IGES文件格式属于固定每行80字符的ASCⅡ格式文件。而ANSYS本身内置了IGES转换过滤器，所以它支持IGES格式文件的导入。但由于转换过滤程序允许输入部分模型参数，所以ANSYS有时会把不能识别的特征省略掉，如图1所示。当Pro/ENGINEER中建立的模型特征过多或结构过于复杂时，使用IGES文件格式输入到ANSYS后很可能产生模型断裂、丢失实体等情况，会直接影响模型后续分析的准确性。
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图1 ANSYS导入IGES文件时的报告

    通过实践，笔者发现可以在ANSYS的导入IGES文件对话框中作一些选项调整，多试几次就可得到满意效果。实践中对话框中当四个选项分别选取“Defeature model、合并重合的关键点、产生实体、删除小面积”时，就导入效果准确的模型，如图2所示的两种不同选项组合模型有很大差异。使用IGES中间标准格式有个缺点：导入模型相当耗费时间，耗费的时间与模型的复杂程度成正比。

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1 k' v4 a1 P3 Z图2 导入IGES选项不同导致输入的模型差异

6 w% ~6 @: ]+ T" T6 U    2 . 使用A N S Y S — P r o /ENGINEER接口转换
    A N S Y S 软件安装选项中包含与P r o / E N G I N E E R 软件的接口模块“Connection for Pro/Engineer”。此模块不仅能将Pro/E模型数据直接转换给ANSYS，同时还提供了以执行部件为基础的参数优化设计功能。该功能允许从建立以部件为基础的参数化Pro/E模型开始，用ANSYS程序对其进行优化，并以一个优化的模型结束，而且建立好的模型仍是以部件为基础的参数化模型。此模块能给工程人员在有限元分析过程中考虑采用何种前后处理提供最好的支持。利用软件自带接口能够快速准确地导入数据，因此下面将对此类方案着重进行分析。
7 W- a" E' @2 w* H  J4 k    ANSYS在默认的状态下是不能对Pro/E中的prt（或asm）文件进行直接转换的。必须通过以下过程对ANSYS设进行连接设置以激活模块。
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; a4 A$ O% X! V' W图3 ANS_ADMIN 9.0对话框

    鼠标点击“ 开始→ 程序→ANSYS 9.0→Utilities→ANS_ADMIN”，出现如图3所示对话框，选择“Configuration options →O K ” ， 接下来的对话框顺序选取“Configuration Connection for
7 N, T: _2 i' y7 B, g" v$ J4 x% u+ LPro/ENGINEER → OK”和“ANSYSMultiphysics & WIN32 → OK”。
    完成后，A N S Y S会自动提示已在自己的安装目录中成功生成了config.anscon文件，在接下来出现的对话框“PRO/ENGINEERInstallation path”选项后输入P r o / E 的起始安装路径如“ E : \proeWildfire 2.0”，“Language used with Pro/Engineer”选项用默认的“usascii”，然后点击“0K”。出现对话框提示在Pro/E目录下成功建立了一个protk.dat文件，点击确定即完成配置。现在打开Pro/E，如果在“工具”菜单的后面出现一个新菜单“ANSYS 9.0”（如图4所示），就表示已经成功建立了接口。

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3 D- r4 Z& y6 a( Q  D/ }图4 Pro/E下的ANSYS菜单

    接口配置完成后，就可以使用以下两个方案实现数据转换：
    （1）使用ANSYS直接导入Pro/E模型数据
    打开ANSYS，在点击“File→Import→Pro/E”后出现的对话框中，选择填入正确的prt文件名，并在“Pro/ENGINEER command”栏中填入正确运行P r o / E 的命令如“proe”，然后点“OK”即可完成输入。此操作要求被打开的prt文件必须在Pro/E的工作目录中，或者Pro/E与ANSYS有相同的工作目录，否则会出现找不到anf文件的错误。如果前面在“Pro/ENGINEER command”栏中填入了错误的运行命令，系统会自动出现一个致命错误的提示，这时重新输入正确即可。在某些ANSYS版本中此功能有Bug，当直接导入方案行不通时可以采用本文论述的其他方案。
/ X+ V+ O4 E3 R: L: G* _. _    (2)使用anf文件导入模型数据打开Pro/E后，新建或者打开一个p r t文件（可以不必输入材料特性），点击如图4所示的菜单“ANSYSGeom”, 就会自动启动ANSYS进行模型转换。因为要保护数据一致性，所以此种转换模式完成后不允许用户在Pro/ENGINEER环境中更改模型，如若需要更改只能在ANSYS中做模型修改，否则必须退出ANSYS才能回到Pro/ENGINEER环境。转换过程中Pro/ENGINEER会在自身的的工作目录下生成数个同名的文件，其中一个后缀名为.anf的文件就是可供ANSYS读取的格式。anf文件是ASCⅡ格式文件，其中记录了模型的特征数据，是ANSYS导入数据的标准格式之一。只要运行一次直接导入并生成了anf文件，就不需要再同时打开Pro/ENGINEER和ANSYS两个大型软件了。通常的做法是运行ANSYS，从菜单“File→Read input from”中选择该文件，即可完成模型的输入。
    3.在Pro/ENGINEER下选择ANSYS做求解器输出转换文件

, t' s6 U+ h) d& ~8 r7 ?- v图5 运行有限元分析菜单

    对于较简单零件的分析可以使用Pro/ENGINEER选择ANSYS做求解器输出转换文件的方案。新建或打开一个prt文件后，调用“应用程序”菜单中的Mechanica程序进入有限元FEM模式。此模式下允许输出以ANSYS为求解器的ans文件，此文件为ANSYS专用的附带网格信息的模型数据文件，属于ASCⅡ文件格式，文件中的标题部分指出允许读入此文件的最低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文件一样，我们可以从ANSYS菜单“File→Read input from”中选择文件，完成模型的输入。不同之处在于此时导入的模型是带有有限元网格的。
+ n1 V! U4 a5 m4 x. D; v& A2 i    生成ans文件的步骤如下：点击“网格”菜单选择“创建”，接下来一系列对话框是关于网格的选项，全部采用默认也可创建网格。网格创建完毕之后，“分析”菜单中的“有限元求解”选项即可使用，点击后出现如图5所示的运行有限元分析的菜单。在选择菜单中，选择求解器为ANSYS以及输出到文件选项，如图5所示。点击“OK”之后Pro/ENGINEER就在工作目录下建立了与prt文件名相同的ans文件。

8 h# J" \$ H8 U  o1 Q二、转换当中一些值得注意的问题
    在利用Pro/ENGINEER与ANSYS构成CAD/CAE集成系统的过程中容易产生一些错误，只有多实践才能根据出错提示找到正确的解决方式。以下列举一些常见问题的解决方式：
. J+ T  |5 @7 g    (1)Pro/ENGINEER与ANSYS必须安装于同一个操作系统下，ANSYS为了完成与Pro/ENGINEER的连接需要指定Pro/ENGINEER的安装路径，所以安装的顺序必须是先装Pro/ENGINEER再装ANSYS，最后设置连接过程。
% u" [% F3 _7 K( W    (2)Pro/ENGINEER与ANSYS都有许多版本，Pro/ENGINEER中生成的文件能够顺利被ANSYS读取的条件是安装的ANSYS版本发布时间要在Pro/ENGINEER版本之后。表1中列举了常用Pro/ENGINEER与ANSYS版本的发布时间以供参照。

表1 Pro/E与ANSYS版本发布时间对照

    (3)重要交换文件（如i g s、anf、ans文件）必须建立在不带有特殊字符和空格的文件夹中，否则ANSYS读取文件的时候会出现明明文件存在，但却因为找不到文件而终止读取的错误。较好的解决方法就是为每一个项目专门建立一个只含有字母、数字、下划线的文件夹，工作时把Pro/ENGINEER与ANSYS的工作目录都设置在这个文件夹中。既避免出错，又比较容易管理产生的数据文件。
    (4)导入文件后有可能出现不能正确显示模型的情况，此时可以观察ANSYS的模型显示区域左下角，当出现模型文件名时就说明其实已经导入成功了。点击“QSave”图标之后再点击“RESUM_DB”按钮重载一次数据库，模型就可正常显示。

( F( a% ~: ~$ a3 S5 e三、结论
% [/ T) G; X% l4 s$ J* [; T7 Z1 T    本文通过对P r o / E N G I N E E R Wildfire 2.0与ANSYS 9.0两大流行CAD/CAE软件的研究，解决了实际工程应用中CAD/CAE系统集成的接口问题。对由Pro/ENGINEER向ANSYS转换数据提供了几种解决方案及实现步骤，并对常见的问题予以评析。这样，通过Pro/ENGINEER强大的建模功能所建立的模型，就能够直接转入ANSYS系统进行各种分析，为广大工程设计开发人员建立一个良好的集成开发环境铺平道路。

stevestsheng

wf4.0就没有这么麻烦了！