付 磊，李 良，鄭明訓(xùn)

（四川理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，四川自貢643000）

攪拌操作是化工反應(yīng)過(guò)程的重要環(huán)節(jié)，其原理涉及流體力學(xué)、傳熱、傳質(zhì)及化學(xué)反應(yīng)等多種過(guò)程。攪拌器是攪拌單元設(shè)備的關(guān)鍵部件，是反應(yīng)釜的核心，它直接影響著攪拌單元設(shè)備的傳質(zhì)、傳熱能力，從而影響著化學(xué)反應(yīng)過(guò)程及產(chǎn)品質(zhì)量[1]。常用的攪拌器有推進(jìn)式、渦輪式、框式、螺桿式、螺帶式等。其中螺桿式攪拌器的攪拌性能好，效率高，能耗低，在攪拌反應(yīng)釜中廣泛應(yīng)用。

ANSYS有限元分析程序是著名的CAE供應(yīng)商美國(guó)ANSYS公司的產(chǎn)品，主要用于結(jié)構(gòu)、熱、流體和電磁四大物理場(chǎng)獨(dú)立或耦合分析的CAE工具[2]。ANSYS有限元分析包括前處理、求解和后處理三個(gè)基本過(guò)程。前處理主要進(jìn)行單元選用、材料定義、創(chuàng)建CAD模型和劃分網(wǎng)格，最終得到一個(gè)完整的有限元模型。

螺桿式攪拌器的葉片是螺旋結(jié)構(gòu)，螺旋結(jié)構(gòu)如彈簧、螺紋等在工程中應(yīng)用廣泛，借助ANSYS對(duì)其進(jìn)行分析，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。幾何模型的建立，是進(jìn)行有限元分析的基礎(chǔ)，對(duì)于有些特殊的螺旋實(shí)體模型，在ANSYS中不能直接利用已有的命令直接生成[3]。本文嘗試?yán)肁NSYS提供的二次開(kāi)發(fā)工具，實(shí)現(xiàn)螺桿式攪拌器的參數(shù)化建模，為此類(lèi)結(jié)構(gòu)的建模提供一種通用有效的方法。

1 ANSYS二次開(kāi)發(fā)工具

有限元軟件ANSYS具有良好的開(kāi)放性，可以根據(jù)需要二次開(kāi)發(fā)，進(jìn)行功能擴(kuò)充和系統(tǒng)集成，生成具有專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)的用戶(hù)子系統(tǒng)。其主要的二次開(kāi)發(fā)工具有3個(gè)：

（1）UIDL是ANSYS提供的一種圖形界面設(shè)計(jì)語(yǔ)言，用于在系統(tǒng)主菜單上添加用戶(hù)菜單項(xiàng)、用戶(hù)對(duì)話(huà)框等，實(shí)現(xiàn)參數(shù)輸入，為程序設(shè)計(jì)友好的用戶(hù)界面，并能對(duì)底層的程序代碼進(jìn)行封裝，使用戶(hù)不必了解程序的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，也能方便地使用該程序。

（2）APDL是ANSYS參數(shù)設(shè)計(jì)語(yǔ)言，是一種類(lèi)似FORTRAN的解釋性語(yǔ)言，具有變量、數(shù)組、函數(shù)、循環(huán)、分支、判斷等編程要素，用于把ANSYS用戶(hù)操作過(guò)程以命令方式組織起來(lái)，形成用戶(hù)宏程序[4]。利用它能實(shí)現(xiàn)有限元模型的參數(shù)化建模、加載、求解和后處理，提高分析過(guò)程的自動(dòng)化和程序代碼的重用性。

（3）UPFS（User Programmable Features）。是 ANSYS 提供的連接用戶(hù)應(yīng)用程序的工具，利用它所提供的l0個(gè)FORTRAN接口程序，通過(guò)把用戶(hù)應(yīng)用程序作為接口程序的子程序或函數(shù)，就可以將用戶(hù)應(yīng)用程序連接到ANSYS中。連接后的用戶(hù)應(yīng)用程序，可以讀取ANSYS數(shù)據(jù)庫(kù)信息，并調(diào)用其內(nèi)部子程序。

2 實(shí)體模型的建立

實(shí)體模型的建立，是進(jìn)行有限元分析的基礎(chǔ)。在ANSYS中建模有兩種方式：

第一種是通過(guò)交互方式，用戶(hù)的指令可以通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊菜單項(xiàng)選取和執(zhí)行，也可以在命令輸入窗口通過(guò)鍵盤(pán)輸入，這種建模方式方便、直觀，隨時(shí)可以查看結(jié)果，但是使用者必須熟悉該軟件；

第二種是用ANSYS的APDL語(yǔ)言在記事本中直接輸入命令行，然后存到一個(gè)批處理文件中，在以后進(jìn)行同樣工作時(shí)，由ANSYS自動(dòng)讀人并執(zhí)行，在進(jìn)行某些重復(fù)性較高的工作和進(jìn)行參數(shù)化建模時(shí)，能有效地提高工作速度。

本文采用第二種建模方式。此外，ANSYS還提供了較為靈活的圖形接口及數(shù)據(jù)接口，它能與多數(shù)CAD軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Proe、UG等。但是通過(guò)接口引入的圖形可能要發(fā)生一些變化，需要先修正幾何模型，特別是復(fù)雜大型結(jié)構(gòu)更易出現(xiàn)模型信息丟失的現(xiàn)象，而且當(dāng)輸入的模型如果不適于網(wǎng)格劃分時(shí)，則需要大量的修補(bǔ)工作。

對(duì)于有些特殊的幾何實(shí)體模型（比如漸開(kāi)線齒輪、螺旋彈簧等實(shí)體模型的建立等），本文中的螺桿式攪拌器模型在ANSYS中不能直接利用已有的命令直接生成。若能熟練地使用APDL語(yǔ)言，利用相應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，設(shè)計(jì)相應(yīng)實(shí)體的生成程序，便能自動(dòng)完成建模或?qū)崿F(xiàn)某些功能，會(huì)使分析更為簡(jiǎn)單有效。

3 螺桿攪拌器的參數(shù)化建模

3.1 建模原理

將模型的主要幾何特征參數(shù)化，這是參數(shù)化建模的關(guān)鍵。螺桿式攪拌器的螺旋葉片，主要特征是螺旋內(nèi)徑、螺旋外徑、螺距；螺桿攪拌器實(shí)體參數(shù)化建模的關(guān)鍵，是要生成一條符合螺桿攪拌器螺旋葉片參數(shù)要求的螺旋線，ANSYS中沒(méi)有提供生成螺旋線的命令。本文根據(jù)螺旋葉片螺旋線的參數(shù)方程，利用APDL語(yǔ)言編程來(lái)建立螺旋線，先建立關(guān)鍵點(diǎn)，連接關(guān)鍵點(diǎn)生成螺旋線，用LGEN命令按螺旋葉片厚度復(fù)制螺旋線，連接線的端面點(diǎn)，用AL命令由線生成螺旋面，再用VA命令由面生成一圈螺旋體，根據(jù)螺旋葉片圈數(shù)用VGEN命令復(fù)制體生成螺旋葉片體[5]，然后建立攪拌軸實(shí)體，最后用VADD命令合并生成的所有實(shí)體。并且通過(guò)定制ANSYS圖形用戶(hù)界面

（GUI），實(shí)現(xiàn)多參數(shù)的對(duì)話(huà)框輸入。

3.2 程序設(shè)計(jì)及說(shuō)明

3.2.1 主要參數(shù)：

arg1——攪拌軸外徑；

arg2——螺旋葉片外徑；

arg3——螺旋葉片厚度；

arg4——螺旋葉片螺距；

arg5——螺旋葉片圈數(shù)；

arg6——螺旋高度；

arg7——循環(huán)度數(shù)；

arg8——攪拌器偏心距；

arg9——攪拌器的安裝距離；

arg10——攪拌器軸向安裝；

theta——中間變量；

zz——中間變量。

3.2.2 初始化ANSYS環(huán)境

FINISH

/CLEAR

/BATCH

/FILNAME,Blender

/TITLE,The Process of creating the blender parametric modeling

3.2.3 定義幾何尺寸參數(shù)

通過(guò)多參數(shù)輸入對(duì)話(huà)框進(jìn)行賦值。

MULTIPRO,’start’,9

*cset,1,3,arg1,’Valid Turns Number of the Blender(mm):’,110(攪拌軸外徑)

*cset,4,6,arg2,’Valid Turns Number of the Blender(mm):’,600(螺旋葉片外徑)

*cset,7,9,arg3,’Valid Turns Number of the Blender(mm):’,8(螺旋葉片厚度)

*cset,10,12,arg4,’Valid Turns Number of the Blender(mm):’,400(螺旋葉片螺距)

*cset,13,15,arg5,’Valid Turns Number of the Blender(mm):’,4(螺旋葉片圈數(shù))

*cset,16,18,arg7,’Valid Turns Number of the Blender():’,45(螺旋度數(shù))

*cset,19,21,arg8,’Valid Turns Number of the Blender(mm):’,50(攪拌器偏心距)

*cset,22,24,arg9,’Valid Turns Number of the Blender(mm):’,100(攪拌器安裝距離)

*cset,25,27,arg10,’Valid Turns Number of the Blender():’,60(攪拌器軸向安裝角)

MULTIPRO,’end’

*IF,BUTTON,EQ,1,THEN

/EOF

*ENDIF

3.2.4 螺桿式攪拌器建模

/units,si !單位制的設(shè)置

*AFUN,deg !角度單位的設(shè)置為度

arg6=arg5*arg4+arg3/(45)

theta=0

zz=0

/VIEW,1,0.7,-0.5,-0.5 !轉(zhuǎn)換視角

/ANG,1,-65

csys,0 !激活笛卡爾坐標(biāo)系

WPAVE,arg8,,arg9 !移動(dòng)工作面

wpro,,,arg10 !工作平面繞Y軸旋轉(zhuǎn)60°

CSWPLA,101,1 !工作平面處建立局坐標(biāo)系（柱坐標(biāo)系）

（1）創(chuàng)建螺旋線上的關(guān)鍵點(diǎn)。

*get,N_kp,kp,0,num,max!查詢(xún)當(dāng)前已有實(shí)體關(guān)鍵點(diǎn)的最大編號(hào)返回給N_kp

N_kp=N_kp+1

NUMSTR,kp,N_kp !當(dāng)前所建實(shí)體模型關(guān)鍵點(diǎn)從KP_N+1開(kāi)始編號(hào)

*DO,i,1,17,2

K,N_kp+i,arg1/2,theta,zz

K,N_kp+i+1,arg2/2,theta,zz

theta=theta+arg7

zz=zz+arg4/8

*ENDDO

（2）創(chuàng)建螺旋線。

*get,N_LINE,LINE,0,num,max!查詢(xún)當(dāng)前已有實(shí)體線的最大編號(hào)返回給N_LINE

N_LINE=N_LINE+1

NUMSTR,LINE,N_LINE !當(dāng)前所建實(shí)體模型線從N_LINE+1開(kāi)始編號(hào)

*DO,i,1,15,2

L,N_kp+i,N_kp+i+2

*ENDDO

*DO,i,1,15,2

L,N_kp+i+1,N_kp+i+3

*ENDDO

（3）合并曲線。

*DO,i,1,7,1

LCOMB,N_LINE,N_LINE+i

LCOMB,N_LINE+8,N_LINE+i+8

*ENDDO

NUMCMP,LINE !壓縮線編號(hào)

*get,N_LINE,LINE,0,num,max

NUMSTR,LINE,N_LINE

LGEN,2,N_LINE-1,N_LINE,1,,,arg3/cos(45),0,0,0!復(fù)制曲線

（4）連接關(guān)鍵點(diǎn)生成面。

L,N_kp,N_kp+1 !連接端面1的4個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)

L,N_kp+1,N_kp+2

L,N_kp+2,N_kp+4

L,N_kp+4,N_kp

L,N_kp+3,N_kp+5 !連接端面2的4個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)

L,N_kp+5,N_kp+18

L,N_kp+18,N_kp+17

L,N_kp+17,N_kp+3

（5）將坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成直角坐標(biāo)系。

csys,101

CSWPLA,102,0

（6）生成螺旋面。

*get,N_AREA,AREA,0,num,max

NUMSTR,AREA,N_AREA+1

AL,N_LINE+3,N_LINE+4,N_LINE+5,N_LINE+6 !端面1

AL,N_LINE+7,N_LINE+8,N_LINE+9,N_LINE+10 !端面2

AL,N_LINE-1,N_LINE,N_LINE+4,N_LINE+9!其余4個(gè)面

AL,N_LINE+1,N_LINE+2,N_LINE+6,N_LINE+7

AL,N_LINE-1,N_LINE+1,N_LINE+3,N_LINE+10

AL,N_LINE,N_LINE+2,N_LINE+5,N_LINE+8

（7）創(chuàng)建螺桿攪拌器實(shí)體。

*get,N_volu,VOLU,0,NUM,MAX !當(dāng)前體的最大編號(hào)返回給N_volu

NUMSTR,VOLU,N_volu+1 !體的編號(hào)從N_volu+1開(kāi)始

VA,N_AREA+1,N_AREA+2,N_AREA+3,N_AREA+4,

N_AREA+5,N_AREA+6!由面生成一個(gè)螺旋體

VGEN,arg5,N_volu+1,,,,,arg4,0,1,0 !復(fù)制生成4個(gè)螺旋

CYL4,0,0,arg1/2,,,,arg6 !生成攪拌軸

vsel,s,volu,,N_volu+1,N_volus+1+arg5

VADD,ALL !合并體

3.3 程序的運(yùn)行

把上述建立螺旋式攪拌器的程序代碼，存入一宏文件中，命名為BlenderMacro.mac，以方便建立螺旋式攪拌器模型時(shí)調(diào)用，或者也可以以文本文件的格式保存，并通過(guò)菜單形式加載，點(diǎn)擊“File>Read Input from”，將會(huì)彈出一個(gè)加載文件對(duì)話(huà)框，選擇文本文件（本文定義為Blender.txt）后單擊OK，出現(xiàn)多參數(shù)輸入對(duì)話(huà)框，通過(guò)多參數(shù)輸入對(duì)話(huà)框進(jìn)行賦值，即可生成相對(duì)應(yīng)的螺桿式攪拌器實(shí)體模型。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文利用APDL語(yǔ)言的參數(shù)化建模技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了螺桿式攪拌器的參數(shù)化建模，提高了此類(lèi)模型的建模效率。實(shí)踐證明，用APDL參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言并借助UIDL界面設(shè)計(jì)語(yǔ)言，能方便地定制用戶(hù)自己的有限元分析程序，實(shí)現(xiàn)有限元分析過(guò)程的參數(shù)化，對(duì)工程實(shí)踐具有重要的指導(dǎo)作用。同時(shí)文中給出了參數(shù)化建模實(shí)現(xiàn)的全部源代碼，對(duì)同類(lèi)零件的建模具有一定參考價(jià)值。

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