周淑敏 陳 平 周天旭

(1.北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院；2.中石化工程建設(shè)有限公司)

基于VB.NET和Ansys的鎖環(huán)式快開盲板結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件

周淑敏*1陳 平1周天旭2

(1.北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院；2.中石化工程建設(shè)有限公司)

以Visual Studio 2010平臺(tái)上的VB.NET為開發(fā)環(huán)境，結(jié)合參數(shù)化設(shè)計(jì)的相關(guān)技術(shù)要求，提出了一種基于VB.NET對(duì)Ansys進(jìn)行二次開發(fā)的鎖環(huán)式快開盲板結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件，給出了后臺(tái)調(diào)用Ansys并讀取APDL命令流的關(guān)鍵代碼、軟件開發(fā)流程與相關(guān)界面設(shè)計(jì)。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明：用戶只需要在軟件界面輸入?yún)?shù)即可完成設(shè)計(jì)與分析工作，極大地縮短了設(shè)計(jì)周期，提高了設(shè)計(jì)效率，由該軟件設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)合理、安全可靠。

鎖環(huán)式快開盲板結(jié)構(gòu) 參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件 VB.NET Ansys APDL

近年來，市場(chǎng)需求日益多樣化、個(gè)性化，若要在市場(chǎng)競爭中贏得生存和發(fā)展，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)應(yīng)具有較寬的市場(chǎng)覆蓋范圍，以適應(yīng)更多用戶的要求。然而面對(duì)多樣的設(shè)計(jì)條件，采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)、分析方法需要完成大量重復(fù)性的工作，費(fèi)時(shí)費(fèi)力、效率較低。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件應(yīng)運(yùn)而生，如目前廣泛使用的過程設(shè)備強(qiáng)度計(jì)算軟件，其借助計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算功能，能夠更加快速地完成設(shè)計(jì)計(jì)算及校核等工作。然而該類參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件一般是利用傳統(tǒng)材料力學(xué)公式進(jìn)行計(jì)算校核的，只能做出定性判斷，不能對(duì)產(chǎn)品做出更加深入細(xì)致的分析，且多數(shù)參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件只針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械產(chǎn)品，對(duì)于一些特殊的非標(biāo)機(jī)械產(chǎn)品如快開盲板結(jié)構(gòu)，則無法對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析。Ansys是目前應(yīng)用最為廣泛的大型通用CAE軟件，其自帶的二次開發(fā)技術(shù)，即Ansys參數(shù)化設(shè)計(jì)語言(Ansys Parametric Design Language,APDL)可實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)，但可視化程度不高，尤其是其全英文操作界面與復(fù)雜的分析步驟，對(duì)于不熟悉此軟件的用戶來說，很難在短時(shí)間內(nèi)掌握并應(yīng)用。為解決這一問題，筆者提出基于Visual Basic.NET(VB.NET)對(duì)Ansys進(jìn)行二次開發(fā)，將VB.NET友好的人機(jī)交互界面與Ansys強(qiáng)大的力學(xué)分析功能結(jié)合，開發(fā)一款方便用戶使用的鎖環(huán)式快開結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件。

1 相關(guān)技術(shù)

1.1 APDL

APDL是Ansys自身提供的二次開發(fā)技術(shù)，是一種通過參數(shù)化變量方式建立分析模型的腳本語言，可為用戶提供自動(dòng)完成有限元分析過程的功能[1]。

APDL是Ansys的另一種操作方式，其與圖形操作界面GUI一樣，能夠完成所有的分析過程；也是Ansys優(yōu)化設(shè)計(jì)和二次開發(fā)的基礎(chǔ)，可利用第一次分析時(shí)生成的LOG文件，僅對(duì)其進(jìn)行修改就能完成參數(shù)化設(shè)計(jì)，極大地縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間。APDL語言特別適用于需要重復(fù)計(jì)算的場(chǎng)合，且文件數(shù)據(jù)量小，便于保存、攜帶，利于交流、應(yīng)用[2]。

1.2 VB.NET

為了更好地實(shí)現(xiàn).NET技術(shù)，微軟公司推出了Visual Studio.NET，將多種開發(fā)語言集成到一個(gè)開發(fā)環(huán)境中，以方便用戶使用，VB.NET就是其中之一[3]。

VB.NET是在VB 6.0的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，盡管語法上兩者有相似之處，但VB.NET在多方面有重大的進(jìn)步與創(chuàng)新，如實(shí)現(xiàn)了真正意義上的面向?qū)ο缶幊?，提供了基?NET的框架類庫，并且具備了Web開發(fā)及數(shù)據(jù)庫訪問等現(xiàn)代化編程特性。

在此，筆者以Visual Studio 2010平臺(tái)上的VB.NET為開發(fā)環(huán)境。

1.3 VB.NET調(diào)用Ansys

APDL雖然功能強(qiáng)大，但也存在一些弊端。首先，對(duì)于不熟悉Ansys軟件的用戶，需要花費(fèi)大量時(shí)間來學(xué)習(xí)基本操作；其次，參數(shù)化設(shè)計(jì)需要完成許多變量的修改，通常無法在一個(gè)界面下完成所有參數(shù)的賦值，因此交互性和可視性較差，給用戶帶來諸多不便。

借助VB.NET方便友好的人機(jī)交互界面，設(shè)計(jì)一個(gè)可視化參數(shù)輸入界面，對(duì)APDL命令流進(jìn)行調(diào)用和封裝，用戶只需要根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)要求輸入變量參數(shù)并定義材料屬性和載荷，系統(tǒng)便會(huì)自動(dòng)對(duì)APDL原命令流進(jìn)行修改，進(jìn)行變量參數(shù)的賦值，后臺(tái)啟動(dòng)Ansys，自動(dòng)讀入修改后的命令流，完成全部有限元分析過程，并將結(jié)果返回VB.NET界面呈現(xiàn)給用戶[4,5]。

利用VB.NET實(shí)現(xiàn)對(duì)Ansys的調(diào)用是本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，在此，筆者使用Shell函數(shù)實(shí)現(xiàn)這一功能。假設(shè)使用的Ansys軟件版本為14.0，安裝在計(jì)算機(jī)C盤下的Program文件夾內(nèi)，且用戶設(shè)定將輸出結(jié)果保存至桌面文件夾result下，則調(diào)用Ansys的關(guān)鍵代碼如下：

Dim x As Integer

x=Shell("C:Program FilesANSYS Incv140ansysinwinx64ansys140.exe-p ane3flC:UsersAdministratorDesktop esult -s read -l en-us -b -i C:UsersAdministratorDesktop esult input.mac -o C:UsersAdministratorDesktop esult output.mac"

其中，-b表示批處理模式，-i表示輸入文件路徑，-o表示輸出文件路徑，ane3fl表示Ansys的產(chǎn)品特征碼。

2 鎖環(huán)式快開盲板結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件

2.1 開發(fā)背景

快開盲板結(jié)構(gòu)是天然氣長輸管道過濾器裝置上的重要組成部分，其中鎖環(huán)式快開盲板結(jié)構(gòu)占據(jù)天然氣快開盲板的主要市場(chǎng)，多用于西氣東輸及川氣東送等重點(diǎn)工程項(xiàng)目的主管線設(shè)備上[6,7]。目前，國內(nèi)應(yīng)用的快開盲板產(chǎn)品多依賴進(jìn)口，因此，我國某大型石油企業(yè)啟動(dòng)了《油氣管道關(guān)鍵設(shè)備國產(chǎn)化研制》應(yīng)用項(xiàng)目，天然氣快開盲板國產(chǎn)化研制是主要任務(wù)。

鎖環(huán)式快開盲板(圖1)主要由高頸法蘭、門蓋、鎖環(huán)、密封結(jié)構(gòu)、鎖緊機(jī)構(gòu)、安全聯(lián)鎖裝置及開門鉸鏈機(jī)構(gòu)等組成。

圖1 鎖環(huán)式快開盲板結(jié)構(gòu)

由于各段管線的功能不盡相同，管道的直徑、內(nèi)壓參數(shù)變化較大，因此，相配套的快開結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行系列化設(shè)計(jì)。鎖環(huán)式快開盲板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算具有半經(jīng)驗(yàn)半理論性質(zhì)，系列化設(shè)計(jì)時(shí)需要反復(fù)修改參數(shù)、計(jì)算校核并進(jìn)行有限元分析，直接導(dǎo)致設(shè)計(jì)周期增長、設(shè)計(jì)成本提高；而利用APDL進(jìn)行有限元分析又要求設(shè)計(jì)人員具有較高的Ansys水平。若利用VB.NET作為前期參數(shù)輸入界面，將APDL命令流封裝在后臺(tái)，既保證了VB.NET的人機(jī)交互優(yōu)勢(shì)，又能方便地對(duì)Ansys進(jìn)行調(diào)用。

2.2 開發(fā)思路

首先，將快開結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式進(jìn)行逆向推導(dǎo)，各危險(xiǎn)截面的尺寸參數(shù)可轉(zhuǎn)化成由內(nèi)徑、內(nèi)壓及密封槽尺寸等基本參數(shù)組成的方程組，再利用VB.NET牛頓二分法編寫程序，可快速得到復(fù)雜方程組的解，即各危險(xiǎn)截面的尺寸。然后，利用尺寸的關(guān)聯(lián)性和局部經(jīng)驗(yàn)性尺寸推算出整個(gè)快開結(jié)構(gòu)的尺寸，進(jìn)而依據(jù)GB 150中的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行常規(guī)校核[8]。接著對(duì)快開結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化建模，利用VB.NET將APDL參數(shù)化命令以批處理的方式導(dǎo)入Ansys中并自動(dòng)啟動(dòng)求解。最后，將有限元云圖及應(yīng)力線性化結(jié)果等返回至VB.NET界面，方便用戶查看，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。

軟件開發(fā)流程(圖2)為：用戶在VB.NET界面上輸入初始參數(shù)，根據(jù)快開盲板結(jié)構(gòu)理論公式得到計(jì)算參數(shù)，軟件自動(dòng)將計(jì)算參數(shù)賦值到APDL命令流中，后臺(tái)調(diào)用Ansys程序，生成參數(shù)化模型，對(duì)模型進(jìn)行求解后，Ansys程序后臺(tái)自動(dòng)退出，并將最后的處理結(jié)果自動(dòng)返回至VB.NET界面。

圖2 軟件開發(fā)流程

3 界面設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)例

3.1 界面設(shè)計(jì)

軟件界面設(shè)計(jì)采用模塊化編程原理對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行分解，盡可能地細(xì)化各功能模塊，最大限度地減小模塊間的耦合性[9]。軟件集多項(xiàng)功能于一體，圖3、4所示為軟件菜單欄和功能。

圖3 軟件菜單欄

3.2 應(yīng)用實(shí)例

以直徑62寸的鎖環(huán)式快開盲板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析為應(yīng)用實(shí)例，其設(shè)計(jì)條件為：

設(shè)計(jì)壓力 12.6MPa

圖4 軟件功能

操作壓力波動(dòng)范圍 0.0～12.6MPa

水壓試驗(yàn)壓力 18.9MPa

設(shè)計(jì)溫度 -35～60℃

筒體內(nèi)徑 1 550mm

操作介質(zhì) 天然氣(易燃、易爆)

高頸、門蓋材料 16MnDⅢ

鎖環(huán)材料 S22253

輸入數(shù)據(jù)包含設(shè)計(jì)參數(shù)(圖5)和尺寸參數(shù)(圖6)。設(shè)計(jì)參數(shù)為各項(xiàng)已知的基本參數(shù)；尺寸參數(shù)是軟件后臺(tái)計(jì)算得出的危險(xiǎn)截面尺寸推薦值，可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)行修改和優(yōu)化。

點(diǎn)擊“計(jì)算”，后臺(tái)調(diào)用Ansys，啟動(dòng)有限元分析，并將計(jì)算結(jié)果返回至VB.NET界面。圖7為總體應(yīng)力云圖，除此之外還可以分別顯示法蘭、鎖環(huán)、盲板的應(yīng)力云圖和總體變形云圖。圖8為應(yīng)力線性化結(jié)果，所有結(jié)果都將自動(dòng)存儲(chǔ)在用戶設(shè)定的工作目錄下。

圖5 設(shè)計(jì)參數(shù)界面

圖6 尺寸參數(shù)界面

圖7 總體應(yīng)力云圖

圖8 應(yīng)力線性化結(jié)果

對(duì)開發(fā)完成的鎖環(huán)式快開盲板結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行封裝后，用戶只需要進(jìn)行界面輸入即可完成設(shè)計(jì)與分析工作，極大地縮短了設(shè)計(jì)周期、提高了設(shè)計(jì)效率。筆者設(shè)計(jì)的軟件已通過《油氣管道關(guān)鍵設(shè)備國產(chǎn)化研制》應(yīng)用項(xiàng)目的專家認(rèn)證，并投入實(shí)際應(yīng)用，用戶反饋良好?；谠撥浖O(shè)計(jì)的62寸設(shè)計(jì)壓力為12.6MPa的大型鎖環(huán)式快開盲板結(jié)構(gòu)，在合作工廠的配合下，已經(jīng)完成樣機(jī)試制，并完成了水壓試驗(yàn)、應(yīng)力測(cè)試和密封性能試驗(yàn)，結(jié)果表明，由該軟件設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)合理、安全可靠。

4 結(jié)束語

筆者設(shè)計(jì)的基于VB.NET和Ansys的鎖環(huán)式快開盲板結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件，不但可以利用Ansys強(qiáng)大的力學(xué)分析功能對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和校核，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)，而且操作簡便高效，用戶只需要在交互式界面輸入相關(guān)參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，進(jìn)而調(diào)用Ansys進(jìn)行有限元分析，自動(dòng)生成分析報(bào)告。軟件界面友好、操作方面，用戶省去了研究復(fù)雜Ansys軟件的時(shí)間，極大地減輕了工作強(qiáng)度、提高了設(shè)計(jì)效率、降低了設(shè)計(jì)成本。該軟件實(shí)際應(yīng)用情況良好，進(jìn)一步驗(yàn)證了軟件的高效性、合理性和可靠性，具有一定的工程價(jià)值。

[1] 丁培麗,董金善,何慧慧,等.齒嚙式快開壓力容器參數(shù)化系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2013,(4):98～100.

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[3] 鄭阿奇,彭作民.Visual Basic.NET實(shí)用教程[M].北京:電子工業(yè)出版社,2013.

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[8] 何慧慧,董金善,丁培麗,等.基于ANSYS與VB的螺旋板換熱器CAD系統(tǒng)開發(fā)[J].現(xiàn)代化工,2013,33(2):104～106.

[9] GB 150-2011,壓力容器[S].北京:中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局,2011.

DevelopmentofParametricDesignSoftwareforLockingRingTypeQuickOpeningClosureBasedonVB.NETandAnsys

ZHOU Shu-min1, CHEN Ping1, ZHOU Tian-xu2

(1.InstituteofMechatronicEngineering,BeijingUniversityofChemicalTechnology,Beijing100029,China；2.SinopecEngineeringIncorporation,Beijing100029,China)

Basing on the environment of VB.NET in Visual Studio 2010 and having relevant technologies of parametric design considered, the parametric design software for locking ring type quick opening closure based on VB.NET and Ansys was proposed and the key code to call Ansys behind and read APDL command stream, and software development process and interface design concerned were presented. Practical application indicates that users can complete both design and analysis tasks successfully through inputting the parameter in the software interface. This can shorten design period and improve design efficiency. The product out of this design software boasts reasonable structure and reliability

locking ring type quick opening structure, parametric design software, VB.NET, Ansys, APDL

TQ050.2

A

0254-6094(2016)01-0047-05

*周淑敏，女，1990年12月生，碩士研究生。北京市，100029。

2015-03-02)