1 ANSYS二次開(kāi)發(fā)工具

　　1.1 結(jié)識(shí)UIDL

　　UIDL的全名是User Interface Design Language，是Ansys中二次開(kāi)發(fā)工具方面的三大金剛之一。GUI方面幾乎全部的二次開(kāi)發(fā)功能都將由它運(yùn)籌帷幄。

　　功用:

　　(1)組織我們自己強(qiáng)大的菜單系統(tǒng)。

　　想象一下我們?cè)贏nsys中也能輕松做出可以和VC，VB之類主流GUI開(kāi)發(fā)工具媲美的菜單響應(yīng)效果，Ansys的世界將是多么的親切、友好。

　　(2)構(gòu)建功能繁復(fù)的對(duì)話框。

　　Ansys中美觀易用的ContactWizard對(duì)話框級(jí)聯(lián)界面一定讓你印象很深把，有了它，即使是最菜鳥(niǎo)的門(mén)外漢也能構(gòu)建一流的工程算例，Ansys5.7中的DesignSpace應(yīng)該就是無(wú)可爭(zhēng)辯的例證之一。雖然從UNIX內(nèi)核上講(Windows下的東西是Ansys的后期移植，很多技術(shù)還不成熟，這里就不加討論了)，它們多構(gòu)建在繁復(fù)的TCL編程基礎(chǔ)上，但我們利用強(qiáng)大的UIDL工具，也能輕松架構(gòu)起我們自己的實(shí)用對(duì)話框向?qū)А?/P>

　　(3)建立自己的聯(lián)機(jī)幫助

　　Ansys中的聯(lián)機(jī)幫助(尤其是UNIX下的搜索引擎)非常實(shí)用，可以說(shuō)是我所接觸過(guò)許多有限元平臺(tái)中最為好用的幾種幫助平臺(tái)之一。UNIX下的關(guān)鍵字查詢簡(jiǎn)直是帥呆了，想構(gòu)建自己完善的幫助系統(tǒng)嗎?UIDL同樣是這方面不可或缺的理想開(kāi)發(fā)工具。

　　1.2 結(jié)識(shí)APDL

　　APDL即ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言(ANSYS Parametric Design Language)，它是一種解釋性語(yǔ)言，可用來(lái)自動(dòng)完成一些通用性強(qiáng)的任務(wù)，也可以用于根據(jù)參數(shù)來(lái)建立模型。APDL還包括其它許多特性，諸如重復(fù)執(zhí)行某條命令，宏，if-then-else分支，do循環(huán)，標(biāo)量、向量及矩陣操作等。

　　2 ANSYS二次開(kāi)發(fā)過(guò)程及方法

　　利用這兩個(gè)強(qiáng)大的工具，并采用模塊化編程思想，對(duì)石油套筒問(wèn)題從建立模型、定義材料、網(wǎng)格劃分控制，定義邊界條件，求解，給出設(shè)計(jì)建議，編制各自的程序。采用菜單式操作界面，便于用戶使用。開(kāi)發(fā)的程序可以完全嵌入到ansys內(nèi)部使用。并且從模型的建立到求解全部實(shí)現(xiàn)參數(shù)化。

　　本計(jì)算系統(tǒng)由以下三大模塊組成：

　　A、前處理模塊

　　(1)石油套筒參數(shù)化建立模型

　　(2)有限元模型的形成

　　(3)材料性質(zhì)的定義

　　(4)單元的選擇

　　(5)定義接觸

　　B、求解模塊

　　(1)施加邊界條件

　　(2)施加載荷

　　(3)施加預(yù)緊力

　　(4)定義安全系數(shù)

　　(5)求解

　　C、后處理模塊

　　(1)給出等效應(yīng)力云圖

　　(2)判定結(jié)構(gòu)是否安全，并給予設(shè)計(jì)建議

　　(3)其他數(shù)據(jù)的獲得

　　實(shí)現(xiàn)石油套筒建立模型的參數(shù)化關(guān)鍵，是根據(jù)圖紙的模型和尺寸鏈以獨(dú)立的幾何參數(shù)為基礎(chǔ)，來(lái)實(shí)現(xiàn)建立模型。通過(guò)改變輸入?yún)?shù)的值，就可以直接建立我們所需要的模型。

　　一旦模型建立好，接下來(lái)的工作就比較容易進(jìn)行。本系統(tǒng)從建立模型到后期處理，只需用戶簡(jiǎn)單的輸入?yún)?shù)和點(diǎn)擊鼠標(biāo)即可，操作很簡(jiǎn)單。

　　接下來(lái)以我開(kāi)發(fā)的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析計(jì)算模塊來(lái)說(shuō)明石油套筒模塊的開(kāi)發(fā)過(guò)程。

　　在將來(lái)的石油套筒計(jì)算模塊的開(kāi)發(fā)中，我們也要建立三個(gè)這樣的模塊，并且這三個(gè)子模塊完全嵌入到ansys的主菜單里。

　　在石油套筒前處理模塊中，只需輸入幾個(gè)獨(dú)立的幾何參數(shù)，軟件在后臺(tái)會(huì)自動(dòng)計(jì)算得到其他參數(shù)，并自動(dòng)建立石油套筒的三維模型。

　　下面以一個(gè)漸開(kāi)線齒輪的建模過(guò)程來(lái)說(shuō)明參數(shù)化建立模型的優(yōu)點(diǎn)：

　　圖2 漸開(kāi)線齒輪參數(shù)建立模型的對(duì)話框

　　圖3 漸開(kāi)線齒輪模型

　　從上面的小例子可以看出，ansys的參數(shù)化建立模型很方便和直觀便于用戶的操作而無(wú)須理解里面復(fù)雜的計(jì)算，這為本系統(tǒng)得易操作性奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。對(duì)于接下來(lái)的網(wǎng)格劃分控制也可以采用對(duì)話框輸入，根據(jù)用戶輸入的值系統(tǒng)會(huì)會(huì)自動(dòng)對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分形成石油套筒的有限元模型。

　　因?yàn)槭吞淄步Y(jié)構(gòu)是一個(gè)比較復(fù)雜的裝配體里面包含大量的接觸，如何快速正確的模擬接觸成為本系統(tǒng)的一個(gè)重點(diǎn)。

　　模型有卡具與石油管道的接觸，卡具與螺栓的接觸。在本系統(tǒng)中只需用戶選擇存在接觸的體和定義相關(guān)的接觸參數(shù)如摩擦系數(shù)等，本系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)在兩個(gè)體之間形成接觸單元。

　　圖4 存在接觸的模型

　　本系統(tǒng)的單元采用8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元。對(duì)于螺栓與卡具的接觸采用綁定接觸其之間的連接，這樣可以簡(jiǎn)化建立模型的過(guò)程，對(duì)計(jì)算的精度影響也不大。在工程設(shè)計(jì)中，我們一般都在線彈性范圍里進(jìn)行計(jì)算。因此，只需定義材料的彈性模量和珀松比。

　　對(duì)于模型中的襯墊模擬采用ansys的襯墊單元來(lái)模擬以提高模型計(jì)算的精度。前處理完畢后就進(jìn)入了求解階段。在這個(gè)模塊里重點(diǎn)是方便正確的定義模型邊界條件和載荷。邊界條件主要就是正確的約束模型的位移;載荷就是管道的內(nèi)部壓力和螺栓的預(yù)緊力。管道的壓力作用在石油管道的內(nèi)部，接下來(lái)說(shuō)明如何定義預(yù)拉伸載荷。

　　定義螺栓處的預(yù)拉伸

　　在螺栓和其他結(jié)構(gòu)零件上預(yù)加應(yīng)力常常會(huì)給變形和應(yīng)力帶來(lái)很大影響。兩個(gè)ANSYS特征，PRETS179預(yù)拉伸單元和PSMESH預(yù)拉伸網(wǎng)格命令可以用于這種類型的分析。如果固定件被網(wǎng)格劃分為兩個(gè)獨(dú)立的部分，使用EINTF命令可以把預(yù)拉伸單元插入兩塊之間。

　　預(yù)拉伸載荷是用來(lái)模擬接頭固定處的預(yù)裝配載荷。固定件可以是由任何2D和3D結(jié)構(gòu)，低次或高次實(shí)體，梁，殼，管，或聯(lián)接單元構(gòu)成。使用PSMESH命令時(shí)，施加了預(yù)拉伸載荷的預(yù)拉伸部分必須定義在固定件內(nèi)部。(Pre-tension Definition(預(yù)拉伸定義)中有螺栓聯(lián)接的例子)。

　　使用PSMESH命令

　　到目前為止，最方便的在固定件上使用預(yù)拉伸單元的方法是通過(guò)PSMESH命令。只有固定件沒(méi)被網(wǎng)格分為獨(dú)立部分時(shí)這個(gè)命令才可以使用。這個(gè)命令將定義預(yù)拉伸部分并生成預(yù)拉伸單元。它自動(dòng)把網(wǎng)格化固定件分割為兩部分并插入拉伸單元。如果你決定要?jiǎng)h除拉伸單元，刪除拉伸部分就會(huì)自動(dòng)刪除拉伸單元(Main Menu>Preprocessor>Sections>Delete Section)。這個(gè)特征也允許你通過(guò)合并節(jié)點(diǎn)“undo”分割操作。

　　圖5 定義預(yù)拉伸

    正常的方向是由PSMESH命令指定的，它是拉伸部分?jǐn)?shù)據(jù)的一部分。這里和早先的方法(PTSMESH命令)有些差異，后者用實(shí)常值指定正常方向。網(wǎng)格化拉伸部分不一定要是平面，拉伸部分的下面幾乎可以是任何形狀：線，三角形，四邊形，四面體，契形或六面體。可是，在拉伸部分的兩面(A 和B)必須有一致的節(jié)點(diǎn)。拉伸部分的面和面由一個(gè)或多個(gè)拉伸單元聯(lián)接，每個(gè)單元對(duì)應(yīng)一對(duì)節(jié)點(diǎn)。

　　一個(gè)拉伸節(jié)點(diǎn)(K)用來(lái)控制和監(jiān)控總的應(yīng)力載荷。當(dāng)拉伸部分是由PSMESH命令生成時(shí)，拉伸部分的拉伸載荷方向可以相對(duì)于面A指定。在一個(gè)指定拉伸部分上的所有拉伸單元必須使用同一平面并且有相同的拉伸節(jié)點(diǎn)K 。節(jié)點(diǎn)K是拉伸單元定義的第三步。

　　使用EINTF命令如果固定物已被網(wǎng)格分為兩個(gè)獨(dú)立部分(例如在現(xiàn)行法定模型中)，使用EINTF命令,TOLER,K (Main Menu> Preprocessor>Create>elements> pretension> At Coincident Nodes...)命令可以將拉伸單元 (PRETS179)插入兩部分之間。如果K沒(méi)定義，ANSYS將自動(dòng)生成。在使用EINTF命令前，單元型ID 和實(shí)常值設(shè)定必須已完全定義。相連的表面(A 和B)必須有匹配的網(wǎng)格模式和一致的節(jié)點(diǎn)。如果一些兩面間的節(jié)點(diǎn)對(duì)與拉伸單元不相連，將會(huì)導(dǎo)致后繼分析不準(zhǔn)確。

　　工程設(shè)計(jì)一般采用安全系數(shù)，即

　　本系統(tǒng)中也包含了這一功能，用戶只需輸入安全系數(shù)α和材料的許用應(yīng)力，系統(tǒng)在后處理模塊中會(huì)根據(jù)用戶選擇的材料強(qiáng)度理論自動(dòng)判斷此方案是否可行。如果可行，則會(huì)輸出模型的設(shè)計(jì)參數(shù)值和工況值，用戶根據(jù)這些值就可以快速設(shè)計(jì)合適的工具對(duì)管道進(jìn)行快速搶修。如果不可行，用戶可以改變?cè)O(shè)計(jì)參數(shù)繼續(xù)計(jì)算直到用戶滿意為止。

　　綜上所述，本系統(tǒng)可以用以下的流程圖生動(dòng)的體現(xiàn)出來(lái)：

　　圖6 石油套筒設(shè)計(jì)模塊開(kāi)發(fā)流程圖

　　本系統(tǒng)層次分明便于用戶使用，計(jì)算快速可靠,可以有效地減小石油管道的搶修時(shí)間，有很好的經(jīng)濟(jì)效益。相信本系統(tǒng)的成功開(kāi)發(fā)會(huì)對(duì)石油管道的搶修模式有重大的改變。