管道應(yīng)力計(jì)算機(jī)參數(shù)化分析平臺(tái)開(kāi)發(fā)研究

魏 巍 ，魏會(huì)東

(1.天津商業(yè)大學(xué)寶德學(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)系，天津300384；2.海洋石油工程股份有限公司，天津300451)

在工程領(lǐng)域，流體的輸送一般通過(guò)管道來(lái)實(shí)現(xiàn)，相對(duì)于其他復(fù)雜容器而言，雖然管道自身的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但管道的長(zhǎng)度較長(zhǎng)，方向多變，其強(qiáng)度直接影響到生產(chǎn)過(guò)程的安全[1]，因此在管道工程設(shè)計(jì)中一般要對(duì)管道進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析以保證其工作應(yīng)力在許用的范圍內(nèi)。而對(duì)于輸送介質(zhì)向高壓、高溫或者低溫的壓力管道而言[2]，其應(yīng)力分析工作十分繁瑣，一般要由管道工程師利用專(zhuān)業(yè)的管道有限元分析軟件來(lái)進(jìn)行。目前的有限元分析軟件按功能可分為通用軟件和專(zhuān)業(yè)軟件，通用分析軟件可以對(duì)任何結(jié)構(gòu)、任何復(fù)雜度的管道進(jìn)行強(qiáng)度分析，但是需要工程人員熟悉軟件前處理、計(jì)算及后處理等繁瑣的菜單操作和命令。目前國(guó)內(nèi)的設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)一般采用的通用有限元軟件有ANSYS、ABAQUS、ADINA等。專(zhuān)業(yè)分析軟件只針對(duì)某種特定結(jié)構(gòu)，例如在管道工程領(lǐng)域得到廣泛使用的應(yīng)力分析軟件、CAESARII、AUTOPIPE等。這些軟件具備了良好的輸入、輸出界面，工程人員掌握了軟件的一般操作方法后，只需要進(jìn)行管道的建模，軟件會(huì)自動(dòng)進(jìn)行應(yīng)力的分析和后處理等操作，方便專(zhuān)業(yè)人員進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)于設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)，通常都要配置這兩種分析軟件，此時(shí)軟件的通用性和專(zhuān)業(yè)性成為一對(duì)矛盾，通用軟件雖然處理的問(wèn)題多樣化，但需要專(zhuān)業(yè)水平較高，而專(zhuān)業(yè)軟件的應(yīng)用領(lǐng)域則受到限制，造成一定的資源浪費(fèi)。

Visual Basic是基于Windows平臺(tái)的開(kāi)發(fā)工具，它以結(jié)構(gòu)化Basic語(yǔ)言為基礎(chǔ)，繼承了原Basic語(yǔ)言簡(jiǎn)單易學(xué)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)提供了可視化的編程環(huán)境，以事件驅(qū)動(dòng)作為運(yùn)行機(jī)制，利用系統(tǒng)提供的大量可視化控件，可以非常快速地開(kāi)發(fā)出適合用戶(hù)要求且十分友好的圖形化操作界面（GUI）[3]。針對(duì)上面提到的有限元軟件的通用性和專(zhuān)業(yè)性問(wèn)題，將通用分析軟件所涉及到的前處理、計(jì)算過(guò)程和后處理等過(guò)程命令進(jìn)行打包封裝，命令中關(guān)鍵參數(shù)利用Visual Basic建立界面方便用戶(hù)進(jìn)行輸入，在后臺(tái)調(diào)用通用軟件進(jìn)行計(jì)算，可以大大簡(jiǎn)化分析過(guò)程，彌補(bǔ)通用分析軟件的不足。將以上解決方案用于管道工程應(yīng)用領(lǐng)域，可以開(kāi)發(fā)出用于管道應(yīng)力分析的參數(shù)化計(jì)算機(jī)輔助分析平臺(tái)[4]，其基本的開(kāi)發(fā)流程如圖1所示。

1 參數(shù)化命令設(shè)計(jì)

后臺(tái)分析軟件采用ANSYS，該軟件具有管道單元可以模擬管道的各種屬性，同時(shí)可以加載結(jié)構(gòu)和溫度載荷，非常適合進(jìn)行管道的應(yīng)力分析。此外，其APDL語(yǔ)言是一種十分高效的命令行操作方式，所有的命令均可以保存成文本的格式進(jìn)行操作[5]。以石油化工工程領(lǐng)域中，同一平面內(nèi)的兩段直管和一段彎管構(gòu)成的管道為研究對(duì)象，如圖2所示。首先參數(shù)化命令的設(shè)計(jì)均用APDL建立關(guān)鍵的輸入?yún)?shù)，一般包括材料屬性、幾何屬性、荷載屬性、輸出屬性等，詳細(xì)的參數(shù)定義見(jiàn)表1。同時(shí)將這些參數(shù)均嵌入到APDL語(yǔ)言按照有限元分析的一般步驟中去，完成建模、加載分析、結(jié)果輸出等功能，保存成文本文件File_APDL.txt，用于后面設(shè)計(jì)的 Visual Basic程序進(jìn)行該文件調(diào)用和操作。

表1 參數(shù)化項(xiàng)目

以定義管道的材料屬性為例，采用ANSYS的APDL語(yǔ)言可做如下定義：

MP,DENS,Density!定義密度

MP,EX,1,Elastic_Modulus!定義彈性模量

MP,NUXY,1,Poisson_Ratio!定義泊松比

MP,ALPX,1,Thermal_Expansion!定義熱膨脹系數(shù)

2 Visual Basic實(shí)現(xiàn)

Visual Basic中實(shí)現(xiàn)的功能主要是建立友好的用戶(hù)界面，并在后臺(tái)設(shè)計(jì)與ANSYS的接口和調(diào)用。用戶(hù)界面設(shè)計(jì)要方便用戶(hù)輸入關(guān)鍵的工程參數(shù)，并作出必要的判斷，后臺(tái)的設(shè)計(jì)則要與ANSYS的要求相符合[6]，實(shí)現(xiàn)參數(shù)的輸入和結(jié)果的反饋。下面對(duì)于實(shí)現(xiàn)的具體功能做詳細(xì)的介紹。

2.1 用戶(hù)界面設(shè)計(jì)

用戶(hù)界面主要包括啟動(dòng)界面、輸入界面和結(jié)果顯示界面。啟動(dòng)界面如圖3所示。在啟動(dòng)界面中，用戶(hù)通過(guò)“新建”按鈕，可以進(jìn)入?yún)?shù)值為空的輸入界面，進(jìn)行各項(xiàng)參數(shù)的輸入。通過(guò)“打開(kāi)”按鈕，用戶(hù)可以選擇之前已經(jīng)定義過(guò)的輸入文件，并將文本文件中對(duì)應(yīng)的參數(shù)值讀取到輸入界面中對(duì)應(yīng)的位置，用戶(hù)可以重新進(jìn)行分析，并作相應(yīng)的修改。

輸入?yún)?shù)界面如圖4所示，通過(guò)此界面，用戶(hù)可輸入管道應(yīng)力分析中所需的各項(xiàng)參數(shù)，在完成輸入后單擊“保存”按鈕，將其保存為用戶(hù)命名的文本文件。為了確保用戶(hù)輸入的材料參數(shù)、管道參數(shù)和荷載參數(shù)的合法性（必須是數(shù)值數(shù)據(jù)），使用Visual Basin提供的IsNumeric判斷函數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。如果用戶(hù)輸入了非數(shù)值型數(shù)據(jù)或輸入為空，則彈出如圖5所示的消息框來(lái)提示用戶(hù)重新輸入。為了確保后臺(tái)計(jì)算的有效性，用戶(hù)在保存文件之前，“計(jì)算”按鈕為灰色，不可用，只有當(dāng)用戶(hù)單擊“保存”按鈕，將輸入的參數(shù)保存成ANSYS可識(shí)別的命令行格式的文本文件，才可使用“計(jì)算”按鈕進(jìn)行后臺(tái)計(jì)算。輸出界面將環(huán)向應(yīng)力、軸向應(yīng)力、彎曲及 Mises應(yīng)力都輸出，同時(shí)將Mises應(yīng)力分布圖在該界面中顯示。

2.2 后臺(tái)接口設(shè)計(jì)

后臺(tái)接口主要是將上一步中的參數(shù)化命令設(shè)計(jì)文件進(jìn)行讀取，并將用戶(hù)輸入的參數(shù)進(jìn)行替代，同時(shí)調(diào)用ANSYS進(jìn)行計(jì)算并將計(jì)算結(jié)果保存，方便用戶(hù)進(jìn)行讀取。為了將用戶(hù)輸入的參數(shù)保存為上節(jié)中用APDL命令建立的參數(shù)化輸入文件，以方便ANSYS的識(shí)別和調(diào)用，可將用戶(hù)提前建立好的APDL命令行文本文件中的內(nèi)容讀取出來(lái)。由于APDL文件的內(nèi)容按命令行存放，每行中的數(shù)據(jù)項(xiàng)又以“，”為分隔符，因而在讀取時(shí)，首先使用Line Input#語(yǔ)句將文件中的內(nèi)容按行讀取出來(lái)，存放在一個(gè)數(shù)組中，其次使用VB提供的字符串分割函數(shù)Split，依次將數(shù)組中存放的每行數(shù)據(jù)以“，”為分隔符，再分割為若干個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)，并全部存放在一個(gè)新的數(shù)組中。

如將文本文件File_APDL.txt中的內(nèi)容按行保存到數(shù)組a中的關(guān)鍵代碼如下：

其中，

使用VB提供的Replace函數(shù)將文本中出現(xiàn)的參數(shù)名替換為文本框中輸入的具體參數(shù)值。可將APDL命令行中出現(xiàn)的所有參數(shù)名用具體的值來(lái)替換，實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵代碼如下：

將替換后的數(shù)據(jù)項(xiàng)重新寫(xiě)入用戶(hù)建立的新文本文件中，為了方便ANSYS的調(diào)用，新的文本文件必須與之前建立的APDL命令行文本文件的格式相同，因此在將數(shù)組str中的內(nèi)容寫(xiě)入文件時(shí)，必須取得之前APDL文件的命令行數(shù)和每行數(shù)據(jù)項(xiàng)數(shù)，數(shù)據(jù)項(xiàng)首先按行寫(xiě)入，其次每行各個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)之間還應(yīng)寫(xiě)入一個(gè)“，”。實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵代碼如下：

當(dāng)用戶(hù)選擇并打開(kāi)已有的ANSYS文本文件時(shí)，將文件中對(duì)應(yīng)的參數(shù)值讀取到輸入界面中對(duì)應(yīng)的位置。為了將ANSYS文本文件中的參數(shù)值能正確顯示到相應(yīng)的文本框中，通過(guò)認(rèn)真分析APDL文件中的命令行，找到識(shí)別每個(gè)參數(shù)值的關(guān)鍵字，以及其和參數(shù)值之間的關(guān)系，取得需要的參數(shù)值，并將其顯示在對(duì)應(yīng)的文本框中，用戶(hù)可以對(duì)其中的參數(shù)重新進(jìn)行分析與修改，并重新保存。實(shí)現(xiàn)參數(shù)讀取的關(guān)鍵代碼如下：

后臺(tái)計(jì)算采用簡(jiǎn)單高效并能帶輸入?yún)?shù)的Shell函數(shù)，實(shí)現(xiàn)Vsiual Basic對(duì)ANSYS的調(diào)用。實(shí)現(xiàn)后臺(tái)計(jì)算的關(guān)鍵代碼如下：

其中，

3 應(yīng)用實(shí)例

以開(kāi)發(fā)的輔助分析平臺(tái)進(jìn)行某管道工程應(yīng)用實(shí)例的計(jì)算，管道外徑 700 mm，壁厚20 mm，第一段直管長(zhǎng)3 m，彎管曲率半徑 0.178 2 m，第二段直管長(zhǎng) 1.5 m，設(shè)計(jì)壓力10 MPa，設(shè)計(jì)溫度70℃，將這些參數(shù)在輸入?yún)?shù)界面進(jìn)行定義，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到的輸出結(jié)果如圖6所示。

本文以管道工程領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析要求為研究對(duì)象，針對(duì)通用有限元分析軟件命令眾多、操作復(fù)雜的特點(diǎn)，提出了以Visual Basic開(kāi)發(fā)用戶(hù)圖形化操作界面的方法來(lái)打包和封裝參數(shù)化過(guò)程命令，在后臺(tái)調(diào)用分析軟件進(jìn)行計(jì)算，并輸出結(jié)果至用戶(hù)界面，從而建立了管道應(yīng)力參數(shù)化計(jì)算機(jī)輔助分析平臺(tái)，該平臺(tái)可大大簡(jiǎn)化分析過(guò)程并提高工程設(shè)計(jì)效率，方便工程設(shè)計(jì)人員進(jìn)行及時(shí)的分析和操作。

[1]蔡燦，錢(qián)作勤.基于VB的ANSYS管板強(qiáng)度校核及其優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].石油與化工設(shè)備，2010，13(7)：9-13.

[2]張慶峰，謝禹鈞，李翔.基于 ANSYS二次開(kāi)發(fā)的管系結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析系統(tǒng)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2006(3)：78-79.

[3]牟淑志，牟福元，李翔.基于ANSYS二次開(kāi)發(fā)的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2010，27(2)：228-230.

[4]呂大立，姚安林，王清遠(yuǎn).基于VC++的 ANSYS二次開(kāi)發(fā)及其在埋地管道動(dòng)力分析中的應(yīng)用[J].四川建筑，2010，30(8)：116-118.

[5]于秀坤，朱虹，金基鐸，等.基于ANSYS二次開(kāi)發(fā)的輸液曲管振動(dòng)特性分析[J].沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，22(5)：21-23.

[6]田會(huì)方，張杰峰.基于 VC與ANSYS的參數(shù)化有限元分析[J].交通與計(jì)算機(jī)，2004，22(6)：116-118.