基于ANSYS二次開發的錐殼開孔接管結構參數化有限元分析系統

路則超 賀小華

(南京工業大學機械與動力工程學院)

錐殼開孔接管結構是壓力容器中常見的結構之一。在工程應用中，此結構經常需要承受內壓和多種管系載荷，如管系在地震、風載、振動、自重以及管道金屬溫度變化等多種因素作用下，管道將通過接管對錐殼施加作用力和力矩，使得接管與錐殼連接區域產生比一般部位高得多的局部應力，因此在錐殼接管連接區域很容易發生塑性變形與破裂。

GB 150-2011《壓力容器》[1]對于正錐殼的計算僅適用于錐殼半頂角α≤60°的軸對稱無折邊或者折邊錐形封頭，當半頂角α>30°時錐殼大端應有折邊，當半頂角α>45°時錐殼小端應有折邊，并且規定錐形封頭最大開孔直徑不得大于殼體內徑的三分之一。在實際應用中，有些錐殼結構由于某些特殊要求，無法滿足GB 150-2011的計算條件，因此需要采用其他方法進行計算或校核。近年來實踐表明，有限元分析是研究錐殼開孔接管結構相鄰區域應力分布的一種有效方法。

傳統的有限元單向建模應力分析，工作量大、設計周期長，三維有限元數值分析的計算可以準確地描述偏心錐殼的應力分布，使應力的計算更為精確[2]。如果模型的幾何參數與載荷改變，就要重新建模分析，費時費力，降低了工作效率。筆者利用Visual Basic 6.0結合APDL語言對ANSYS進行二次開發，開發了適用于多種管系載荷作用下，不同結構參數的錐殼開孔接管結構應力分析參數化設計系統，其界面友好、操作靈活、便捷易用，為此類結構的優化設計和安全評定提供了有效手段。

1 軟件開發技術

1.1 APDL技術

ANSYS Parametric Design Language，APDL，即ANSYS參數化設計語言，它是一種類似FORTRAN的解釋性語言，提供一般程序語言的功能，如參數、宏、標量、向量、矩陣運算、分支、循環、重復以及訪問ANSYS有限元數據庫等[3]。利用APDL程序語言組織管理ANSYS有限元分析命令，就可以實現參數化建模、施加參數化載荷與求解和參數化后處理結果的顯示，從而實現參數化有限元分析的全過程。在參數化的分析過程中可以簡單地修改其中的參數達到反復分析各種尺寸、不同載荷大小的多種設計方案或序列性產品，提高了分析效率，減少分析成本。

1.2 Visual Basic 6.0與ANSYS的連接

ANSYS軟件內部的APDL語言雖然為參數化建模提供了強有利的開發工具，但APDL本質上不是具有集成化開發環境的高級語言，其可視化程度差、開發過程不直觀，因而給對APDL語言不熟悉的人員利用ANSYS軟件進行分析帶來一定的困難。筆者利用Visual Basic語言對ANSYS進行了二次開發，通過對話框對模型的參數進行輸入，實現了錐殼接管-開孔結構利用ANSYS建模、求解等過程的可視化。

用VB對ANSYS進行封裝的關鍵在于調用[4]，在VB中其調用是通過VB中的窗口函數shell()來實現的，該函數用于執行某個可執行文件，包括*.exe文件、*.com文件和*.bat文件。筆者根據文獻[4]中的調用方法進行擴展應用，主要調用命令如下：

Private Sub Command1_Click()

If Dir ("E: zhuiqiao.err") <> "" Then

Kill ("E: zhuiqiao.err")

End If ′(判斷錯誤日志文件是否已經存在，是先刪除)

……

If Dir ("E:zhuiqiao000.jpg") <> "" Then

Kill ("E:zhuiqiao000.jpg")

End If ′(判斷結果圖片文件是否已經存在，是先刪除)

Dim X

X = Shell ("D:Program FilesAnsys Incv120ANSYSinintelansys.exe□-b□-p□ane3fl□-i□E:zhuiqiao.txt□-o□E:jieguo.txt", 1)

′(對ANSYS進行調用)

Timer1.Enabled = True′(啟動計時器)

End Sub

其中：“□”代表空格，空格必須嚴格注意；

“D:ProgramFilesAnsysIncv120ANSYSinintel”是指“ansys.exe”所在的位置 ，即ANSYS的安裝路徑；

“-b□-p”為ANSYS的控制開關；

“ane3fl”為ANSYS的產品特征代碼，如：ansysul，ane3fl，emag等；

“E:zhuiqiao.txt”為調用命令流文件的路徑及文件名；

“E:jieguo.txt”為輸出結果文件的路徑及文件名。

1.3 程序設計流程

先利用ANSYS二次開發語言APDL編寫命令流，然后用Visual Basic 6.0設計用戶界面，該界面主要實現參數的輸入及結果的顯示等功能。最后，運用Visual Basic 6.0調用ANSYS實現批處理(BATCH)方式，生成并保存結果文件[5]，程序設計流程如圖1所示。

圖1 程序設計流程

2 軟件界面設計

軟件界面采用Visual Basic 6.0設計[6]，包含了APDL編寫的命令流的相關參數，這些參數主要包括錐殼和接管的結構參數、材料參數、網格參數以及受到的內壓、接管附加力、矩等。

軟件輸入界面如圖2a所示，在此界面輸入錐殼的相關參數，其中當錐殼半頂角輸入為0時，可實現對圓柱殼開孔接管結構的分析。界面右下方提示是否輸入接管參數，如果輸入Y，軟件將彈出接管參數輸入界面(圖2b)。在接管參數輸入界面輸入接管相關參數和載荷后，如果還存在下一個接管，則在界面右下方輸入Y，軟件將會彈出另一個類似圖2b的界面。接管輸入結束后，點擊運算，ANSYS將進入后臺運算。運算完畢后，點擊相應按鈕可分別查看有限元模型網格圖、有限元模型邊界條件圖和應力云圖。

a. 界面1

b. 界面2圖2 參數化有限元設計平臺

3 應力分析實例

3.1 應力分析

筆者選擇一個錐殼雙開孔接管結構進行實例分析，殼體和接管材料均為SA-516，設計溫度為345℃，設計壓力1.0MPa。錐殼開孔結構簡圖如圖3所示，接管管口局部載荷見表1。

圖3 錐殼開孔結構簡圖

表1 接管管口局部載荷

參數輸入完畢后，單擊顯示有限元網格模型圖，顯示結果如圖4所示，單擊有限元模型邊界條件圖按鈕，顯示結構如圖5所示，用戶可根據這兩個顯示結果進行核實網格是否需要優化以及加載是否正確。核實無誤后點擊運算，待運算完畢后點擊應力云圖顯示，彈出圖6所示窗口。應力云圖顯示本分析結構最大Tresca當量應力為131.927MPa，應力最大點發生在殼體與接管1連接處的內壁，與實際相符。

圖4 有限元模型網格圖

圖5 有限元模型邊界條件圖

圖6 有限元模型tresca應力云圖

3.2 應力強度評定

根據JB 4732-1995進行應力強度評定[7]，主應力差：S12=σ1-σ2，S23=σ2-σ3，S31=σ3-σ1；應力強度S=max{|S12|，|S23|，|S31|}。

總體一次薄膜應力強度極限為Sm，局部一次薄膜應力強度極限為1.5Sm，一次薄膜加一次彎曲應力強度極限為1.5Sm，一次薄膜應力強度加二次應力強度極限為3.0Sm。其中，Sm為許用應力強度。

分析結構整體Tresca最大當量應力SⅣ=127.299MPa，材料的一次局部薄膜應力強度極限為1.5Sm=193.500MPa，顯然SⅣ<1.5Sm，無需進行應力線性化處理，應力強度評定合格。

4 結束語

利用Visual Basic和ANSYS的無縫連接，有效地實現了ANSYS的二次開發，編寫了錐殼開孔接管結構的有限元應力分析參數化設計系統。參數化設計系統的開發有效地提高了錐殼接管-開孔結構應力分析效率，為此類結構優化設計和安全評定提供依據。

[1] GB 150-2011，壓力容器[S].北京：中國標準出版社，2012.

[2] 付光杰，甄東芳，邢建華.開關磁阻電機的三維有限元分析及性能研究[J].化工自動化及儀表，2010，37(6)：68～71，75.

[3] 余偉煒，高炳軍.ANSYS在機械與化工裝備中的應用[M].北京：中國水利水電出版社,2006：399～400.

[4] 張海軍，王高平，劉曜.Visual Basic對ANSYS調用的技術研究[J].機電產品開發與創新, 2008，21(3)：116～117.

[5] 張小平.圓柱殼雙開孔結構管應力分布研究[D].南京：南京工業大學, 2011.

[6] 李亞非，鄭玉.Visual Basic程序設計教程[M].南京：南京大學出版社,2009.

[7] JB 4732-1995, 鋼制壓力容器分析設計標準[S].北京：中國標準出版社，1995.