基于VB.NET的二次開發技術

呂鴻冠　黃技

本文利用 .NETFramework平臺上的 VB.NET語言，針對一個經典的工程問題進行代碼編寫，開發出一款專用的軟件解決一個典型的梁結構分析問題。

一、引言

隨著計算機軟硬件的迅速發展，許多工程問題已經逐從人工求解向計算機求解轉型，即從人工數值分析轉向計算機數值模擬。

目前，許多工程師運用有限元分析軟件來輔助自己的工程設計。但是，由于軟件自身的限制，當一個工程的設計方案需要調整或出現錯誤時，所有數值模擬都要重新開始，整體上拖慢了工程進度，延長了工程周期。

針對上述問題，不同工程師采用不同的方法解決自己的實際工作需求。二次開發技術是眾多解決方法中擁有較高效率、較高精度的一種。本文通過 VB.NET語言自帶的函數對 ANSYS Mechanical APDL產生的命令流文件進行調用修改，實現梁結構的“參數化分析”。

二、ANSYS命令流文件

1.ANSYS簡介

ANSYS是一款融結構、流體、電磁場、聲場和熱學等為一體的大型通用有限元分析軟件，在多物理場耦合領域具有不可多得的優勢，是現代工程師最常用的CAE軟件之一。在ANSYS 7.0版本后，ANSYS公司根據用戶需求，將ANSYS分成 ANSYS Workbench和 ANSYS MechanicalAPDL兩個不同的平臺，以適應不同的分析情景。

2.ANSYS的工作平臺

ANSYS Workbench平臺是一種全新的界面和設計理念，通過自頂向下的分析方式向用戶展示了完整的分析過程，其最大的優點是操控性強、參數化程度高、界面友好、接口豐富。ANSYS Mechanical APDL平臺即 ANSYS的經典版，雖然界面相對落后，分析步驟較為復雜，可視化程度低，但是其分析過程可直接產生命令流文件。

3.APDL命令流文件

APDL命令流文件是 ANSYS特有的分析文件，通常為 Windows文本格式。它記錄了整個數值模擬的過程，包括一系列建模參數、網格劃分類型、求解器設置、后處理模塊設置等數據。利用命令流文件，只要通過改變其中關鍵的數據，再通過調用ANSYS Batch（ANSYS批處理命令）進行分析，即可得出模擬結果。本文就是在基于 APDL命令流文件的基礎上對 ANSYS進行二次開發。

三、二次開發技術

1.二次開發技術的簡介

狹義上的二次開發技術，即在現有軟件提供 SDK的基礎上，針對用戶的特別需求，利用 SDK中公開的 API（應用程序接口），通過編程語言來訪問軟件原有的一些功能，即開發出一款用戶專用的軟件。總的來講，二次開發技術具有以下優點。

（1）相對于完全的定制開發，二次開發工作量小，效率高，風險低，周期短。

（2）二次開發在原有產品的基礎上進行，故原產品的功能和優點能有很好地繼承。

（3）解決了單純的產品個性化需求不能滿足的問題。

2.二次開發平臺的選擇

Microsoft Visual Studio（簡稱 VS）軟件是美國Microsoft公司的開發工具包系列產品。VS是一個完整的開發工具包，包括了整個軟件生命周期中所需要的大部分工具，如代碼管控工具、UML工具和集成開發環境 （IDE）等。所寫的目標代碼適用于微軟支持的所有平臺，包括 Microsoft Windows、Windows Phone、.NETFramework、.NET Compact Framework和 MicrosoftSilverlight等。

3.二次開發編程語言的選擇

Visual Basic.NET語言是基于微軟公司的 .NETFramework上的面向對象的編程語言，通常簡稱 VB.NET（非 VB）。

VB.NET是當今 Basic系語言中最完善的一種，其可視化操作與拖拽化編程環境贏得了廣大用戶的信任。與 VB不同，VB.NET具有更加完善的功能。

（1）真正面向對象的程序設計。

（2）強大的事件驅動功能。

（3）軟件的集成式開發。

（4）結構化的程序語言設計。

（5）強大的數據庫訪問功能。

（6）支持對象的鏈接與嵌入、動態交換、動態鏈接等技術。

（7）網絡編程功能。

基于以上優點，VB.NET是進行軟件二次開發設計的理想編程語言。

四、APDL二次開發的可行性

ANSYS APDL平臺進行有限元分析時，由于軟件自身的限制，導致當模型改變或參數出現變動時，整個數值模擬過程重新進行，這過程包括“重新建模—重新定義材料—重新劃分網格—重新定義邊界條件—重新設置求解器—重新求解”等步驟，需耗費大量的時間，重整體上拖慢工程進度。

APDL每次進行分析時，在工作目錄下會產生一個命令流文件，文件里記錄了項目的各種分析參數。利用VB.NET的文件操作函數，在指定目錄下生成新的文本文件，通過 VB.NET中的數據寫入功能，將用戶自定義的參數賦予新的文本文件，從而形成新的命令流，再通過函數調用 ANSYS Batch進行分析，并通過圖片控件直接顯示分析結果（各類分析云圖），實現真正意義上的“參數化分析”。

五、梁結構分析的二次開發實例

本文利用工程上一個經典的梁結構結合 VB.NET進行ANSYS的二次開發，闡述二次開發的主要過程和實際的工程意義。開發的軟件如圖 1所示。

1.分析模型

本文采用的是工程上一個經典的工字梁結構，具體模型如圖 2所示。

圖2梁結構模型

其中：左端是固定端約束，右端在 XZ平面內可左右滑動， Y方向不具自由度。梁截面是工字梁結構，具體的參數意義如圖 2所示。

2.命令流文件的獲取

進入 APDL界面，設置 Preference為 Structural。依次點擊Preprocessor—Element Type—Add，選擇梁單元為 BEAM189。依次點擊 Section—Beam—CommonSections，選擇工字梁界面，輸入相關參數。依次點擊Modeling—Create—Nodes，按照圖 2完成模型的建立。依次點擊 Solution—Define Loads—Apply完成對模型的約束和荷載的定義。上述步驟完成后，點擊 Solve進行求解，當提示“Solve is done”時，進入工作目錄，將生成的命令流文件保存（默認的命令流文件是名為 file的 Windows文本）。

3.代碼編寫

得到命令流文件后，利用Microsoft Visual Studio2012平臺上的 VB.NET語言對命令流進行二次開發。

向 Form1窗口添加一個 Button，并對 Button添加一個 Click事件響應。首先，需指定一個目錄生成新的命令流文件，這里指定默認目錄為工作環境，并用 Sw.WriteLine函數對新的命令流文件寫入原命令流數據，語句中需用戶自定義的參數部分留空。部分關鍵代碼如圖 3所示。

將分析語句寫入新的命令流后，需定位 ANSYS原程序，這里通過 Shell函數實現該功能。部分關鍵代碼如圖 4所示。

接下來，需要建立一個控件存放ANSYS的安裝路徑，以便通過 Click事件響應將路徑位置賦予命令流，這里通過定義 System.IO.Stream變量來實現。部分關鍵代碼如圖 5所示。

最后，為了保證每次分析結果不與上次分析結果混淆，需在每次新分析前對上次分析結果進行清理，這里通過 kill函數實現這個命令。部分關鍵代碼如圖 6所示。

完成第一個 Button控件的編寫后。需添加一個 PictureBox控件和 4個 Button控件分別控制顯示 “位移、應力、剪力、彎矩”四張云圖。這里，利用賦值函數直接將圖片名賦給PictureBox控件。部分關鍵代碼如圖7所示。

完成上述代碼最關鍵部分的編寫后，再對整體代碼和軟件界面進行細節上的修改，全部完成后，導出最終的軟件應用程序。

4.實例演算

完成軟件的設計（圖 1），下面通過一個實例來演示軟件的功能。本次分析參數如表所示。分析結果如圖8～11所示。

六、結語

本文通過利用 VB.NET對一個經典的工程梁結構問題進行 ANSYS Mechanical APDL平臺上的二次開發，設計出一款用戶個性化的軟件，詳細展示了二次開發的工作流程和實際應用意義。在實際工作中，分析模型往往比該模型復雜，故開發用戶個性化的軟件具有重要的現實意義。經過上面的分析，可知二次開發的具有如下優點。

（1）參數化分析：通過實例演算可以看出，用戶通過自定義界面完成參數的輸入，無論改變哪個變量，均可通過界面一次性完成，免去了重建模等復雜步驟，極大縮短了分析時間。

（2）繼承性好：因為求解處理器仍然是 ANSYS的處理器，故用戶可將注意力集中在界面窗口設計和事件響應上，而不必關心計算結果是否準確。

（3）界面友好：通過軟件最終的設計結果可看出，開發出來的軟件界面友好，即使是不熟悉甚至是未曾學過ANSYS的用戶仍可進行有限元分析，并得到準確的分析結果。

（4）軟件通用性強：VB.NET編寫的 Windows程序能在任何安裝有 Windows系統的電腦上使用，故只要在安裝有 Windows和 ANSYS的電腦上都能使用。