基于VB.NET和Ansys的鎖環(huán)式快開盲板結構參數(shù)化設計軟件

周淑敏 陳 平 周天旭

(1.北京化工大學機電工程學院；2.中石化工程建設有限公司)

基于VB.NET和Ansys的鎖環(huán)式快開盲板結構參數(shù)化設計軟件

周淑敏*1陳 平1周天旭2

(1.北京化工大學機電工程學院；2.中石化工程建設有限公司)

以Visual Studio 2010平臺上的VB.NET為開發(fā)環(huán)境，結合參數(shù)化設計的相關技術要求，提出了一種基于VB.NET對Ansys進行二次開發(fā)的鎖環(huán)式快開盲板結構參數(shù)化設計軟件，給出了后臺調用Ansys并讀取APDL命令流的關鍵代碼、軟件開發(fā)流程與相關界面設計。實際應用結果表明：用戶只需要在軟件界面輸入?yún)?shù)即可完成設計與分析工作，極大地縮短了設計周期，提高了設計效率，由該軟件設計出的產品結構合理、安全可靠。

鎖環(huán)式快開盲板結構 參數(shù)化設計軟件 VB.NET Ansys APDL

近年來，市場需求日益多樣化、個性化，若要在市場競爭中贏得生存和發(fā)展，產品的設計應具有較寬的市場覆蓋范圍，以適應更多用戶的要求。然而面對多樣的設計條件，采用傳統(tǒng)設計、分析方法需要完成大量重復性的工作，費時費力、效率較低。隨著計算機技術的發(fā)展，參數(shù)化設計軟件應運而生，如目前廣泛使用的過程設備強度計算軟件，其借助計算機強大的計算功能，能夠更加快速地完成設計計算及校核等工作。然而該類參數(shù)化設計軟件一般是利用傳統(tǒng)材料力學公式進行計算校核的，只能做出定性判斷，不能對產品做出更加深入細致的分析，且多數(shù)參數(shù)化設計軟件只針對標準機械產品，對于一些特殊的非標機械產品如快開盲板結構，則無法對其進行設計和分析。Ansys是目前應用最為廣泛的大型通用CAE軟件，其自帶的二次開發(fā)技術，即Ansys參數(shù)化設計語言(Ansys Parametric Design Language,APDL)可實現(xiàn)參數(shù)化設計，但可視化程度不高，尤其是其全英文操作界面與復雜的分析步驟，對于不熟悉此軟件的用戶來說，很難在短時間內掌握并應用。為解決這一問題，筆者提出基于Visual Basic.NET(VB.NET)對Ansys進行二次開發(fā)，將VB.NET友好的人機交互界面與Ansys強大的力學分析功能結合，開發(fā)一款方便用戶使用的鎖環(huán)式快開結構參數(shù)化設計軟件。

1 相關技術

1.1 APDL

APDL是Ansys自身提供的二次開發(fā)技術，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)化設計和二次開發(fā)的基礎，可利用第一次分析時生成的LOG文件，僅對其進行修改就能完成參數(shù)化設計，極大地縮短了設計時間。APDL語言特別適用于需要重復計算的場合，且文件數(shù)據(jù)量小，便于保存、攜帶，利于交流、應用[2]。

1.2 VB.NET

為了更好地實現(xiàn).NET技術，微軟公司推出了Visual Studio.NET，將多種開發(fā)語言集成到一個開發(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的基礎上產生的，盡管語法上兩者有相似之處，但VB.NET在多方面有重大的進步與創(chuàng)新，如實現(xiàn)了真正意義上的面向對象編程，提供了基于.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平臺上的VB.NET為開發(fā)環(huán)境。

1.3 VB.NET調用Ansys

APDL雖然功能強大，但也存在一些弊端。首先，對于不熟悉Ansys軟件的用戶，需要花費大量時間來學習基本操作；其次，參數(shù)化設計需要完成許多變量的修改，通常無法在一個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方便友好的人機交互界面，設計一個可視化參數(shù)輸入界面，對APDL命令流進行調用和封裝，用戶只需要根據(jù)實際設計要求輸入變量參數(shù)并定義材料屬性和載荷，系統(tǒng)便會自動對APDL原命令流進行修改，進行變量參數(shù)的賦值，后臺啟動Ansys，自動讀入修改后的命令流，完成全部有限元分析過程，并將結果返回VB.NET界面呈現(xiàn)給用戶[4,5]。

利用VB.NET實現(xiàn)對Ansys的調用是本設計的關鍵，在此，筆者使用Shell函數(shù)實現(xiàn)這一功能。假設使用的Ansys軟件版本為14.0，安裝在計算機C盤下的Program文件夾內，且用戶設定將輸出結果保存至桌面文件夾result下，則調用Ansys的關鍵代碼如下：

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的產品特征碼。

2 鎖環(huán)式快開盲板結構參數(shù)化設計軟件

2.1 開發(fā)背景

快開盲板結構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)式快開盲板結構占據(jù)天然氣快開盲板的主要市場，多用于西氣東輸及川氣東送等重點工程項目的主管線設備上[6,7]。目前，國內應用的快開盲板產品多依賴進口，因此，我國某大型石油企業(yè)啟動了《油氣管道關鍵設備國產化研制》應用項目，天然氣快開盲板國產化研制是主要任務。

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

圖1 鎖環(huán)式快開盲板結構

由于各段管線的功能不盡相同，管道的直徑、內壓參數(shù)變化較大，因此，相配套的快開結構應進行系列化設計。鎖環(huán)式快開盲板結構的設計計算具有半經驗半理論性質，系列化設計時需要反復修改參數(shù)、計算校核并進行有限元分析，直接導致設計周期增長、設計成本提高；而利用APDL進行有限元分析又要求設計人員具有較高的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，既保證了VB.NET的人機交互優(yōu)勢，又能方便地對Ansys進行調用。

2.2 開發(fā)思路

首先，將快開結構的強度設計公式進行逆向推導，各危險截面的尺寸參數(shù)可轉化成由內徑、內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，可快速得到復雜方程組的解，即各危險截面的尺寸。然后，利用尺寸的關聯(lián)性和局部經驗性尺寸推算出整個快開結構的尺寸，進而依據(jù)GB 150中的相關規(guī)定進行常規(guī)校核[8]。接著對快開結構進行參數(shù)化建模，利用VB.NET將APDL參數(shù)化命令以批處理的方式導入Ansys中并自動啟動求解。最后，將有限元云圖及應力線性化結果等返回至VB.NET界面，方便用戶查看，為結構優(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)快開盲板結構理論公式得到計算參數(shù)，軟件自動將計算參數(shù)賦值到APDL命令流中，后臺調用Ansys程序，生成參數(shù)化模型，對模型進行求解后，Ansys程序后臺自動退出，并將最后的處理結果自動返回至VB.NET界面。

圖2 軟件開發(fā)流程

3 界面設計與應用實例

3.1 界面設計

軟件界面設計采用模塊化編程原理對系統(tǒng)功能進行分解，盡可能地細化各功能模塊，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 應用實例

以直徑62寸的鎖環(huán)式快開盲板結構設計與分析為應用實例，其設計條件為：

設計壓力 12.6MPa

圖4 軟件功能

操作壓力波動范圍 0.0～12.6MPa

水壓試驗壓力 18.9MPa

設計溫度 -35～60℃

筒體內徑 1 550mm

操作介質 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)包含設計參數(shù)(圖5)和尺寸參數(shù)(圖6)。設計參數(shù)為各項已知的基本參數(shù)；尺寸參數(shù)是軟件后臺計算得出的危險截面尺寸推薦值，可以在此基礎上進行修改和優(yōu)化。

點擊“計算”，后臺調用Ansys，啟動有限元分析，并將計算結果返回至VB.NET界面。圖7為總體應力云圖，除此之外還可以分別顯示法蘭、鎖環(huán)、盲板的應力云圖和總體變形云圖。圖8為應力線性化結果，所有結果都將自動存儲在用戶設定的工作目錄下。

圖5 設計參數(shù)界面

圖6 尺寸參數(shù)界面

圖7 總體應力云圖

圖8 應力線性化結果

對開發(fā)完成的鎖環(huán)式快開盲板結構參數(shù)化設計軟件進行封裝后，用戶只需要進行界面輸入即可完成設計與分析工作，極大地縮短了設計周期、提高了設計效率。筆者設計的軟件已通過《油氣管道關鍵設備國產化研制》應用項目的專家認證，并投入實際應用，用戶反饋良好。基于該軟件設計的62寸設計壓力為12.6MPa的大型鎖環(huán)式快開盲板結構，在合作工廠的配合下，已經完成樣機試制，并完成了水壓試驗、應力測試和密封性能試驗，結果表明，由該軟件設計出的產品結構合理、安全可靠。

4 結束語

筆者設計的基于VB.NET和Ansys的鎖環(huán)式快開盲板結構參數(shù)化設計軟件，不但可以利用Ansys強大的力學分析功能對產品結構進行分析和校核，為結構優(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參數(shù)即可實現(xiàn)對結構的設計，進而調用Ansys進行有限元分析，自動生成分析報告。軟件界面友好、操作方面，用戶省去了研究復雜Ansys軟件的時間，極大地減輕了工作強度、提高了設計效率、降低了設計成本。該軟件實際應用情況良好，進一步驗證了軟件的高效性、合理性和可靠性，具有一定的工程價值。

[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)與應用[J].機械設計與制造,2013,(4):98～100.

[2] 胡光學,張彥斐,宮金良.基于VB與APDL的全柔性機構參數(shù)化建模方法[J].山東理工大學學報(自然科學版),2011,25(3):49～51.

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

[4] 徐鶴林,許福東,徐桃園,等.基于VB和ANSYS的鉆柱振動軟件開發(fā)[J].機械制造與自動化,2011,40(2):81～83.

[5] 陶蕾,賀小華,管凌峰.基于ANSYS的薄膜蒸發(fā)器筒節(jié)夾套參數(shù)化有限元分析[J].機械設計與制造,2008,(7):84～86.

[6] 劉雯,鄒曉波.國外天然氣管道輸送技術發(fā)展現(xiàn)狀[J].石油工程建設,2005,31(3):20～23.

[7] 周天旭,陳平,陳水蓮,等.基于Ansys Workbench的快開盲板鎖環(huán)分析及優(yōu)化[J].化工機械,2013,40(4):484～486.

[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量監(jiān)督檢驗檢疫總局,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)