基于ABAQUS的葉片靜力學自動校核平臺二次開發

摘 要：為了提高旋轉設備葉片的力學性能校核效率，文章借助Python語言，結合ABAQUS軟件開發一套用于葉片靜力學自動計算的軟件平臺。該平臺不僅提供基礎的葉片模型讀取功能，還具備網格自動剖分能力，免去了人工操作中的誤差。同時，該平臺還支持一鍵加載邊界條件、自動計算和導出完整報告的功能，大大減少了手工操作中的復雜性和煩瑣性。結果表明，該平臺計算相同模型用時僅為傳統方法的1/4，不僅降低了設計階段的時間成本，還為工程師騰出更多的時間進行優化和改進，確保旋轉設備的葉片設計更加精確和高效。

關鍵詞：靜力學計算；數值仿真；聯合仿真；平臺開發；B/S架構

中圖分類號：TP311；TP319 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2024）08-0045-06

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.08.011

0 引 言

葉片是壓氣機及汽輪機中的重要部件，葉片強度是保證壓氣機的關鍵參數，為避免發生裂紋、斷裂等事故，需要在設計階段對葉片強度進行校核，保證機組的可靠性[1，2]。在設計階段需要根據圖紙繪制出三維模型后，對其進行靜力學計算。在整個計算校核過程中，涉及網格剖分、邊界條件加載、峰值應力篩選及撰寫報告等功能。對于同一款壓氣機而言，每一級葉片的計算步驟是相同的，因此可以使用自動化的方法來代替人工進行復雜重復的計算操作。常規計算環節中，需要涉及前處理和實際計算兩款軟件。跨軟件協同計算需要一定的軟件操作背景[3-12]，不能滿足高效分析的要求，并且用于靜力學評估的ABAQUS軟件能夠通過Python語言調用相關計算模塊。因此開發了一款操作方便、針對性強，操作效率高的仿真平臺，以期提高計算校核效率。

1 總體架構及技術路線

仿真平臺采用B/S架構進行開發，使得用戶可以在任何支持Web瀏覽器上訪問和使用。該架構不僅大大簡化了用戶的訪問過程，也為后臺提供了強大的可擴展性和靈活性。平臺的前端設計致力于為用戶提供一個直觀且用戶友好的交互界面。用戶可以通過簡潔的上傳功能，輕松提交幾何模型文件。一旦模型上傳完成，平臺會自動進行網格剖分，并實時顯示其結果，這使得用戶可以直觀地查看和確認模型的精度和復雜性。此外，界面還設計了一系列設置面板，用戶可以方便地配置求解參數信息，如材料屬性、加載和邊界條件等，確保計算的準確性。

平臺的后端計算模塊是其核心組成部分。它主要負責處理前端發送的數據和執行復雜的有限元分析。利用Python語言，平臺為有限元模型設置了各種邊界條件，如固定、自由、旋轉等，確保模型的物理性質得到準確的描述。此外，通過設計各種求解參數，如分析類型、求解器選擇等，平臺可以根據不同的工程需求進行優化。為了實現高效且準確的仿真分析，后端計算模塊自動調用了業界領先的ABAQUS軟件。這不僅保證了計算結果的準確性，也大大簡化了用戶的操作過程，使其不必手動設置和啟動ABAQUS的計算過程。

1.1 總體架構

仿真平臺采用了精心設計的多層架構以滿足現代工程分析的需求，架構主要分為展示層、業務層、數據層、接口層和資源層。首先，展示層直觀地面向用戶，涵蓋了結構仿真的各個方面，如模型上傳、可視化、仿真設置以及結果的呈現和報告生成，旨在為用戶提供流暢且高效的操作體驗。在業務層，平臺通過自動化的網格生成技術、靈活的邊界條件加載以及多種腳本執行策略，處理復雜的仿真邏輯，確保結果的準確性。數據層則負責管理和存儲仿真過程中涉及的眾多數據，從基本的幾何模型到復雜的材料屬性，都經過精心組織和優化。接口層是平臺與外部軟件交互的關鍵，包括與前處理工具ANSA、仿真大戶ABAQUS和常用的Office軟件的無縫連接，使得數據交換和結果處理變得輕而易舉。最后，資源層為整個平臺提供堅實的基礎，不僅支持了核心的仿真程序，還提供了穩定的PHP運行環境、高性能的Nginx服務器和MySQL數據庫，確保整個仿真過程無論規模大小都能流暢運行。

通過分層的架構的開發可以使得程序結構清晰，方便擴展與升級，可維護性強。平臺架構圖如圖1所示。

1.2 技術路線

通過獨立的應用程序，實現軸流壓氣機葉片自動化仿真分析平臺的交互、幾何展示、結果展示的功能；基于ABAQUS進行二次開發實現壓氣機葉片模型仿真流程自動化的功能，實現模型的求解設置等功能，然后進行后處理，提取計算結果，生成后處理的結果數據，并保存到數據庫和結果文件庫。軟件讀取提取的結果數據和后處理文件數據在軟件界面上進行后處理展示和自動按照模板生成仿真報告。技術路線如圖2所示。

2 平臺開發

2.1 需求分析

經過深入的需求功能分析，軟件被結構化地劃分為若干核心模塊。這種模塊化設計確保了每個功能部分的獨立性，同時也保障了與其他部分的無縫協同。對應于每一個模塊，都有詳細的需求分析表，如表1所示。這些表格列明了模塊的主要功能、預期的輸入/輸出、用戶交互方式等關鍵信息。這樣的細致組織方式為軟件的完整性、后續測試、維護和升級提供了強有力的支撐。

2.2 開發環境

該仿真平臺采用B/S網頁開發方式，充分考慮了現代Web應用的靈活性和可訪問性。為了確保前后端的高效協同，選擇了業界廣泛認可的技術堆棧。前端主要基于HTML5、CSS和JavaScript構建，確保界面的現代感與兼容性，同時能夠在各種設備上提供一致的用戶體驗。服務端則采用PHP語言進行開發，結合了Python腳本來處理更為復雜的仿真邏輯。PHP不僅提供了強大的Web開發能力，還確保了與后端Python腳本的無縫集成。

支持軟件方面，ABAQUS和ANSA為平臺提供了專業的仿真和前處理功能，使得模型準備和結果分析變得更加高效。在框架選擇上，ThinkCMF負責處理后端的數據管理和路由，而BootStrap和Jquery則在前端提供了快速的響應式設計和交互功能。在開發過程中，為了確保代碼質量和提高開發效率，團隊使用了PHPStorm和PyCharm這兩款業界頂級的集成開發環境。所有關于開發技術的細節都被仔細記錄在“開發技術明細表”中，具體明細表如表2所示。

2.3 開發結果

2.3.1 網格自動化建模

針對專業人員存在軟件的個性化設計需求，ANSA提供基于腳本語言Python的開放接口，使得用戶可以通過腳本編程，實現軟件的拓展、定制，基于腳本語言的二次開發是實現通用商業軟件功能專業化、知識產權自主化的有效途徑。

使用前處理軟件ANSA的API調用幾何識別和網格建模的相關命令，可以實現葉片輪盤的幾何識別，根據用戶提供的建模需求實現對特定面的網格細分處理，完成幾何表面的網格劃分。殼單元網格質量檢查后即可完成體網格劃分，導出inp格式的網格模型。網格自動化剖分結果如圖3所示。

2.3.2 仿真計算及自動化

ABAQUS軟件提供基于腳本語言Python的開放接口，使得用戶可以基于腳本語言進行二次開發，實現自身的定制化需求。根據ANSA軟件自動導出的inp文件自動導入ABAQUS，根據以下三種仿真分析需求：

1）溫度場計算分析：根據提供的葉片及輪盤溫度邊界條件，進行葉片輪盤的三維溫度場計算。

2）對有限元模型加載溫度場、離心力和氣流力進行靜強度計算。

3）進行接觸設置、工況設置、完成進行三維模型的振動計算分析和共振計算分析。

4）仿真計算需調用ABAQUS自身的計算模塊進行仿真計算。

根據需求使用Python調用ABAQUS開發后的計算結果如圖4、圖5所示。

2.3.3 仿真后處理報告自動生成

針對仿真流程，開發后處理結果提取、數據接口，完成仿真報告提取查看，報告自動生成的功能。主要通過數據來源的定義可以選擇來自哪些數據結果的哪些數據塊，數據塊通過標識進行區分，以便能夠抓取，通過來源定義，執行IO操作抓取相關計算結果的數據以及對報告模板進行渲染，生成相關報告。自動導出報告如圖6所示。

2.4 項目管理

為了使仿真工作更加有序和高效，平臺特別提供了一個獨立的項目管理模塊來對仿真業務流程進行管理。這一設計思路確保了整個仿真流程的清晰性和連續性。每一次的仿真工作不再是孤立的操作，而是以項目的形式存在，確保了從初步模型的建立到最后結果的輸出，所有步驟都在一個統一的框架下進行。

每一個項目下，具體的操作和步驟被轉化為“任務”，這種任務化管理方式為工程師提供了清晰的工作路徑。這些任務在數據庫中以條目形式存儲，確保了數據的完整性和持久性。為了方便用戶進行任務跟蹤和管理，平臺提供了一個直觀且用戶友好的界面。此外，篩選、查看和修改任務也被設計得十分簡潔和高效，無論是新手還是經驗豐富的工程師都能輕松上手。

關于項目任務管理的具體界面和功能細節，如圖7所示，其中詳細展示了各項功能的布局和操作流程。

2.5 關鍵開發技術

ABAQUS提供基于腳本語言Python的開放接口，使得用戶可以通過腳本編程，實現軟件的拓展、定制。ABAQUS的Scripting技術功能是其強大自動化能力的體現。這一功能允許用戶直接運行腳本命令，從而實現各種文件操作、窗體交互以及特定事件的處理。例如，用戶可以編寫腳本批量導入模型、批量更改材料屬性或自動設置邊界條件。這種自動化處理大大提高了仿真效率，降低了重復操作的機會，從而提高了整體的工作效率和結果的準確性。

通過集成OLE Automation技術，ABAQUS進一步加強了其自動化開發能力。這種技術使得ABAQUS可以與其他應用程序（如Office應用或自定義的軟件工具）無縫交互，從而實現更高級的仿真自動化功能，如自動生成仿真報告或與其他軟件共享數據。ABAQUS部分接口定義如圖8所示。

2.6 平臺功能測試驗證

測試是平臺開發的一項重點內容，通過對測試結果的分析，得到對軟件質量的評價，評估測試測試執行和測試計劃是否符合，同時分析系統存在的缺陷，為修復和預防bug提供建議。平臺功能測試分為通用功能測試、基礎功能測試和核心功能測試三部分。根據用戶實際操作流程編寫測試用例后進行測試。在測試時統計使用平臺計算的操作時間和常規方法的操作時間，二者對比詳細內容如表3所示。可以發現，在滿足功能要求的基礎上，使用平臺進行計算同一個葉片所需的時間僅為常規操作方法計算時間的1/4，顯著提高了計算效率。

3 結 論

通過借助Python語言，結合ABAQUS提供的開發接口，開發出了一套用于葉片靜力學自動計算的軟件平臺。該平臺實現了葉片模型讀取、網格自動剖分、邊界條件加載、自動計算及導出報告的功能。通過測試環節驗證了平臺的功能可用性。該平臺提高了設計階段的計算分析效率，為設計壓氣機葉片提供了高效便捷的計算工具。

參考文獻：

[1] 陳陽，郭成浩.壓氣機葉片造型對強度性能的影響 [J].艦船科學技術，2019，41（19）：148-152.

[2] 杜子學，韓山河，劉雅黔，等.壓氣機葉片流固耦合的強度和振動研究 [J].振動、測試與診斷，2013，33（5）：789：793+910.

[3] 蔡龍，諶紅杰，劉旭升，等.BIM插件平臺開發探究 [J].現代信息科技，2022，6（14）：119-122+125.

[4] 林咸志，羅增浤，許正，等.基于Code_aster的拱壩數字孿生健康評估平臺開發 [J].計算機輔助工程，2023，32（1）：46-52.

[5] 胡湛晗.基于Flutter的移動應用跨平臺開發的研究 [J].北華航天工業學院學報，2022，32（3）：17-19.

[6] 杜世民，楊潤萍.基于MatlabGUI的“信號與系統”教學仿真平臺開發 [J].實驗技術與管理，2012，29（3）：87-90.

[7] 劉曉東，黃生文.基于邊緣計算的旋轉設備振動態勢感知平臺開發與應用 [J].現代信息科技，2023，7（3）：164-167.

[8] 薛榮霞，張震浩.基于云平臺的在線程序設計實驗管理系統 [J].現代信息科技，2022，6（12）：6-10.

[9] 董長林，尚坤，周仕明，等.基于Abaqus的航天服波紋式肘關節有限元仿真平臺開發[J].載人航天，2022，28（2）：168-176.

[10] 趙文娟.基于ABAQUS二次開發的巖石力學試驗數值仿真系統 [J].高等建筑教育，2019，28（5）：160-165.

作者簡介：陸海峰（1994—），男，漢族，新疆哈密人，NVH科主管，碩士，研究方向：NVH仿真分析及開發。

收稿日期：2023-09-04

Secondary Development of Blade Statics Automatic Verification Platform

Based on ABAQUS

LU Haifeng

（Yiduo Information Technology （Shanghai） Co.， Ltd.， Shanghai 201100， China）

Abstract： In order to improve the mechanical performance verification efficiency of rotating equipment blades， this paper uses Python language and ABAQUS software to develop a software platform for automatic calculation of blade statics. This platform not only provides basic blade model reading functions， but also has the ability for automatic mesh generation， eliminating errors in manual operations. At the same time， the platform also supports functions of one click loading of boundary conditions， automatic calculation， and exporting of complete reports， greatly reducing the complexity and tedious nature of manual operations. The results show that the platform only takes 1/4 of the traditional method to calculate the same model， which not only reduces the time cost in the design phase， but also frees up more time for engineers to optimize and improve the platform， ensuring that the blade design of rotating equipment is more accurate and efficient.

Keywords： statics calculation; numerical simulation; co-simulation; platform development; B/S architecture