1 ANSYS二次開發工具

　　1.1 結識UIDL

　　UIDL的全名是User Interface Design Language，是Ansys中二次開發工具方面的三大金剛之一。GUI方面幾乎全部的二次開發功能都將由它運籌帷幄。

　　功用:

　　(1)組織我們自己強大的菜單系統。

　　想象一下我們在Ansys中也能輕松做出可以和VC，VB之類主流GUI開發工具媲美的菜單響應效果，Ansys的世界將是多么的親切、友好。

　　(2)構建功能繁復的對話框。

　　Ansys中美觀易用的ContactWizard對話框級聯界面一定讓你印象很深把，有了它，即使是最菜鳥的門外漢也能構建一流的工程算例，Ansys5.7中的DesignSpace應該就是無可爭辯的例證之一。雖然從UNIX內核上講(Windows下的東西是Ansys的后期移植，很多技術還不成熟，這里就不加討論了)，它們多構建在繁復的TCL編程基礎上，但我們利用強大的UIDL工具，也能輕松架構起我們自己的實用對話框向導。

　　(3)建立自己的聯機幫助

　　Ansys中的聯機幫助(尤其是UNIX下的搜索引擎)非常實用，可以說是我所接觸過許多有限元平臺中最為好用的幾種幫助平臺之一。UNIX下的關鍵字查詢簡直是帥呆了，想構建自己完善的幫助系統嗎?UIDL同樣是這方面不可或缺的理想開發工具。

　　1.2 結識APDL

　　APDL即ANSYS參數化設計語言(ANSYS Parametric Design Language)，它是一種解釋性語言，可用來自動完成一些通用性強的任務，也可以用于根據參數來建立模型。APDL還包括其它許多特性，諸如重復執行某條命令，宏，if-then-else分支，do循環，標量、向量及矩陣操作等。

　　2 ANSYS二次開發過程及方法

　　利用這兩個強大的工具，并采用模塊化編程思想，對石油套筒問題從建立模型、定義材料、網格劃分控制，定義邊界條件，求解，給出設計建議，編制各自的程序。采用菜單式操作界面，便于用戶使用。開發的程序可以完全嵌入到ansys內部使用。并且從模型的建立到求解全部實現參數化。

　　本計算系統由以下三大模塊組成：

　　A、前處理模塊

　　(1)石油套筒參數化建立模型

　　(2)有限元模型的形成

　　(3)材料性質的定義

　　(4)單元的選擇

　　(5)定義接觸

　　B、求解模塊

　　(1)施加邊界條件

　　(2)施加載荷

　　(3)施加預緊力

　　(4)定義安全系數

　　(5)求解

　　C、后處理模塊

　　(1)給出等效應力云圖

　　(2)判定結構是否安全，并給予設計建議

　　(3)其他數據的獲得

　　實現石油套筒建立模型的參數化關鍵，是根據圖紙的模型和尺寸鏈以獨立的幾何參數為基礎，來實現建立模型。通過改變輸入參數的值，就可以直接建立我們所需要的模型。

　　一旦模型建立好，接下來的工作就比較容易進行。本系統從建立模型到后期處理，只需用戶簡單的輸入參數和點擊鼠標即可，操作很簡單。

　　接下來以我開發的轉子動力學分析計算模塊來說明石油套筒模塊的開發過程。

　　在將來的石油套筒計算模塊的開發中，我們也要建立三個這樣的模塊，并且這三個子模塊完全嵌入到ansys的主菜單里。

　　在石油套筒前處理模塊中，只需輸入幾個獨立的幾何參數，軟件在后臺會自動計算得到其他參數，并自動建立石油套筒的三維模型。

　　下面以一個漸開線齒輪的建模過程來說明參數化建立模型的優點：

　　圖2 漸開線齒輪參數建立模型的對話框

　　圖3 漸開線齒輪模型

　　從上面的小例子可以看出，ansys的參數化建立模型很方便和直觀便于用戶的操作而無須理解里面復雜的計算，這為本系統得易操作性奠定了堅實的基礎。對于接下來的網格劃分控制也可以采用對話框輸入，根據用戶輸入的值系統會會自動對模型進行網格劃分形成石油套筒的有限元模型。

　　因為石油套筒結構是一個比較復雜的裝配體里面包含大量的接觸，如何快速正確的模擬接觸成為本系統的一個重點。

　　模型有卡具與石油管道的接觸，卡具與螺栓的接觸。在本系統中只需用戶選擇存在接觸的體和定義相關的接觸參數如摩擦系數等，本系統會自動在兩個體之間形成接觸單元。

　　圖4 存在接觸的模型

　　本系統的單元采用8節點實體單元。對于螺栓與卡具的接觸采用綁定接觸其之間的連接，這樣可以簡化建立模型的過程，對計算的精度影響也不大。在工程設計中，我們一般都在線彈性范圍里進行計算。因此，只需定義材料的彈性模量和珀松比。

　　對于模型中的襯墊模擬采用ansys的襯墊單元來模擬以提高模型計算的精度。前處理完畢后就進入了求解階段。在這個模塊里重點是方便正確的定義模型邊界條件和載荷。邊界條件主要就是正確的約束模型的位移;載荷就是管道的內部壓力和螺栓的預緊力。管道的壓力作用在石油管道的內部，接下來說明如何定義預拉伸載荷。

　　定義螺栓處的預拉伸

　　在螺栓和其他結構零件上預加應力常常會給變形和應力帶來很大影響。兩個ANSYS特征，PRETS179預拉伸單元和PSMESH預拉伸網格命令可以用于這種類型的分析。如果固定件被網格劃分為兩個獨立的部分，使用EINTF命令可以把預拉伸單元插入兩塊之間。

　　預拉伸載荷是用來模擬接頭固定處的預裝配載荷。固定件可以是由任何2D和3D結構，低次或高次實體，梁，殼，管，或聯接單元構成。使用PSMESH命令時，施加了預拉伸載荷的預拉伸部分必須定義在固定件內部。(Pre-tension Definition(預拉伸定義)中有螺栓聯接的例子)。

　　使用PSMESH命令

　　到目前為止，最方便的在固定件上使用預拉伸單元的方法是通過PSMESH命令。只有固定件沒被網格分為獨立部分時這個命令才可以使用。這個命令將定義預拉伸部分并生成預拉伸單元。它自動把網格化固定件分割為兩部分并插入拉伸單元。如果你決定要刪除拉伸單元，刪除拉伸部分就會自動刪除拉伸單元(Main Menu>Preprocessor>Sections>Delete Section)。這個特征也允許你通過合并節點“undo”分割操作。

　　圖5 定義預拉伸

    正常的方向是由PSMESH命令指定的，它是拉伸部分數據的一部分。這里和早先的方法(PTSMESH命令)有些差異，后者用實常值指定正常方向。網格化拉伸部分不一定要是平面，拉伸部分的下面幾乎可以是任何形狀：線，三角形，四邊形，四面體，契形或六面體。可是，在拉伸部分的兩面(A 和B)必須有一致的節點。拉伸部分的面和面由一個或多個拉伸單元聯接，每個單元對應一對節點。

　　一個拉伸節點(K)用來控制和監控總的應力載荷。當拉伸部分是由PSMESH命令生成時，拉伸部分的拉伸載荷方向可以相對于面A指定。在一個指定拉伸部分上的所有拉伸單元必須使用同一平面并且有相同的拉伸節點K 。節點K是拉伸單元定義的第三步。

　　使用EINTF命令如果固定物已被網格分為兩個獨立部分(例如在現行法定模型中)，使用EINTF命令,TOLER,K (Main Menu> Preprocessor>Create>elements> pretension> At Coincident Nodes...)命令可以將拉伸單元 (PRETS179)插入兩部分之間。如果K沒定義，ANSYS將自動生成。在使用EINTF命令前，單元型ID 和實常值設定必須已完全定義。相連的表面(A 和B)必須有匹配的網格模式和一致的節點。如果一些兩面間的節點對與拉伸單元不相連，將會導致后繼分析不準確。

　　工程設計一般采用安全系數，即

　　本系統中也包含了這一功能，用戶只需輸入安全系數α和材料的許用應力，系統在后處理模塊中會根據用戶選擇的材料強度理論自動判斷此方案是否可行。如果可行，則會輸出模型的設計參數值和工況值，用戶根據這些值就可以快速設計合適的工具對管道進行快速搶修。如果不可行，用戶可以改變設計參數繼續計算直到用戶滿意為止。

　　綜上所述，本系統可以用以下的流程圖生動的體現出來：

　　圖6 石油套筒設計模塊開發流程圖

　　本系統層次分明便于用戶使用，計算快速可靠,可以有效地減小石油管道的搶修時間，有很好的經濟效益。相信本系統的成功開發會對石油管道的搶修模式有重大的改變。