基于VB.NET和Ansys的锁环式快开盲板结构参数化设计软件.pdf

第4 3 卷第1 期化工机械4 7 基于V B N E T 和A n s y s 的锁环式快开盲板结构 参数化设计软件 周淑敏 陈 平1周天旭2 ( 1 北京化工大学机电工程学院；2 中石化工程建设有限公司) 摘要 以V i s u a lS t u d i o2 0 1 0 平台上的V B N E T 为开发环境，结合参数化设计的相关技术要求，提出了 一种基于V B N E T 对A n s y s 进行二次开发的锁环式快开盲板结构参数化设计软件，给出了后台调用A n - s y s 并读取A P D L 命令流的关键代码、软件开发流程与相关界面设计。实际应用结果表明：用户只需要 在软件界面输入参数即可完成设计与分析工作，极大地缩短了设计周期，提高了设计效率，由该软件设 计出的产品结构合理、安全可靠。 关键词锁环式快开盲板结构参数化设计软件 V B N E T A n s y s A P D L 中图分类号T Q 0 5 0 2 文献标识码 A 文章编号0 2 5 4 - 6 0 9 4 ( 2 0 1 6 ) 0 1 - 0 0 4 7 - 0 5 近年来，市场需求日益多样化、个性化，若要 在市场竞争中赢得生存和发展，产品的设计应具 有较宽的市场覆盖范围，以适应更多用户的要求。 然而面对多样的设计条件，采用传统设计、分析方 法需要完成大量重复性的工作，费时费力、效率较 低。随着计算机技术的发展，参数化设计软件应 运而生，如目前广泛使用的过程设备强度计算软 件，其借助计算机强大的计算功能，能够更加快速 地完成设计计算及校核等工作。然而该类参数化 设计软件一般是利用传统材料力学公式进行计算 校核的，只能做出定性判断，不能对产品做出更加 深入细致的分析，且多数参数化设计软件只针对 标准机械产品，对于一些特殊的非标机械产品如 快开盲板结构，则无法对其进行设计和分析。 A n s y s 是目前应用最为广泛的大型通用C A E 软 件，其自带的二次开发技术，即A n s y s 参数化设计 语言( A n s y sP a r a m e t r i cD e s i g nL a n g u a g e ，A P D L ) 可 实现参数化设计，但可视化程度不高，尤其是其全 英文操作界面与复杂的分析步骤，对于不熟悉此 软件的用户来说，很难在短时间内掌握并应用。 为解决这一问题，笔者提出基于V i s u a lB a s i c N E T ( V B N E T ) 对A n s y s 进行二次开发，将V B N E T 友好的人机交互界面与A n s y s 强大的力学分析功 能结合，开发一款方便用户使用的锁环式快开结 构参数化设计软件。 1 相关技术 1 1A P D L A P D L 是A n s y s 自身提供的二次开发技术，是 一种通过参数化变量方式建立分析模型的脚本语 言，可为用户提供自动完成有限元分析过程的功 能。 A P D L 是A n s y s 的另一种操作方式，其与图形 操作界面G U I 一样，能够完成所有的分析过程； 也是A n s y s 优化设计和二次开发的基础，可利用 第一次分析时生成的L O G 文件，仅对其进行修改 就能完成参数化设计，极大地缩短了设计时间。 A P D I ，语言特别适用于需要重复计算的场合，且 文件数据量小，便于保存、携带，利于交流、应 用。：。 1 2 V B N E T 为了更好地实现N E T 技术，微软公司推出 了V i s u a lS t u d i o N E T ，将多种开发语言集成到一 个开发环境中，以方便用户使用，V B N E T 就是其 中之一 3 。 周淑敏，女，1 9 9 0 年1 2 月生，硕士研究生。北京市，1 0 0 0 2 9 。 万方数据 4 8化工机械 2 0 1 6 焦 V B N E T 是在V B6 0 的基础上产生的，尽管 语法上两者有相似之处，但V B N E T 在多方面有 重大的进步与创新，如实现了真正意义上的面向 对象编程，提供了基于N E T 的框架类库，并且具 备了W e b 开发及数据库访问等现代化编程特性。 在此，笔者以V i s u a lS t u d i o2 0 1 0 平台上的 V B N E T 为开发环境。 1 3 V B N E T 调用A n s y s A P D L 虽然功能强大，但也存在一些弊端。 首先，对于不熟悉A n s y s 软件的用户，需要花费大 量时间来学习基本操作；其次，参数化设计需要完 成许多变量的修改，通常无法在一个界面下完成 所有参数的赋值，因此交互性和可视性较差，给用 户带来诸多不便。 借助V B N E T 方便友好的人机交互界面，设 计一个可视化参数输入界面，对A P D L 命令流进 行调用和封装，用户只需要根据实际设计要求输 入变量参数并定义材料属性和载荷，系统便会自 动对A P D L 原命令流进行修改，进行变量参数的 赋值，后台启动A n s y s ，自动读入修改后的命令 流，完成全部有限元分析过程，并将结果返回V B N E T 界面呈现给用户”j 1 。 利用V B N E T 实现对A n s y s 的调用是本设计 的关键，在此，笔者使用S h e l l 函数实现这一功能。 假设使用的A n s y s 软件版本为1 4 0 ，安装在计算 密封 铰链H 【构 机C 盘下的P r o g r a m 文件夹内，且用户设定将输 出结果保存至桌面文件夹r e s u l t 下，则调用A n s y s 的关键代码如下： D i mxA sI n t e g e r x = S h e l l ( ”C ：P r o g r a mF i l e s A N S Y SI n e v 1 4 0 a n s y s b i n w i n x 6 4 a n s y s l 4 0 e x e Pa n e 3 f l C ：U s e r s A d m i n i s t r a t o r D e s k t o p r e s u l t Sr e a d 一1e n u s b iC ：U s e r s A d m i n i s t r a t o r D e s k t o p | r e s u l t | i n p u t m a c oC 二| U s e r s | A d m i n i s t r a t o r D e s k t 叩、r e s u l l o u t p u t m a c ” 其中，一b 表示批处理模式，一i 表示输入文 件路径，一O 表示输出文件路径，a n e 3 f l 表示A n s y s 的产品特征码。 2锁环式快开盲板结构参数化设计软件 2 1 开发背景 快开盲板结构是天然气长输管道过滤器装置 上的重要组成部分，其中锁环式快开盲板结构占 据天然气快开盲板的主要市场，多用于西气东输 及川气东送等重点工程项目的主管线设备 上一“。目前，国内应用的快开盲板产品多依赖 进口，因此，我国某大型石油企业启动了油气管 道关键设备国产化研制应用项目，天然气快开 盲板国产化研制是主要任务。 锁环式快开盲板( 图1 ) 主要由高颈法兰、门 盖、锁环、密封结构、锁紧机构、安全联锁装置及开 门铰链机构等组成。 锁紧机 图1锁环式快开盲板结构 由于各段管线的功能不尽相同，管道的直径、有限元分析又要求设计人员具有较高的A n s y s 水 内压参数变化较大，因此，相配套的快开结构应进平。若利用V B N E T 作为前期参数输入界面，将 行系列化设计。锁环式快开盲板结构的设计计算A P D L 命令流封装在后台，既保证了V B N E T 的 具有半经验半理论性质，系列化设计时需要反复 人机交互优势，又能方便地对A n s y s 进行调用。 修改参数、计算校核并进行有限元分析，直接导致2 2 开发思路 设计周期增长、设计成本提高；而利用A P D L 进行首先，将快开结构的强度设计公式进行逆向 万方数据 第4 3 卷第1 期化工机械 4 9 推导，各危险截面的尺寸参数可转化成由内径、内 压及密封槽尺寸等基本参数组成的方程组，再利 用V B N E T 牛顿二分法编写程序，可快速得到复 杂方程组的解，即各危险截面的尺寸。然后，利用 尺寸的关联性和局部经验性尺寸推算出整个快开 结构的尺寸，进而依据G B1 5 0 中的相关规定进行 常规校核“ 。接着对快开结构进行参数化建模， 利用V B N E T 将A P D L 参数化命令以批处理的方 式导入A n s y s 中并自动启动求解。最后，将有限 元云图及应力线性化结果等返回至V B N E T 界 面，方便用户查看，为结构优化提供参考。 软件开发流程( 图2 ) 为：用户在V B N E T 界 面上输入初始参数，根据快开盲板结构理论公式 得到计算参数，软件自动将计算参数赋值到A P D L 命令流中，后台调用A n s y s 程序，生成参数化 模型，对模型进行求解后，A n s y s 程序后台自动退 出，并将最后的处理结果自动返回至V B N E T 界 面。 IV B 前台IU f 算参数ll 后处理l l 处理程序l 广l 程序模块l 1 确一丁 l 计算程序 瑟梨婪舞H 蠡檗婪荐结果文件lI 结果文件 图2 软件开发流程 3 界面设计与应用实例 3 1 界面设计 软件界面设计采用模块化编程原理对系统功 能进行分解，尽可能地细化各功能模块，最大限度 地减小模块间的耦合性1 。软件集多项功能于 一体，图3 、4 所示为软件菜单栏和功能。 文g ：m f f - A N V S I g J i 辅A 披据计蠹誓结果形成 卜，l 书恬昀菜审拦 睡西固q 回，? t o e e o e l 圈oT 其栏 Il f设置l 计算 f 计算说明书 文件操作输入数据 计算结果 图3软件菜单栏 3 2应用实例 以直径6 2 寸的锁环式快开盲板结构设计与 分析为应用实例，其设计条件为： 设计压力 1 2 6 M P a 菜单 新建 看结 越力线性化结 图4 软件功能 操作压力波动范围0 0 1 2 6 M P a 水压试验压力 1 8 9 M P a 设计温度 一3 5 6 0 筒体内径15 5 0 m m 操作介质天然气( 易燃、易爆) 高颈、门盖材料1 6 M n D I I I 锁环材料$ 2 2 2 5 3 输人数据包含设计参数( 图5 ) 和尺寸参数 ( 图6 ) 。设计参数为各项已知的基本参数；尺寸 参数是软件后台计算得出的危险截面尺寸推荐 值，可以在此基础上进行修改和优化。 点击“计算”，后台调用A n s y s ，启动有限元分 析，并将计算结果返回至V B N E T 界面。图7 为 总体应力云图，除此之外还可以分别显示法兰、锁 环、盲板的应力云图和总体变形云图。图8 为应 力线性化结果，所有结果都将自动存储在用户设 鲢曼。二：j 豳遵匿薹至受一：簋鹭k 一堕鬯1 1 I -I_ j “ ：峨- ，：1 1 1 w 0 1 u l o 百一_l Ht 1 I - m _ ，i H “2 _ - _ I I _ _”4 | I | _l c 霉，? 一 辩。 ，上砧 m i漉UL 涟一k 舭 U 图5 设计参数界面 雷 万方数据 5 0 化工机械 2 0 1 6 焦 图6 尺寸参数界面 图7总体应力云图 图8 应力线性化结果 定的工作目录下。 对开发完成的锁环式快开盲板结构参数化设 计软件进行封装后，用户只需要进行界面输入即 可完成设计与分析工作，极大地缩短了设计周期、 提高了设计效率。笔者设计的软件已通过油气 管道关键设备国产化研制应用项目的专家认 证，并投入实际应用，用户反馈良好。基于该软件 设计的6 2 寸设计压力为1 2 6 M P a 的大型锁环式 快开盲板结构，在合作工厂的配合下，已经完成样 机试制，并完成了水压试验、应力测试和密封性能 试验，结果表明，由该软件设计出的产品结构合 理、安全可靠。 4结束语 笔者设计的基于V B N E T 和A n s y s 的锁环式 快开盲板结构参数化设计软件，不但可以利用A n s y s 强大的力学分析功能对产品结构进行分析和校 核，为结构优化提供依据，而且操作简便高效，用户 只需要在交互式界面输入相关参数即可实现对结 构的设计，进而调用A n s y s 进行有限元分析，自动 生成分析报告。软件界面友好、操作方面，用户省 去了研究复杂A n s y s 软件的时间，极大地减轻了工 作强度、提高了设计效率、降低了设计成本。该软 件实际应用情况良好，进一步验证了软件的高效 性、合理性和可靠性，具有一定的工程价值。 参考文献 1 丁培丽，董金善，何慧慧，等齿啮式快开压力容器 参数化系统开发与应用 J 机械设计与制造， 2 0 1 3 ，( 4 ) ：9 8 1 0 0 2 胡光学，张彦斐，宫金良基于V B 与A P D L 的全柔 性机构参数化建模方法 J 山东理工大学学报( 自 然科学版) ，2 0 1 l ，2 5 ( 3 ) ：4 9 5 1 3 郑阿奇，彭作民V i s u a lB a s i c N E T 实用教程 M 北京：电子工业出版社，2 0 1 3 4 徐鹤林，许福东，徐桃园，等基于V B 和A N S Y S 的 钻柱振动软件开发 J 机械制造与自动化，2 0 1 1 ， 4 0 ( 2 ) ：8 1 8 3 5 陶蕾，贺小华，管凌峰基于A N S Y S 的薄膜蒸发器 筒节夹套参数化有限元分析 J 机械设计与制造， 2 0 0 8 ，( 7 ) ：8 4 8 6 6 刘雯，邹晓波国外天然气管道输送技术发展现状 J 石油工程建设，2 0 0 5 ，3 1 ( 3 ) ：2 0 一2 3 7 周天旭，陈平，陈水莲，等基于A n s y sW o r k b e n c h 的 快开盲板锁环分析及优化 J 化工机械，2 0 1 3 ，4 0 ( 4 ) ：4 8 4 4 8 6 8 何慧慧，董金善，丁培丽，等基于A N S Y S 与V B 的 螺旋板换热器C A D 系统开发 J 现代化工，2 0 1 3 ， 3 3 ( 2 ) ：1 0 4 1 0 6 9 G B1 5 0 - 2 0 1 1 ，压力容器 s 北京：中华人民共和国 国家质量监督检验检疫总局，2 0 11 ( 收稿日期：2 0 1 5 - 0 3 - 0 2 ) ( 下转第5 8 页) m 御，潍一湖辩瑚w油N#!昱班中一k。队冠：。i=k*螂=!t卅峭15郴州一 孙蕊霉嚣靛剃一I薯昌吕| 万方数据 5 8 化工机械 2 0 1 6 正 用了工艺的废气和废热，浓缩该单元有机废气的 同时，转盘式的设计保证了系统的连续运行。 R T O 单元的燃烧尾气余热用于加热前段C A C 单 元的脱附解吸气体，使两工艺得到衔接，能量在系 统内循环利用，有着净化效率高、热回用效率高的 优点。 参考文献 1 王海林，张国宁，聂磊，等我国工业V O C s 减排控 制与管理对策研究 J 环境科学，2 0 1 1 ，3 2 ( 1 2 ) ： 3 4 6 2 3 4 6 8 陈颖我国工业源V O C s 行业排放特征及未来趋势 分析 D 广州：华南理工大学，2 0 1 1 席劲瑛，武俊良，胡洪营，等工业V O C s 气体处理 技术应用状况调查分析 J 中国环境科学，2 0 1 2 ， 3 2 ( 1 1 ) ：1 9 5 5 1 9 6 0 蔡宇峰，李海强，蓝炳杰，等活性炭纤维吸附一催 化燃烧法处理大风量低浓度V O C s 废气 J 科技 创新导报，2 0 0 9 ，( 1 8 ) ：8 0 8 1 ( 收稿日期：2 0 1 5 - 0 6 - 0 4 ，修回日期：2 0 1 5 1 0 2 1 ) D e v e l o p m e n t a lR e s e a r c ho fD e v i c eI n t e g r a t i n gA c t i v a t e dC a r b o n A d s o r b e rw i t hR e g e n e r a t i v eT h e r m a lO x i d i z e r C H E NH u a d o n 9 1 ，Z H A N GC u i - y a l ，C A OG u a n y u 2 ，C A OX u e b 0 3 ，L UT a 0 4 ( 1 T i a n h u aC h e m i c a lM a c h i n e r ya n dA u t o m a t i o nI n s t i t u t eC o ，L t d ，L a n z h o u7 3 0 0 6 0 ，C h i n a ； 2 S c h o o lo fC h e m i c a lE n g i n e e r i n ga n dT e c h n o l o g y ，T i a n j i nU n i v e r s i t y ，T i a n j i n3 0 0 0 7 2 ，C h i n a ； 3 C N P CG r e a t w a l lD r i l l i n gC o ，L t d ，B e i j i n g1 0 0 1 9 2 ，C h i n a ； 4 P e t r o C h i n aC h a n g q i n gO i 扣l dC o m p a n y ，X i a n71 0 0 0 0 ，C h i n a ) A b s t r a c tT h ed e v i c ew h i c hi n t e g r a t i n ga c t i v a t e dc a r b o na d s o r b e rw i t hr e g e n e r a t i v et h e r m a lo x i d i z e rw a sd e s i g n e dt op r o c e s sV O C ss p e c i a l l ya n di t ss i g n i f i c a n te c o n o m i cb e n e f i t sa n ds o c i a lb e n e f i t sw e r ea n a l y z e d K e yw o r d s a c t i v a t e dc a r b o na d s o r p t i o n ，r e g e n e r a t i v et h e r m a lo x i d i z e r ，V O C s ( 上接第5 0 页) D e v e l o p m e n to fP a r a m e t r i cD e s i g nS o f t w a r ef o rL o c k i n gR i n gT y p e Q u i c kO p e n i n gC l o s u r eB a s e do nV B 。N E Ta n dA n s y s Z H O US h u m i n l 。C H E NP i n 9 1 Z H O UT i a n X U 2 ( 1 I n s t i t u t eo ，M e c h a t r o n i cE n g i n e e r i n g ，B e i j i n gU n i v e r s i t yo f C h e m i c a lT e c h n o l o g y ，B e i j i n g1 0 0 0 2 9 ，C h i n a ； 2 S i n o p e cE n g i n e e r i n gI n c o r p o r a t i o n ，B e i j i n g1 0 0 0 2 9 ，C h i n a ) A b s t r a c t B a s i n go nt h ee n v i r o n m e n to fV B N E Ti nV i s u a lS t u d i o2 0 10a n dh a v i n gr e l e v a n tt e c h n o l o g i e so f p a r a m e t r i cd e s i g nc o n s i d e r e d ，t h ep a r a m e t r i cd e s i g ns o f t w a r ef o rl o c k i n gr i n gt y p eq u i