（机械设计及理论专业论文）冷拔内螺纹锅炉管专用cae软件开发及应用研究.pdf

摘要 摘要 内螺纹管是指内表面带有螺旋凸筋的一种特殊管材，其热力学性能良好，广泛用于 大型电站锅炉和空调器作为水冷壁管或冷凝管，且需求量逐年增加。生产内螺纹管的主 要方法之一是短芯棒冷拔成形法。本文以大型非线性软件m s c m a r c 为平台，借助其自 带的脚本语言p y t h o n 编程，对其二次开发出冷拔内螺纹锅炉管专用c a e 软件，目标软 件可通过工程人员给定参数自动建立有限元模型求解计算，据此可定量研究不同的工艺 参数对内螺纹管拉拔成形过程的影响，从而得到最合理的工艺参数。并建立对模具和工 艺优化设计的方案。主要研究内容如下： ( 1 ) 利用三维弹塑性有限元模拟方法，将p y t h o n 与m s c m a r c 软件结合，由工程 人员给定参数，如内、外模形状、管坯直径和壁厚、模具材料机械性能等，自动建立三 维有限元模型，自动分析和自动输出分析计算结果。 ( 2 ) 创建前、后处理良好的用户界面，为工程人员提供简便、直观、实用的软件。 ( 3 ) 应用三维弹塑性有限元方法模拟直芯棒拉拔内螺纹管的成形过程。 ( 4 ) 应用三维弹塑性有限元方法研究不同拉拔时间、外模锥角对倒锥形芯棒冷拔 内螺纹管的凸筋高度、螺纹形状畸变程度、拉拔力以及管料外径的影响规律。 ( 5 ) 研究倒锥形芯棒长度和螺旋升角对冷拔内螺纹管成形的影响，得出相应的影 响规律。 关键词：内螺纹管冷拔二次开发专用c a e 软件 a b s t r a c t a b s t r a c t r i f t e dt u b e s ，w i t hs p i r a lr i b so nt h ei n t e r n a ls u r f a c e ，a r eas p e c i a ll d n do ft u b e sw h i c h h a v eg o o dt h e r m o d y n a m i cp r o p e r t i e s n o wt h e ya r ew i l d l yu s e di nl a r g e - s c a l ep o w e rs t a t i o n a n da i r - c o n d i t i o n e r sa sw a t e rw a l lt u b e so rc o n d e n s e rt u b e s t h e kd e m a n d e dq u a n t i t yi s i n c r e a s i n gy e a rb yy e a r o n eo ft h em a i nm e t h o d so fp r o d u c i n gi n t e r n a lr i f t e dt u b e si ss h o r t m a n d r e ld r a w i n gm e t h o d t h i sp a p e rm a k e st h eu s eo fp y t h o n ( t h es c r i p tl a n g u a g eo f m s c m a r c ) o nm s c m a r c ，s e tu paa p p r o p r i a t i v ec a es o f t w a r ew h i c hi ss p e c i a l l yu s e df o r c o l dd r a w i n gr i f l e dt u b e sb ym a k i n gs e c o n d l yd e v e l o p m e n t t h es o f t w a r ec a ne s t a b l i s ht h e f i n i t ee l e m e n tm o d e la n dm a k ea n a l y s i sa u t o m a t i c a l l yb yg i v e np a r a m e t e r s ，i nt h i sw a yw e c a ns t u d yt h ee f f o r to fd i f f e r e n tt e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r sq u a n t i t a t i v e l y , g e tt h em o s t r e a s o n a b l eo n e sa n de s t a b l i s ht h eo p t i m i z ed e s i g np r o j e c tf o rm o d u l ea n dt e c h n i c s t h e p r i m a r yc o n t e n t sc o n c e r n e da r ea sf o l l o w ： ( 1 ) b ye m p l o y i n gt h r e ed i m e n s i o ne l a s t o p l a s t i cf e m t ou n i o np y t h o na n dm s c m a r c t o g e t h e r , o p e r a t o rc a nd e f i n ep a r a m e t e r ss u c ha st h es h a p eo ft h ed i ea n dm a n d r e l ，t h e d i a m e t e ra n dt h i c k n e s so ft h et u b e ，t h em e c h a n i c a lp e r f o r m a n c eo ft h e d i ea n dm a n d r e l ，t o e s t a b l i s ht h et h r e ed i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tm o d e l ，m a k ea n a l y s i sa n do u t p u tt h ea n a l y t i c a l r e s u l t sa u t o m a t i c a l l y ( 2 ) e s t a b l i s hf a v o r a b l eu s e ri n t e r f a c ef o rp r e p r o c e s s i n ga n dp o s t p r o c e s s i n gs ot h a ti ti s s i m p l e ，i n t u i t i o n i s t i ca n da p p l i e dt ob eo p e r a t e d ( 3 ) t h r e ed i m e n s i o ne l a s t o p l a s t i cf e ma r ee m p l o y e dt os i m u l a t et h e p r o c e s so f c y l i n d e rm a n d r e ld r a w i n gi n t e r n a ld r i e dt u b e s ( 4 ) a n a l y z ed i f f e r e n td r a w i n gt i m ea n dt a p e ro fd i ew h e nr e v e r s e dt a p e r e dm a n d r e l d r a w i n gi n t e r n a lr i f l e dt u b e sw i t ht h r e ed i m e n s i o n a le l a s t o p l a s t i cf e m a n ds t u d yt h ee f f o r t o fh e i g h to fr i b s ，d i s t o r t i o no fs p i r a ls h a p e ，d r a w i n gf o r c ea n de x t e r n a ld i a m e t e ro ft u b e s ( 5 ) s t u d yt h ee f f e c t so ft h el e n g t ha n dt h es p i r a la n 舀eo fr e v e r s e dt a p e r e dm a n d r e l w h e nd r a w i n gi n t e r n a lr i f l e dt u b e s ，a n dr e c e i v et h ec o r r e s p o n d i n gr u l e s k e yw o r d s ：i n t e r n a lr i f l e dt u b e s ，c o l dd r a w i n g ，s e c o n d l yd e v e l o p m e n t ，a p p r o p r i a t i v ec a e s o f t w a r e 天津理工大学硕士论文 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，除了文中特别加殴酥注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得云洼堡王太堂或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作过的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了感谢。 学位论文作者签名：了渣历 签字日期：矽厂年，月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解云洼堡王盍堂有关保留、使用学位论文的规 定。特授权苤洼墼王盍堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编，以供查阅 和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子邮件。 ( 保密的学位论文在解密后适用于本敝权说明) 学位论文作者签名：枥 签字日期：w 婢，月j 7 日 导师签名：i 场磁 i 签字日期：w r 年i l 月，7 日 第一章绪论 第一章绪论 内螺纹管是指内表面带有多头螺旋凸筋的一种特殊管材，按照材料的不同主要分为 两大类，即内螺纹钢管和内螺纹铜管。 内螺纹钢管的螺纹形状与梯形螺纹基本相似，螺纹的头数有四十六( 直径越大， 头数越多) 。这种新型管是在研究锅炉管烧坏机理的基础上产生和发展起来的。当管内 壁上存在连续的低速气膜，而中心还有汽水混合物流动的情况下，不能保证管子有足够 的冷却，从而管壁温度急剧升高而导致管子的烧坏。小田尚辉f 1 2 l 等人关于内螺纹管的 传热试验结果证实，采用内螺纹管能够推迟传热恶化区的产生和降低管壁温度，这是因 为内螺纹管的内螺纹凸筋能造成汽水混合物的强烈旋转和扰动，破坏气膜的形成，从而 延迟了膜态沸腾的时间。内螺纹钢管主要用于大型电站高压锅炉设备中作为炉壁换热管 和水冷壁管。 内螺纹铜管是近期开发的高热导率空调器用紫铜管，由于其内表面具有沟槽，它比 同一规格的平滑紫铜管增加了热交换面积，同时管内壁带螺旋角的沟槽能有效的搅拌吸 收液体的热量，改善了热交换条件，从而提高了其热交换率。据测内螺纹铜管比平滑光 管的制冷效果能提高2 0 3 0 ，且在内螺纹的头数、螺旋角相同的情况下，凸筋越高 管的制冷能力越强。 内螺纹管的大量使用，促使人们增强对其成形规律的进一步认识，所以研究其成形 机理及工艺参数具有重要的现实意义。 1 1 内螺纹管拉拔工艺的研究状况 生产内螺纹管的方法很多，常用的有机加工成型法、焊接与机加工成型工艺结合法、 冷拔成型法和各种旋压法。其中冷拔成型法的生产效率高，成本低，经济效益好，是目 前加工内螺纹管的主要方法之- - 1 ”。 冷拔内螺纹管成型技术的关键是在了解金属流动规律的基础上，合理地设计拉拔模 具以及生产工艺。在冷拔内螺纹管成型过程中，管料不仅有直径和壁厚的变化，而且还 有内螺纹的生成，涉及到几何非线性、材料非线性以及接触非线性。日本等国家从6 0 年代就开始研究内螺纹管的制造和应用技术，并于1 9 8 0 年正式批量生产。国内开展内 螺纹管的研究工作始于8 0 年代，但由于缺乏对冷拔内螺纹管成型过程中金属流动规律 的理论研究，目前对冷拔内螺纹管的制造仍处在试制过程中，且模具和工艺设计还是采 用经验设计方法。因为不能揭示成型区金属流动规律，工具设计参数和工艺参数的确定 缺乏理论依据，至今仍不能大批量生产满足要求的内螺纹高压锅炉管。 日本学者高井岩在八十年代初提出了采用圆柱形芯棒拉拔内螺纹钢管时芯棒沟槽 曲线的设计原理。田中浩等人对已经成形的内凸筋铜管进行空拔后的尺寸，形状变化规 律进行了研究。津田统等对拉拔+ 旋压+ 定径三级加工内螺纹铜管时内螺旋凸筋形状的 影响因素进行了研究。 我国内螺纹管拉拔工艺的理论与实验研究开始于1 9 8 4 年，取得了一些进展，如在 芯棒沟槽曲线设计、拔制力的上界法分析、内凸筋的形状畸变机理以及拉拔模具参数研 第一章绪论 究等方面做了很多的工作。李连诗采用正锥形芯棒拉拔，分析了模具锥角对冷拔内螺纹 管成型及力能参数的影响，得出了力能参数较低且成形较好的模具锥角1 4 j ；提出了沟槽 曲线设计方法，建立了拔制内螺纹管的内模沟槽曲线方程，并用来设计了锥形芯棒沟槽 曲线1 5 1 。杨效平等对采用变螺距芯棒拉拔内螺纹管时凸筋发生畸变的原因进行了研究， 认为这是由于芯棒转动的阻力矩过大引起，并给出了较合理的主动力矩的计算公式【67 】。 姜正义利用螺旋副模型推导出内螺纹管成形时螺旋升角的临界值，与实验结果比较相符 合，为内螺纹管的模具设计提供了依据i 8 1 ；利用上界法推导了冷拔内螺纹管拔制力计算 式，理论计算值与实测值比较相吻合，为冷拔内螺纹管的拔制设备选型提供理论依据【9 】。 宋涛等从理论上分析了芯棒倒锥角和芯棒长度对内螺纹形状畸变的抑制和消除作用，并 给出了采用倒锥形、等螺距芯棒拉拔内螺纹管时芯棒几何参数的设计方法【1 0 l 。于恩林等 建立了内螺纹管材拉拔力能参数的数学模型，给出了摩擦系数对拉拔模具参数的影响 j 。温殿英等推导出了符合金属流动规律的芯棒沟槽曲线理论计算公式，并分析了芯棒 与外模的轴向位置对内螺纹管拉拔成型的影响1 1 2 1 。孟晓峰对内螺纹管拉拔过程中内凸筋 成形机理和形状畸变机理进行了深入的研究，提出了倒锥形芯棒拉拔内螺纹管工艺1 1 3 】， 并且对芯棒倒锥角和芯棒长度对凸筋高度、畸变程度以及拉拔力的影响规律进行了实验 研究【1 “7 1 。研究结果表明，随着芯棒倒锥角的增大，棒长度增加，内凸筋受力侧壁与芯 棒沟槽侧壁的接触面积增加，可以承受阻碍芯棒旋转的摩擦阻力距而不发生形状畸变。 近年来，吴焕芳应用大型有限元分析软件m s c m a r e 模拟冷拔内螺纹管的成型过程， 揭示了变形区内金属的流动规律，得到了管料在变形区内的应力、应变分布【1 8 】；分析了 芯棒与外模的轴向相对位置、芯棒位置、芯棒倒锥角、芯棒螺纹头数和接触面摩擦系数 等对内螺纹管拉拔成型的影响【1 “2 0 l 。 采用有限元分析软件m s c m a r c 模拟拉拔管料成形过程的优点是：不需建造物 理模型，成本低；具有较强的非线性分析能力；能对变形过程物理特性真实包容； 有较大的灵活性，能用于模拟在目前尚不能提供的虚拟条件下模型的性态，从而为 探索性的研究提供了手段。但是，随着模型的复杂、数据量的增大，手动建模在速度及 精确性上均不能满足要求。 1 2 课题的来源及意义 本课题来源于“内螺纹锅炉管的制造理论与实验研究”( 天津市自然科学基金资助 项目，项目编号：0 2 3 6 1 5 4 1 1 ) 。课题的研究是在吴焕芳对冷拔内螺纹管成型过程进行模 拟研究的工作基础上，以m s c m a r c 软件为平台，借助其自带的脚本语言p y t h o n 进行二 次开发，编制出能够正确模拟内螺纹管拉拔成形过程的c a e 软件。 本课题的研究成果将实现有限元分析的前处理部分有关数据，如几何模型、有限元 网格划分等参数化，使工程人员能够通过给定参数自动建立有限元分析模型、自动进行 分析并且输出结果，从而减少重复性工作，较大幅度的提高效率。课题的研究工作具有 重要的理论意义和实际应用价值。 2 第一章绪论 1 3 课题的主要研究内容及创新点 本人承担内螺纹锅炉管冷拔成型过程的自动建模技术开发部分。 本文的主要研究内容： ( 1 ) 利用m s c m a r c 自带脚本语言p y t h o n 编程，通过用户给定的参数自动建立三 维有限元模型。 ( 2 ) 利用三维弹塑性有限元模拟方法，将p y t h o n 与m s c m a r e 软件结合，实现对 各种参数仿真模型的自动分析以及结果的提取。 ( 3 ) 根据各种工艺参数可能的变化范围来进行计算机仿真试验，并对结果进行分 析比较，优化工艺参数。 本课题的创新之处： ( 1 ) 利用c a d 软件支持的参数化建模语言和m s c m a r c 自带脚本语言p y t h o n 编 程，实现二者通信，通过用户在c a d 软件中给定的基本参数自动建立p y t h o n 语言能够 识别的模型。 ( 2 ) 以m s c m a r c 为平台，借助其自带的脚本语言p y t h o n ，通过二次开发编制出 能够正确模拟内螺纹管成型过程的c a e 软件。 ( 3 ) 根据用户给定的参数自动建立有限元分析模型，定量研究工艺参数对内螺纹 管成型过程的影响，依各种工艺参数可能的变化范围来进行计算机仿真试验，从而得到 最优化的工艺参数。 第二章开发平台与二次开发技术 第二章开发平台与二次开发技术 2 1 有限元方法与0 a e 2 1 1 有限元方法的发展 随着近代工程科学技术的发展，利用变分、差分等方法，对于力学问题或其它场 问题，已经得到基本微分方程和相应的边界条件，但能用解析方法求出精确解的只是方 程性质比较简单且几何边界相当规则的少数问题，因此人们一直在寻求另一种数值解 法。上世纪5 0 年代中期，人们提出了有限单元法，有限单元法作为一种新的现代数值 方法，它将连续的求解域离散为由有限个单元构成的组合体，用来模拟和逼近求解域。 目前，有限元法已发展为一个十分重要的工程计算方法，其应用己由求解弹性力学 平面问题扩展到空间问题、板壳问题；由求解静力平衡问题扩展到求解动力学问题、非 稳定问题；从线性分析扩展到物理、几何和边界的非线性分析，分析的对象也从固体力 学扩展到流体力学、传热学、电磁学等其它领域。 随着计算机技术的发展，上世纪6 0 年代末，一些美国学者相继开发了几种大型通 用有限元程序，这些程序功能强大、使用方便、计算结果可靠、效率较高，从而得以迅 速发展，成为强有力的工程分析工具。当前，在我国工程界比较流行，被广泛使用的大 型有限元分析软件有m s c m a r c 、a n s y s 、m s c n a s t r a n 、s t r a n d 7 、a b a q u s 、a d m a 和a i g o r 等。 2 1 2c a e 技术 c a e ( c o m p u t e r a i d e de n g i n e e r i n g ) ，即计算机辅助工程，其重要的内容就是利用计 算机，对复杂工程和产品的结构强度、刚度、屈曲稳定性动力响应、三维多体接触、 弹塑性等力学性能进行辅助分析计算，以及对结构性能进行优化设计。其基本方法是将 一个形状复杂的连续体分解为有限个形状简单的子区域，即将一个连续体简化为有限个 单元组成的等效组合体，把求解连续体的场变量( 应力、位移、压力和温度等) 问题简 化为求解有限个单元节点上的场变量值问题。此时求解的基本方程将是一个代数方程 组，而不是原来描述真实连续体变量的微分方程组，得到近似的数值解。求解的近似程 度取决于所采用的单元类型、单元的密度以及单元的插值函数。 经历了3 0 多年的发展历史，c a e 技术的理论和算法都日趋成熟，现己成为航空航 天、机械、土木结构等工程领域必不可缺少的数值计算工具。先期出现的c a d 技术 着重解决的是产品的设计质量问题；c a m 着重解决的是产品的加工质量问题；而c a e 着重解决的是产品的性能质量问题。 、 随着计算机技术的普及和不断提高，c a e 系统的功能和计算精度都有了很大提高， 各种基于产品数字建模的c a e 系统应运而生，并已成为结构分析和结构优化的重要工 具。最优化技术引入c a e 使人们从繁重的凑试工作中解脱出来，极大的提高了企业的 设计效率、减轻了技术人员的劳动强度、缩短了设计周期，受到广泛的欢迎。 4 第二章开发平台与二次开发技术 2 2m s c m a r c 有限元分析软件简介 m s c m a r c 是功能齐全的高级非线性有限元软件，具有极强的结构分析能力。在我 国的航空、航天、核工业、铁路运输业、机械制造、汽车、电子、土木工程、生物医学、 水利等领域得到广泛的应用，为各领域中产品设计、科学研究做出了很大贡献。该软件 的功能在不断地改进，应用领域也在不断地扩展。 但是由于实际问题的多样性，咀及不同用户要求的特殊性，利用软件缺省的标准输 入输出有时并非是最佳选择。另外，也存在标准程序尚不具备特定用户需要某一方面功 能的情况。对于前一种情况，可通过m s c m a r c 提供的大量用户子程序接口，将用户需 要的输入，输出以最简便的方式定义，而无需受缺省输入，输出的限制。对于后者，在功 能强大的通用软件框架下可以耦合用户所需功能，使通用软件向特定领域的专用软件扩 展。 m s c m a r c 有两种二次开发方式：用户予程序和m s c m a r c 自带的脚本语言p y t h o n 编程。m s c m a r c 提供了许多对用户开放的子程序，即用户子程序，用户可以根据自身 需要通过f o r t r a n 语言编制用户子程序，实现对输入数据的修改、材料本构关系的定 义、载荷条件、边界条件、约束条件的变更，甚至扩展m s c m a r e 的功能。m s c m a r c 自带的脚本语言p y t h o n 在前处理中能实现几何模型、有限元网格划分、约束边界条件、 载荷及材料性能等的参数化等，在后处理中能实现从结果数据中提取用户所关心的信 息。 本课题以m s c m a r c 软件为平台，借助其自带的脚本语言p y t h o n ，通过二次开发编 制出能够正确模拟内螺纹管拉拔成型过程的专用c a e 软件。 2 3m s o m a r c = 次开发模块介绍 2 3 1p y t h o n 脚本语言简介 p y t h 0 1 1 是一种解释性、交互式、面向对象的编程语言，它有和口网络、w i n d o w i n g s y s i e m 、音频和其他技术的接口。p y t h o n 和m s c m a r c 集成后，它提供了一种比过程文件 更有效的脚本语言，因为它包含条件逻辑和循环语句，例如：i f 、w h i l e 和f o r 。 p y t h o n 语言和其他编程语言最大的不同在于，p y t h o n 不需要专用字或符号来表示代 码块，例女n f o f l r a n 中的i f t h e n e n d i f 或c 中的i f f ，而是用一种缩进的格式，例如， 下面的f o r t r a n , f 弋码块： i f o t y p e e q 4 9 ) t h e n l a d t = i d t + l o f r e n d f f 用p y t h o n 语言可以表示成： i f j t y p e = = 4 9 ： l a d t = i d t + l o f r p y t h o n 蝴缩进数目和代码块，i f 语句后的冒号表示它是一个复合语句，代码块中 的所有行必须是同一缩进级别，当缩进层返回到复合语法句层时，这个代码块就结束了。 当用p y t h o n 编程时，用户不用明确声明变量的数据类型，p y t h o n 通过变量是如何使 当用p y t h o n 编程时，用户不用明确声明变量的数据类型，p y t h o n 通过变量是如何使 第二章开发平台与二次开发技术 2 2 m s c m a r c 有限元分析软件简介 m s c m a r c 是功能齐全的高级非线性有限元软件，具有极强的结构分析能力。在我 国的航空、航天、核工业、铁路运输业、机械制造、汽车、电子、土木工程、生物医学、 水利等领域得到广泛的应用，为各领域中产品设计、科学研究做出了很大贡献。该软件 的功能在不断地改进，应用领域也在不断地扩展。 但是由于实际问题的多样性，以及不同用户要求的特殊性，利用软件缺省的标准输 入，输出有时并非是最佳选择。另外，也存在标准程序尚不具备特定用户需要某一方面功 能的情况。对于前一种情况，可通过m s c m a r c 提供的大量用户子程序接口，将用户需 要的输入输出以最简便的方式定义，而无需受缺省输入输出的限制。对于后者，在功 能强大的通用软件框架下可以耦合用户所需功能，使通用软件向特定领域的专用软件扩 展。 m s c m a r c 有两种二次开发方式：用户予程序和m s c m a r c 自带的脚本语言p y t h o n 编程。m s c m a r c 提供了许多对用户开放的予程序，即用户子程序，用户可以根据自身 需要通过f o r t r a n 语言编制用户子程序，实现对输入数据的修改、材料本构关系的定 义、载荷条件、边界条件、约束条件的变更，甚至扩展m s c m a r c 的功能。m s c m a r c 自带的脚本语言p y t h o n 在前处理中能实现几何模型、有限元网格划分、约束边界条件、 载荷及材料性能等的参数化等，在后处理中能实现从结果数据中提取用户所关心的信 息。 本课题以m s c m a r e 软件为平台，借助其自带的脚本语言p y t h o n ，通过二次开发编 制出能够正确模拟内螺纹管拉拔成型过程的专用c a e 软件。 2 3 m s c m a r c 二次开发模块介绍 2 3 1p y t h o n 脚本语言简介 p y t h o n 是一种解释性、交互式、面向对象的编程语言，它有和口网络、w i n d o w i n g s y s t e m 、音频和其他技术的接口。p y t h o n 和m s c m a r c 集成后，它提供了一种比过程文件 更有效的脚本语言，因为它包含条件逻辑和循环语句，例如：i f 、w h i l e 和f o r 。 p y t h o n 语言和其他编程语言最大的不同在于，p y t h o n 不需要专用字或符号来表示代 码块，例如f o m a n 中的i f t h e n e n d 域c 中的i f ) ，而是用一种缩进的格式，例如， 下面的f o m a n 代码块： i f a t y p e e q 4 9 ) t h e n l a d t = i d t + l o f r e n d i f 用p y t h o n 语言可以表示成： i f j t y p e = = 4 9 ： l a d t = i d t + l o f r p ”h o n 匹配缩进数目和代码块，i f 语句后的冒号表示它是一个复合语句，代码块中 的所有行必须是同一缩进级别，当缩进层返回到复合语法旬层时，这个代码块就结束了。 当用p ”h o n 编程时，用户不用明确声明变量的数据类型，p y t h o n 通过变量是如何使 5 第二章开发平台与二次开发技术 用来决定变量的数据类型，p y t h o n 支持下面的数据类型。 ( 1 ) 基本数据类型 ( 至) s t r i n g ：字符串，和c 中的c h a r 数据以及f o r t r a n 中的c h a r a c t e r 类似，一个字符串可 以用单引号或双引号来指定。 ( 查) f l o a t ：浮点数，和c 中的d o u b l e 数据类型以及f o r t r a n 中的r e a l 8 数据类型类似。 馒) i n t e g e r ：整数或固点数，和c 中的l o n g i n t 数据类型以及f o r t t a n o p 的i n t e g e r + 8 数据 类型类似。 ( 2 ) 扩展数据类型 l i s t ：p y t h o n 歹l j 表本质上是一个可以访问的链表，就像一个用方括号“【】”括起来的数 组，列表中可以包含字符串、浮点数或者整数。 创建一个多维列表时，首先需要创建一个一维列表，然后创建其它维，例如创建一 个3 x 2 维的数组： a = n o n e + 3 f o rii nr a n g e ( 3 ) a i = n o n e + 2 在m s c m a r c 中p y t h o n 分为p y m e n t a t 模块和p y p o s t 模块两部分，分别用来编写前 处理部分和后处理部分。 使用p y m e n t a t 模块的p y t h o n 脚本需要按下面语句调入p y _ m e n t a t 模块： f r o mp y _ m e n t a ti m p o r t 同样，使用p y p o s t 模块的p y t h o n 脚本需要按下面语句调a p y _ p o s t 模块： f r o mp y _ p o s ti m p o r t 2 3 2p y l l e n t a t 使用简介 在m s c m e n t a t 中选择菜单项时，用户有两种使用方法： ( 1 ) 使用新出现的菜单屏幕； ( 2 ) 直接提交命令。 使用p y m e n t a t 模块的概念就是使用第二项，使用p y m e n t a t 模块来建立或修改模型 时，p y t h o n 脚本就会发送一系列命令给m s c m e n t a t ，这和选择适当的菜单选项时提交 的命令是相同的。例如，如果用户选择下面的菜单： m a m e s hg e n e r a t i o n n o d e sa d d 用户就会看见在m s c m c n t a t 对话区域提交了* a d dn o d e s 命令。因此如果用户想用 p y t h o n 脚本增加一个节点时，脚本应发送命令* a d dn o d e s 给m s c m e n t a t 。 2 3 3p y p o s t 使用简介 p y t h o n 脚本使用p y p o s t 模块来处理m s c m a r c 后处理( 结果) 文件，它可以独立 于m s c m e n t a t 独立操作，p y p o s t a p l 提供了一组方法用来得到存储在后处理文件中的 标量、张量、或向量值，下面列出了常用的一些函数。 c l o s e 关闭当前打开的后处理文件，并且释放所有已分配的内存。 第二章开发平台与二次开发技术 i n c r e m e n t s 返回后处理文件中可用的增量数目。 m o v e t o 移动到后处理文件中指定的增量步。 p o s t _ o p e n 打开后处理文件，并且返回它的p y p o s t 对象。 t i t l e 返回后处理文件的标题。 2 3 4 举例：生成节点和单元的p y t h o n 脚本代码 创建m s c m e n t a t f l & 够执行的p y t h o n 的步骤是：创建一个记事本文件，输入程序行， 然后保存成+ p y 的格式即可。通过下面一个简单的脚本来说明如何向m s c m e n t a t q a 输入 命令，创建矩形网格，该脚本如下： 1f r o mp y _ m e n t a ti m p o r t + 2 静c r e a t e t h e n o d e 面d 3d e f m a k e _ n o d e s ( s , t ，x s ，y s ) ： 4 y = y s 5z = 0 0 6 d e l x = 1 o s 7 d e l y = 1 o t 8f o rii nr a n g e ( o ，t ) ： 9x = x s 1 0 f o r ji nr a n g e ( o ，s ) ： 1 1 s t r = ”a d d _ n o d e s f f f ( x ，y ，z ) 1 2 p y _ s e n d ( s t r ) 1 3x = x + d e l x 1 4 y = y + d e l y 1 5r e t u r n 1 6 1 7 样c r e a t et h ee l e m e n tg r i d 1 8d e f m a k e _ e l e m e n t s ( n , m ) ： 1 9f o rii nr a n g e ( 1 , m ) ： 撑y 方向 2 0 n l = ( i - 1 ) ( n ) + 1 2 1n 2 = n l + 1 2 2 n 4 = n l + ( n ) 2 3 n 3 = n 2 + ( n ) 2 4 f o r ji nr a n g e ( 1 ，n ) ： 静x 方向 2 5 s t r = ”+ a d d _ e l e m e n t s d d d d ”( n 1 ，n 2 ，n 3 ，n 4 ) 2 6 p y _ s e n d ( s t r ) 2 7n l = n l + 1 2 8 n 2 = n 2 + 1 2 9n 3 = n 3 + 1 3 0n 4 = n 4 + 1 7 第二章开发平台与二次开发技术 3 1r e t u r n 3 2 3 3d e f m a i n o ： 3 4 n = p y g e t _ i n t ( n 、 3 5 m = p y _ g e t _ i n t ( ”m ”、 3 6 x s = p y _ g e t _ f l o a t ( ”x s ”、 3 7 y s = p y _ g e t _ f l o a t ( ”y s ”1 3 8 m a k e _ n o d e s ( n g n , x s ，y s ) 3 9 m a k e _ e l e m e n t s ( n , m ) 4 0 r e t u r n 4 1 4 2 i f _ _ n a m e m = = m a i n 4 3 p y _ c o n n e c t ( ”, 4 0 0 0 7 ) 4 4 m a i a o 4 5 p y _ d i s c o n n e c t o 行1 ：该语句将p y m e n t a t 模块调x 蛰 p y t h n 脚本中，对于需要访i h 日p y m e n t a t 模块的脚 本，该行是必需的。 行2 ：咏”后面的内容表示注释。 行3 1 5 ：予程序m a k en o d e s 将从左下角的点( x s ，y s ，0 o ) 开始创建s x t 个节点。 r a n g e 是p y t h o n 的一个内建函数，用来创建一个整数列表。行1 1 中字符串是在m s c m e n t a t 中添加节点的命令。”* a d d”命令被包括在一个 字符串中，后面添加了节点_ n o d e sp y t h o n 的x 、y 、z 坐标值。语句中使用t p y t h o n 的操作符“”，该操作符用到字符串对象上，类 似于c 语言中的“s p f i n g t f 函数。“f ，“g ”，或者“e ”表示一个浮点型数，“d ， 表示一 个整数。操作符“”右边的对象和引号中的转换代码一一对应。调用子程序p y的时send 候需要给定一个字符串，p y将该字符串( 此处为命令) 发送给 执行，_sendm s c m e n t a t 效果如同在m s c m e n t a t 的命令行区域中直接输入一样。 行1 8 3 1 ：子程序m a k ee l e m e n t s 中将使用m s c m e n t a t 命令”* a d de l e m e n t s ”来确定 单元中节点的连接关系。从2 4 行开始的循环将沿着x 方向使用节点生成单元，然后沿着 y 方向依次递增。 行3 3 4 0 ：m a i n 主程序将从m s c m e n t a t 中用p a r a m e t e r ( 参数) 获得n 、m 、x s 、 y s 的值。p y _ g e t _ i n t 方法将计算一个表达式并返回一个整数( 固点) 结果，p y g e t _ f l o a t 方法将计算一个表达式并返回一个浮点数，通过这两个方法得到参数的值。 行4 2 4 5 ：如果将脚本作为一个独立过程来调用，p y t h o n 解释器将把p y t h o n 变量 n a m e 设置为m a i n ，如果是这种情况，p y t h o n 脚本将尝试连接m s c m e n t a t 。 2 3 5p y t h o n 与m s c m a r c 的数据交换 ( i ) 在上述脚本中，需要创建一些p y t h o n 函数或( 子程序) 来生成网格。定义函 数要使用复合语句d e f ，语法形式如下： 第二章开发平台与= 次开发技术 d c fn a m e ( 【a r g s 】) ”： 冒号后面的内容即为该函数的组成部分，在书写时他们必须缩进一格。函数中的代 码书写结束后，新的代码不再继续保持缩进，应在原位置开始书写。 ( 2 ) 调用r a n g e 函数时，p y t h o n 将创建一系列整数，从r a n g e 的第一个参数开始， 到比它第二个参数小1 的整数结束，例如： f o rii nr a n g c ( 0 , 5 ) ： 等效于 f o rii n 【0 a ，2 ，3 ，4 】： ( 3 ) 在p y t h o n 可以先创建字符串，然后使用子程序p y _ s e n d 将其发送到m s c m e n t a t 中执行。在p y t h o n 中也可以将字符串直接作为子程序p y _ s c n d 的参数，然后发送给 m s c m c n t a t ，例如在语句 p y _ s c n d ( ”+ a d d _ n o d e s f f f f ( x ，y ，z ) ) 中，需要发送的命令和浮点型数据直接在子程序p y _ s c n d 的调用参数中指定。 ( 4 ) 利用p y _ g c t _ i n t 和p y _ g c t _ f l o a t 方法可以访问m s c m c n t a t 中p a r a m e t e r 、 算术或者数据库函数，利用m s c m c n t a t 参数可以将变量从m s c m c n t a t 传给p y m c n t a t 脚本，通过p y m c n t a t 在字符串中指定要传给p y _ g e t _ i n t 和p y _ g c t _ f l o a t 方法的参数或函 数名，就可以获得这些变量的值。当使用p y _ g c ti n t 和p y _ g c t _ f l o 砒方法时，它们必须 用在相同字节体系结构的系统上，变量值在传送前不会被转换为独立于机器的格式。 2 3 6 运行p y t h o n 脚本 首先，启动m s c m e n t a t ，在运行脚本之前，需要定义所需的4 个参数，p y t h o n 脚 本获得这些参数值，来控制网格的尺寸和位置。 选择下面的菜单： m a i n u 1 r i l s p a r a t e r s n e wp a r a m e t e r n 6 m 8 x s 1 o x s 1 0 在输入每个数后需要按回车键来创建参数。用户也可以在m s c m c n t a t 的命令提交 窗口输入* d e f i n e 创建或编辑参数，例如，为了创建参数n ，可以输入 d e f i n en6 然后，选择以下菜单打开p y t h o n 菜单屏幕： 第二章开发平台与二次开发技术 n “虹n u 1 1 l s p y t h o n r u n 进入p y t h o n 菜单屏幕如图2 1 ，然后从目录下选择要执行的脚本语言即可，如图2 2 ，运行该脚本，就会产生如图2 3 的网格。 t 9 1 2 - - 1p y t h o n 菜单屏幕 图2 2p y t h o n 浏览器窗e 1 图2 3 脚本生成的网格 1 0 第一二章开发平台与二次开发技术 2 4p r o e 参数化建模 2 4 1p r o e 简介 p r o e n g i n e e r ( 简称p r 0 e ) 是由美国参数技术公司( p a r a m e t r i c t e c h n o l o g yc o r p o r a t i o n 简称p 1 ) 推出三维参数化c a d c a e c a m 软件包，它具有强大的实体造型和装配功能、 参数化设计功能、产品分析功能以及与多种c a e 软件( 如m s c m a r c 、a n a s y s 、p a t r a n 等) 进行图形数据传递的标准接口，广泛应用于机械设计、模具设计、加工制造、机构分析、 有限元分析等。目前p r o e 的最新版本是p r q ，e w i l d f i r e 2 0 。p r 0 但自带的二次开发工具 p r o t 0 0 ik r r 功能十分强大，几乎可以自动实现所有p r o e 的功能。利用p r o t o o l k i t 提供的u i 对话框、菜单以及v c 的可视化界面技术，可以设计出实