|
1 前言
随着有限元理论的成熟和计算机技术的飞速发展，计算机辅助技术(CAE)获得了重大发展，国外相继出现了很多优秀的CAE软件，包括ANSYS，MSC/NASTRAN，ABAQUE，MARC等。其中，ANSYS软件以其强大的前后处理功能，友好的操作界面，得到了广泛的应用。作为一款大型通用有限元分析软件，ANSYS能进行温度场、应力场、电磁场和流场的分析，但正是由于其通用型，使得其对不同行业的具体问题不具有针对性，这给专业分析人员造成一定的障碍。由于CAE工作的不断深入，对分析类型、分析方法及分析精度提出了更高的要求。因此，结合各自行业特点，利用ANSYS自带二次开发工具，开发适用于用户自己的模块，提高分析效率和质量，充分体现专业化、客户化、便捷化已经成为一种趋势。
2 ANSYS二次开发工具简介
ANSYS为用户提供了良好的二次开发环境，使用户可以将 ANSYS的功能向更深，更广的方向发展。 ANSYS提供了三种二次开发工具：参数化设计语言 (ANSYS Parametric Design Language, APDL)，用户界面设计语言 (User Interface Design Language, UIDL)以及用户可编程特性 (User Programmable Features, UPFs)，其中，前两种可归结为标准使用特性，后者为非标准使用特性。
与其他有限元软件相比， ANSYS提供了简洁明了的命令流，结合 ANSYS二次开发工具与ANSYS命令，可以很方便的开发一些适合用户自身的工具。
2.1 APDL语言
APDL是用来自动完成某些功能或建模的一种脚本语言，提供一般程序语言的功能。它包含三个方面的内容：工具条、参量和宏命令。灵活运用这三种工具，可以实现快速操作，数据快速传递、更新等功能。
2.2 UIDL语言
ANSYS用户界面设计语言 UIDL可以客户化 ANSYS图形交互界面的许多部件，包括：菜单项、对话框、在线帮助以及在 ANSYS环境中集成自己开发的程序。相比较于 APDL语言，UIDL有较严格的编写格式。
2.3 UPFs
UPFs是非标准应用，通过预留接口，用户可将自己编写的代码连接到 ANSYS，甚至将ANSYS作为子程序来调用，从而使得 ANSYS具有特殊功能。
3 二次开发运用技术实例
在进行 CAE分析时，往往会遇到同一模型多个方案或者同一方案不同模型的对比计算，对于计算人员来说，往往是简单操作的重复执行。在对分析精度要求较高的情况下，或者遇到函数载荷时，要求针对单元、节点进行操作，由于有限元网格众多，手工无法实现。在这些情况下，灵活运用二次开发工具，会给分析工作带来很大便利。
3.1 ANSYS工具按钮开发
在分析过程中，往往会遇到重复问题，例如一组不同管径，不同材料的高压油管预应力计算，如表 1所示。要求得到在预应力作用下的应力分布及塑性变形，在工作压力作用下周向应力分布等结果：
表1 油管计算列表
当尺寸、材料众多时，计算会变得相当繁杂。但是由于在建模，加载等处理时，往往都是进行相同的操作，因此用 APDL语言可以很方便的处理此问题。
首先开发计算所需要的按钮，如图 1所示，MODAL为建立模型按钮， LOAD为加载按钮，RES1，RES2， RES3分别为读取三种不同结果。然后根据按钮需对应的功能编写 APDL宏命令，并将按钮指向该宏命令。
本例中， MODAL按钮实现用户输入尺寸及材料信息，生成模型并划分网格，如图 2所示；LOAD按钮施加预应力载荷及工作载荷，并设定载荷步； RES1-3按钮读取不同载荷步下的计算结果，生成云图及 PATH图并保存。
图1 工具按钮
图2 用户交互界面
若采用传统分析方法，单个分析大约耗费时间 15-20分钟，通过工具按钮的开发，每次计算只需点击五次，输入六个参数，耗费时间不到 1分钟，大大提高了工作效率。
3.2 ANSYS用户化界面开发
工具条的开发可以大大提高工作效率，但是如果开发内容较多，生成的宏文件较多，不便于管理。为此，可以将这些操作固化在 ANSYS GUI菜单中。这样，每次启动 ANSYS即可使用这些工具，而不用查找对应的宏文件。如在进行连杆分析时，按照有限元离散方法处理连杆惯性载荷过程。由于本文仅阐述 ANSYS二次开发，略去连杆惯性载荷公式推导过程和符号说明，仅给出各节点加速度的最终公式。
据此开发连杆加载系统。如图 3所示，此系统中包含四步：定义部件及参数、选择加载范围、施加载荷和显示载荷总量。
图3 连杆加载菜单开发 图4 连杆参数对话框
图5 连杆加载结果
对于某型号连杆部件，连杆杆身划分97634单元，147605节点，按照上述算法，手工无法完成此加载过程，通过此系统，如图5所示，ANSYS在大约20分钟时间内完成连杆惯性载荷加载。
4 结论
本文着重介绍了ANSYS二次开发工具APDL语言和UIDL语言的使用，并开发了两个
应不同工程求解问题的工具，将原本很繁杂甚至是不可能完成的任务变得很简单。充分体现了参数化语言的优越性和开发专业化分析工具的重要性。
|