路則超 賀小華

(南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院)

錐殼開孔接管結(jié)構(gòu)是壓力容器中常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)之一。在工程應(yīng)用中，此結(jié)構(gòu)經(jīng)常需要承受內(nèi)壓和多種管系載荷，如管系在地震、風(fēng)載、振動(dòng)、自重以及管道金屬溫度變化等多種因素作用下，管道將通過(guò)接管對(duì)錐殼施加作用力和力矩，使得接管與錐殼連接區(qū)域產(chǎn)生比一般部位高得多的局部應(yīng)力，因此在錐殼接管連接區(qū)域很容易發(fā)生塑性變形與破裂。

GB 150-2011《壓力容器》[1]對(duì)于正錐殼的計(jì)算僅適用于錐殼半頂角α≤60°的軸對(duì)稱無(wú)折邊或者折邊錐形封頭，當(dāng)半頂角α>30°時(shí)錐殼大端應(yīng)有折邊，當(dāng)半頂角α>45°時(shí)錐殼小端應(yīng)有折邊，并且規(guī)定錐形封頭最大開孔直徑不得大于殼體內(nèi)徑的三分之一。在實(shí)際應(yīng)用中，有些錐殼結(jié)構(gòu)由于某些特殊要求，無(wú)法滿足GB 150-2011的計(jì)算條件，因此需要采用其他方法進(jìn)行計(jì)算或校核。近年來(lái)實(shí)踐表明，有限元分析是研究錐殼開孔接管結(jié)構(gòu)相鄰區(qū)域應(yīng)力分布的一種有效方法。

傳統(tǒng)的有限元單向建模應(yīng)力分析，工作量大、設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，三維有限元數(shù)值分析的計(jì)算可以準(zhǔn)確地描述偏心錐殼的應(yīng)力分布，使應(yīng)力的計(jì)算更為精確[2]。如果模型的幾何參數(shù)與載荷改變，就要重新建模分析，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，降低了工作效率。筆者利用Visual Basic 6.0結(jié)合APDL語(yǔ)言對(duì)ANSYS進(jìn)行二次開發(fā)，開發(fā)了適用于多種管系載荷作用下，不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的錐殼開孔接管結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，其界面友好、操作靈活、便捷易用，為此類結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和安全評(píng)定提供了有效手段。

1 軟件開發(fā)技術(shù)

1.1 APDL技術(shù)

ANSYS Parametric Design Language，APDL，即ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言，它是一種類似FORTRAN的解釋性語(yǔ)言，提供一般程序語(yǔ)言的功能，如參數(shù)、宏、標(biāo)量、向量、矩陣運(yùn)算、分支、循環(huán)、重復(fù)以及訪問(wèn)ANSYS有限元數(shù)據(jù)庫(kù)等[3]。利用APDL程序語(yǔ)言組織管理ANSYS有限元分析命令，就可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模、施加參數(shù)化載荷與求解和參數(shù)化后處理結(jié)果的顯示，從而實(shí)現(xiàn)參數(shù)化有限元分析的全過(guò)程。在參數(shù)化的分析過(guò)程中可以簡(jiǎn)單地修改其中的參數(shù)達(dá)到反復(fù)分析各種尺寸、不同載荷大小的多種設(shè)計(jì)方案或序列性產(chǎn)品，提高了分析效率，減少分析成本。

1.2 Visual Basic 6.0與ANSYS的連接

ANSYS軟件內(nèi)部的APDL語(yǔ)言雖然為參數(shù)化建模提供了強(qiáng)有利的開發(fā)工具，但APDL本質(zhì)上不是具有集成化開發(fā)環(huán)境的高級(jí)語(yǔ)言，其可視化程度差、開發(fā)過(guò)程不直觀，因而給對(duì)APDL語(yǔ)言不熟悉的人員利用ANSYS軟件進(jìn)行分析帶來(lái)一定的困難。筆者利用Visual Basic語(yǔ)言對(duì)ANSYS進(jìn)行了二次開發(fā)，通過(guò)對(duì)話框?qū)δＰ偷膮?shù)進(jìn)行輸入，實(shí)現(xiàn)了錐殼接管-開孔結(jié)構(gòu)利用ANSYS建模、求解等過(guò)程的可視化。

用VB對(duì)ANSYS進(jìn)行封裝的關(guān)鍵在于調(diào)用[4]，在VB中其調(diào)用是通過(guò)VB中的窗口函數(shù)shell()來(lái)實(shí)現(xiàn)的，該函數(shù)用于執(zhí)行某個(gè)可執(zhí)行文件，包括*.exe文件、*.com文件和*.bat文件。筆者根據(jù)文獻(xiàn)[4]中的調(diào)用方法進(jìn)行擴(kuò)展應(yīng)用，主要調(diào)用命令如下：

Private Sub Command1_Click()

If Dir ("E: zhuiqiao.err") <> "" Then

Kill ("E: zhuiqiao.err")

End If ′(判斷錯(cuò)誤日志文件是否已經(jīng)存在，是先刪除)

……

If Dir ("E:zhuiqiao000.jpg") <> "" Then

Kill ("E:zhuiqiao000.jpg")

End If ′(判斷結(jié)果圖片文件是否已經(jīng)存在，是先刪除)

Dim X

X = Shell ("D:Program FilesAnsys Incv120ANSYSinintelansys.exe□-b□-p□ane3fl□-i□E:zhuiqiao.txt□-o□E:jieguo.txt", 1)

′(對(duì)ANSYS進(jìn)行調(diào)用)

Timer1.Enabled = True′(啟動(dòng)計(jì)時(shí)器)

End Sub

其中：“□”代表空格，空格必須嚴(yán)格注意；

“D:ProgramFilesAnsysIncv120ANSYSinintel”是指“ansys.exe”所在的位置 ，即ANSYS的安裝路徑；

“-b□-p”為ANSYS的控制開關(guān)；

“ane3fl”為ANSYS的產(chǎn)品特征代碼，如：ansysul，ane3fl，emag等；

“E:zhuiqiao.txt”為調(diào)用命令流文件的路徑及文件名；

“E:jieguo.txt”為輸出結(jié)果文件的路徑及文件名。

1.3 程序設(shè)計(jì)流程

先利用ANSYS二次開發(fā)語(yǔ)言APDL編寫命令流，然后用Visual Basic 6.0設(shè)計(jì)用戶界面，該界面主要實(shí)現(xiàn)參數(shù)的輸入及結(jié)果的顯示等功能。最后，運(yùn)用Visual Basic 6.0調(diào)用ANSYS實(shí)現(xiàn)批處理(BATCH)方式，生成并保存結(jié)果文件[5]，程序設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 程序設(shè)計(jì)流程

2 軟件界面設(shè)計(jì)

軟件界面采用Visual Basic 6.0設(shè)計(jì)[6]，包含了APDL編寫的命令流的相關(guān)參數(shù)，這些參數(shù)主要包括錐殼和接管的結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料參數(shù)、網(wǎng)格參數(shù)以及受到的內(nèi)壓、接管附加力、矩等。

軟件輸入界面如圖2a所示，在此界面輸入錐殼的相關(guān)參數(shù)，其中當(dāng)錐殼半頂角輸入為0時(shí)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)圓柱殼開孔接管結(jié)構(gòu)的分析。界面右下方提示是否輸入接管參數(shù)，如果輸入Y，軟件將彈出接管參數(shù)輸入界面(圖2b)。在接管參數(shù)輸入界面輸入接管相關(guān)參數(shù)和載荷后，如果還存在下一個(gè)接管，則在界面右下方輸入Y，軟件將會(huì)彈出另一個(gè)類似圖2b的界面。接管輸入結(jié)束后，點(diǎn)擊運(yùn)算，ANSYS將進(jìn)入后臺(tái)運(yùn)算。運(yùn)算完畢后，點(diǎn)擊相應(yīng)按鈕可分別查看有限元模型網(wǎng)格圖、有限元模型邊界條件圖和應(yīng)力云圖。

a. 界面1

b. 界面2圖2 參數(shù)化有限元設(shè)計(jì)平臺(tái)

3 應(yīng)力分析實(shí)例

3.1 應(yīng)力分析

筆者選擇一個(gè)錐殼雙開孔接管結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)例分析，殼體和接管材料均為SA-516，設(shè)計(jì)溫度為345℃，設(shè)計(jì)壓力1.0MPa。錐殼開孔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3所示，接管管口局部載荷見(jiàn)表1。

圖3 錐殼開孔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

表1 接管管口局部載荷

參數(shù)輸入完畢后，單擊顯示有限元網(wǎng)格模型圖，顯示結(jié)果如圖4所示，單擊有限元模型邊界條件圖按鈕，顯示結(jié)構(gòu)如圖5所示，用戶可根據(jù)這兩個(gè)顯示結(jié)果進(jìn)行核實(shí)網(wǎng)格是否需要優(yōu)化以及加載是否正確。核實(shí)無(wú)誤后點(diǎn)擊運(yùn)算，待運(yùn)算完畢后點(diǎn)擊應(yīng)力云圖顯示，彈出圖6所示窗口。應(yīng)力云圖顯示本分析結(jié)構(gòu)最大Tresca當(dāng)量應(yīng)力為131.927MPa，應(yīng)力最大點(diǎn)發(fā)生在殼體與接管1連接處的內(nèi)壁，與實(shí)際相符。

圖4 有限元模型網(wǎng)格圖

圖5 有限元模型邊界條件圖

圖6 有限元模型tresca應(yīng)力云圖

3.2 應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定

根據(jù)JB 4732-1995進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定[7]，主應(yīng)力差：S12=σ1-σ2，S23=σ2-σ3，S31=σ3-σ1；應(yīng)力強(qiáng)度S=max{|S12|，|S23|，|S31|}。

總體一次薄膜應(yīng)力強(qiáng)度極限為Sm，局部一次薄膜應(yīng)力強(qiáng)度極限為1.5Sm，一次薄膜加一次彎曲應(yīng)力強(qiáng)度極限為1.5Sm，一次薄膜應(yīng)力強(qiáng)度加二次應(yīng)力強(qiáng)度極限為3.0Sm。其中，Sm為許用應(yīng)力強(qiáng)度。

分析結(jié)構(gòu)整體Tresca最大當(dāng)量應(yīng)力SⅣ=127.299MPa，材料的一次局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度極限為1.5Sm=193.500MPa，顯然SⅣ<1.5Sm，無(wú)需進(jìn)行應(yīng)力線性化處理，應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定合格。

4 結(jié)束語(yǔ)

利用Visual Basic和ANSYS的無(wú)縫連接，有效地實(shí)現(xiàn)了ANSYS的二次開發(fā)，編寫了錐殼開孔接管結(jié)構(gòu)的有限元應(yīng)力分析參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)。參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的開發(fā)有效地提高了錐殼接管-開孔結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析效率，為此類結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和安全評(píng)定提供依據(jù)。

[1] GB 150-2011，壓力容器[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

[2] 付光杰，甄東芳，邢建華.開關(guān)磁阻電機(jī)的三維有限元分析及性能研究[J].化工自動(dòng)化及儀表，2010，37(6)：68～71，75.

[3] 余偉煒，高炳軍.ANSYS在機(jī)械與化工裝備中的應(yīng)用[M].北京：中國(guó)水利水電出版社,2006：399～400.

[4] 張海軍，王高平，劉曜.Visual Basic對(duì)ANSYS調(diào)用的技術(shù)研究[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新, 2008，21(3)：116～117.

[5] 張小平.圓柱殼雙開孔結(jié)構(gòu)管應(yīng)力分布研究[D].南京：南京工業(yè)大學(xué), 2011.

[6] 李亞非，鄭玉.Visual Basic程序設(shè)計(jì)教程[M].南京：南京大學(xué)出版社,2009.

[7] JB 4732-1995, 鋼制壓力容器分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1995.