王 偉，高躍飛

（中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051）

0 引言

ANSYS是一個(gè)廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、石油化工、航空航天、汽車交通、土木工程等眾多工業(yè)領(lǐng)域，集結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)于一體的以有限元分析為基礎(chǔ)的大型通用CAE軟件［1］。ANSYS具有良好的開放性，用戶可通過多種途徑對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的ANSYS軟件進(jìn)行擴(kuò)充，開發(fā)專用的分析模塊。近年來ANSYS軟件在火炮身管溫度場(chǎng)分析計(jì)算中得到廣泛應(yīng)用，但主要集中在使用GUI（圖形用戶界面），如果需要對(duì)不同口徑、不同參數(shù)的身管進(jìn)行分析，就必須進(jìn)行重復(fù)的建模計(jì)算。為此，本文以ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語言（APDL）為工具，開發(fā)火炮身管溫度場(chǎng)計(jì)算的專用模塊，簡(jiǎn)化了分析計(jì)算過程。

1 APDL參數(shù)化設(shè)計(jì)語言簡(jiǎn)介

APDL是ANSYS Parametric Design Language的縮寫，即參數(shù)化設(shè)計(jì)語言。利用APDL中的編程語言和ANSYS的有限元命令，就可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模、參數(shù)化施加載荷、參數(shù)化后處理顯示等。使用APDL還可以開發(fā)專用的有限元分析程序，減少分析成本，極大地提高了分析效率。APDL作為一種解釋性語言，它提供一般程序語言的功能，如參數(shù)、宏、標(biāo)量、向量、數(shù)組及矩陣運(yùn)算、分支、循環(huán)以及訪問ANSYS有限元數(shù)據(jù)庫等，另外它還提供簡(jiǎn)單界面定制功能，實(shí)現(xiàn)參數(shù)交互輸入、消息機(jī)制、界面驅(qū)動(dòng)和運(yùn)行應(yīng)用程序等［2］。當(dāng)然APDL不是一種通用的編程軟件，它在復(fù)雜人機(jī)交互的設(shè)計(jì)方面還存在缺陷，我們可以將它與通用語言結(jié)合起來，開發(fā)大型的應(yīng)用程序。

2 火炮身管模型建立

身管模型的建立和網(wǎng)格劃分是前處理器的主要任務(wù)，也是后面計(jì)算分析的基礎(chǔ)。身管的形狀比較簡(jiǎn)單，傳統(tǒng)的建模方式是使用CAD軟件建立模型后導(dǎo)入ANSYS中，然后進(jìn)行后續(xù)的工作。因此分析人員不僅要熟悉ANSYS的操作，還要熟練掌握CAD軟件，而且針對(duì)不同口徑的火炮身管需要重復(fù)建模。

嚴(yán)格地說，身管壁內(nèi)的熱傳導(dǎo)存在兩維（軸向和徑向）不穩(wěn)定問題，但由于火藥氣體對(duì)身管壁的熱流密度始終是行程的弱函數(shù)，且計(jì)算表明身管溫度沿半徑方向變化得比較快，其梯度一般為溫度沿軸向梯度的1 000倍以上［3］，因此，忽略熱量的軸向流動(dòng)，并假設(shè)溫度場(chǎng)具有軸向及角度對(duì)稱性。將火炮身管藥室部簡(jiǎn)化為1／4扇形模型。簡(jiǎn)化后的身管模型更加簡(jiǎn)單，在此我們使用APDL語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)建模，對(duì)身管的模型只需修改參數(shù)值，模塊會(huì)自動(dòng)生成模型。為方便使用人員，通過ANSYS的二次開發(fā)命令＊ASK可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，提示用戶輸入?yún)?shù)值，如圖1 所示。

身管建模APDL命令如下：

／title，barrel temperature！設(shè)定內(nèi)外徑尺寸

multipro，＇start＇，2

＊cset，1，3，R1，＇the inner radius of barrel＇，0.17

＊cset，4，6，R2，＇the outer radius of barrel＇，0.35

multipro，＇end＇

……

！＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊

！輸入材料屬性

multipro，＇start＇，3

＊cset，1，3，midu，＇the dens of barrel＇，7800

＊cset，4，6，bire，＇the c of barrel＇，46.55

＊cset，7，9，daore，＇the kxx of barrel＇，33.488

multipro，＇end＇

MP，DENS，1，midu！材料密度

MP，C，1，bire！比熱容

MP，KXX，1，daore！導(dǎo)熱系數(shù)

……

通過輸入身管尺寸參數(shù)和身管材料參數(shù)自動(dòng)生成身管模型，在此以130艦炮為例，取藥室橫斷面為模型進(jìn)行分析計(jì)算，建立的身管模型如圖2 所示。

圖1 參數(shù)輸入界面

圖2 身管模型

3 網(wǎng)格劃分

模型建好后應(yīng)進(jìn)行單元屬性定義，然后生成網(wǎng)格。在有限元分析中對(duì)于不同的問題需要不同特性的單元，ANSYS軟件提供了很多單元類型，每個(gè)單元都有特定的標(biāo)識(shí)號(hào)。本文選用Plane55單元，使用智能網(wǎng)格劃分，通過模型內(nèi)外邊控制網(wǎng)格劃分，以滿足不同口徑火炮模型的網(wǎng)格劃分要求，其代碼如下：

et，1，plane55！選用Plane55單元

SMRT，3

……

CM，＿Y，LINE

LSEL，，，，P51X

CM，＿Y1，LINE

CMSEL，，＿Y

LESIZE，＿Y1，，，70，，，，，1

……

CM，＿Y，LINE

LSEL，，，，P51X

CM，＿Y1，LINE

CMSEL，，＿Y

LESIZE，＿Y1，，，70，，，，，1

……

模型網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3 所示。

圖3 模型網(wǎng)格劃分

4 加載

火炮在發(fā)射過程中，內(nèi)邊界要經(jīng)歷一系列復(fù)雜的過程：首先是發(fā)射過程中的強(qiáng)制傳熱，此時(shí)為彈丸在膛內(nèi)的運(yùn)動(dòng)期，其次是彈丸離開炮膛的后效期，最后是開閂到下次裝彈前的自然對(duì)流冷卻時(shí)期［4］。

在身管內(nèi)壁上加載隨時(shí)間變化的火藥氣體溫度，膛內(nèi)時(shí)期火藥氣體溫度可由經(jīng)典內(nèi)彈道理論計(jì)算，后效期可擬合為一指數(shù)函數(shù)。

使用MATLAB編寫內(nèi)彈道程序，計(jì)算內(nèi)彈道時(shí)期和后效期的溫度隨時(shí)間變化曲線，計(jì)算結(jié)果寫入后綴為.TXT文檔中，以便ANSYS主程序調(diào)用。

內(nèi)彈道時(shí)期火藥燃?xì)夂蜕砉苓M(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流換熱，在身管內(nèi)壁添加隨時(shí)間變化的對(duì)流換熱系；在后效期，內(nèi)膛與火藥氣體同樣按照強(qiáng)制對(duì)流的方式進(jìn)行換熱，但是對(duì)流換熱系數(shù)要比內(nèi)彈道時(shí)期小很多，可以近似取內(nèi)彈道結(jié)束瞬間的值和管壁與大氣環(huán)境間的自然對(duì)流換熱的平均值；在中間階段為自然對(duì)流，可通過相似準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算；發(fā)射過程中身管外壁與空氣進(jìn)行自然對(duì)流，對(duì)流換熱系數(shù)可通過麥克阿當(dāng)斯公式進(jìn)行計(jì)算。

整個(gè)加載過程通過APDL語言編寫宏文件對(duì)文檔進(jìn)行調(diào)用，完成載荷的自動(dòng)添加，其代碼如下：

IC，P51X，TEMP，293，

……

DL，P51X，，TEMP，293，0

……

SFL，P51X，CONV，13.95，，，

＊DIM，wendu，TABLE，446，1，1，，，

＊DIM，duiliu，TABLE，446，1，1，，，

＊TREAD，WENDU，＇T1＇，＇txt＇，＇＇，，

＊TREAD，DUILIU，＇H1＇，＇txt＇，＇＇，，

……

SFL，P51X，CONV，%DUILIU% ，，，

……

DL，P51X，，TEMP，%WENDU%

加載后的身管如圖4 所示。

5 計(jì)算以及后處理

設(shè)置載荷步選項(xiàng)，將結(jié)果保存設(shè)置成每步保存，使用APDL語言編寫計(jì)算模塊，其代碼如下：

TIME，23.54！設(shè)置計(jì)算時(shí)間

AUTOTS，1

DELTIM，1，0.1，1，1

……

TINTP，0.005，，，，，，

OUTRES，ALL，ALL，！設(shè)置輸出結(jié)果每步保存

……

SOLVE！開始計(jì)算

……

圖4 加載后的身管

計(jì)算完成后，通過軟件后處理模塊查看計(jì)算結(jié)果，在此以溫度云圖查看，使用APDL語言編寫程序，可進(jìn)行時(shí)間參數(shù)輸入，實(shí)現(xiàn)任意時(shí)間的溫度云圖查看，其代碼如下：

……

＊ask，a，Input the time of temperature，0.1

SET，，，1，，a，，

……

13.54ms時(shí)身管的溫度云圖如圖5 所示。

以上模塊編寫完成后，可修改ANSYS系統(tǒng)文件...／v121／ANSYS／apdl／start121.ans（即安裝程序時(shí)的啟動(dòng)文件，路徑中的數(shù)字與軟件版本有關(guān)），利用文本編輯器打開此文件，然后使用＊ABBR定義一系列的縮寫按鈕，通過按鈕調(diào)用在程序路徑中的各專業(yè)分析宏文件，代碼如下：

／psearch，E：＼Users＼wangwei

＊abbr，shenguan＿model，shenguan

＊abbr，mesh，mesh

＊abbr，zaihe，zaihe

＊abbr，jisuan，jisuan

＊abbr，jieguo，jieguo

完成以上工作后，只需以交互方式啟動(dòng)ANSYS程序，進(jìn)入ANSYS交互環(huán)境中，工具條Toolbar中增加了如圖6 所示的按鈕，通過按鈕能夠方便地完成火炮身管溫度場(chǎng)計(jì)算。

圖5 13.54ms時(shí)身管的溫度云圖

圖6 添加的按鈕

6 結(jié)論

通過ANSYS軟件進(jìn)行身管溫度場(chǎng)計(jì)算的分析研究，利用ANSYS的二次開發(fā)工具APDL語言開發(fā)出專業(yè)計(jì)算身管溫度場(chǎng)的分析程序。與傳統(tǒng)計(jì)算相比，該程序省略了手工計(jì)算的繁瑣過程，可以直觀地顯示發(fā)射過程中身管溫度場(chǎng)變化。由于ANSYS軟件本身的原因，用此方法開發(fā)出的分析模塊人機(jī)交互界面不夠好，可以將APDL語言與VC語言相結(jié)合開發(fā)出更加完美的程序界面。

［1］龔曙光，謝桂蘭.ANSYS操作命令與參數(shù)化編程［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［2］博弈創(chuàng)作室.ANSYS參數(shù)化有限元分析技術(shù)及其應(yīng)用實(shí)例［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2004.

［3］楊艷峰，鄭堅(jiān)，賈長(zhǎng)志，等.火炮身管熱傳導(dǎo)有限元仿真分析［J］.火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào)，2011（1）：45-48.

［4］牛超群.高射頻身管剛強(qiáng)度及熱分析［D］.南京：南京理工大學(xué)，2008：39-50.