在ANSYS中實現(xiàn)螺桿式攪拌器的參數(shù)化建模

付 磊，李 良，鄭明訓

（四川理工學院機械工程學院，四川自貢643000）

攪拌操作是化工反應過程的重要環(huán)節(jié)，其原理涉及流體力學、傳熱、傳質(zhì)及化學反應等多種過程。攪拌器是攪拌單元設備的關鍵部件，是反應釜的核心，它直接影響著攪拌單元設備的傳質(zhì)、傳熱能力，從而影響著化學反應過程及產(chǎn)品質(zhì)量[1]。常用的攪拌器有推進式、渦輪式、框式、螺桿式、螺帶式等。其中螺桿式攪拌器的攪拌性能好，效率高，能耗低，在攪拌反應釜中廣泛應用。

ANSYS有限元分析程序是著名的CAE供應商美國ANSYS公司的產(chǎn)品，主要用于結構、熱、流體和電磁四大物理場獨立或耦合分析的CAE工具[2]。ANSYS有限元分析包括前處理、求解和后處理三個基本過程。前處理主要進行單元選用、材料定義、創(chuàng)建CAD模型和劃分網(wǎng)格，最終得到一個完整的有限元模型。

螺桿式攪拌器的葉片是螺旋結構，螺旋結構如彈簧、螺紋等在工程中應用廣泛，借助ANSYS對其進行分析，具有重要的現(xiàn)實意義。幾何模型的建立，是進行有限元分析的基礎，對于有些特殊的螺旋實體模型，在ANSYS中不能直接利用已有的命令直接生成[3]。本文嘗試利用ANSYS提供的二次開發(fā)工具，實現(xiàn)螺桿式攪拌器的參數(shù)化建模，為此類結構的建模提供一種通用有效的方法。

1 ANSYS二次開發(fā)工具

有限元軟件ANSYS具有良好的開放性，可以根據(jù)需要二次開發(fā)，進行功能擴充和系統(tǒng)集成，生成具有專業(yè)特點的用戶子系統(tǒng)。其主要的二次開發(fā)工具有3個：

（1）UIDL是ANSYS提供的一種圖形界面設計語言，用于在系統(tǒng)主菜單上添加用戶菜單項、用戶對話框等，實現(xiàn)參數(shù)輸入，為程序設計友好的用戶界面，并能對底層的程序代碼進行封裝，使用戶不必了解程序的實現(xiàn)過程，也能方便地使用該程序。

（2）APDL是ANSYS參數(shù)設計語言，是一種類似FORTRAN的解釋性語言，具有變量、數(shù)組、函數(shù)、循環(huán)、分支、判斷等編程要素，用于把ANSYS用戶操作過程以命令方式組織起來，形成用戶宏程序[4]。利用它能實現(xiàn)有限元模型的參數(shù)化建模、加載、求解和后處理，提高分析過程的自動化和程序代碼的重用性。

（3）UPFS（User Programmable Features）。是 ANSYS 提供的連接用戶應用程序的工具，利用它所提供的l0個FORTRAN接口程序，通過把用戶應用程序作為接口程序的子程序或函數(shù)，就可以將用戶應用程序連接到ANSYS中。連接后的用戶應用程序，可以讀取ANSYS數(shù)據(jù)庫信息，并調(diào)用其內(nèi)部子程序。

2 實體模型的建立

實體模型的建立，是進行有限元分析的基礎。在ANSYS中建模有兩種方式：

第一種是通過交互方式，用戶的指令可以通過鼠標點擊菜單項選取和執(zhí)行，也可以在命令輸入窗口通過鍵盤輸入，這種建模方式方便、直觀，隨時可以查看結果，但是使用者必須熟悉該軟件；

第二種是用ANSYS的APDL語言在記事本中直接輸入命令行，然后存到一個批處理文件中，在以后進行同樣工作時，由ANSYS自動讀人并執(zhí)行，在進行某些重復性較高的工作和進行參數(shù)化建模時，能有效地提高工作速度。

本文采用第二種建模方式。此外，ANSYS還提供了較為靈活的圖形接口及數(shù)據(jù)接口，它能與多數(shù)CAD軟件接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Proe、UG等。但是通過接口引入的圖形可能要發(fā)生一些變化，需要先修正幾何模型，特別是復雜大型結構更易出現(xiàn)模型信息丟失的現(xiàn)象，而且當輸入的模型如果不適于網(wǎng)格劃分時，則需要大量的修補工作。

對于有些特殊的幾何實體模型（比如漸開線齒輪、螺旋彈簧等實體模型的建立等），本文中的螺桿式攪拌器模型在ANSYS中不能直接利用已有的命令直接生成。若能熟練地使用APDL語言，利用相應的數(shù)學表達式，設計相應實體的生成程序，便能自動完成建?；?qū)崿F(xiàn)某些功能，會使分析更為簡單有效。

3 螺桿攪拌器的參數(shù)化建模

3.1 建模原理

將模型的主要幾何特征參數(shù)化，這是參數(shù)化建模的關鍵。螺桿式攪拌器的螺旋葉片，主要特征是螺旋內(nèi)徑、螺旋外徑、螺距；螺桿攪拌器實體參數(shù)化建模的關鍵，是要生成一條符合螺桿攪拌器螺旋葉片參數(shù)要求的螺旋線，ANSYS中沒有提供生成螺旋線的命令。本文根據(jù)螺旋葉片螺旋線的參數(shù)方程，利用APDL語言編程來建立螺旋線，先建立關鍵點，連接關鍵點生成螺旋線，用LGEN命令按螺旋葉片厚度復制螺旋線，連接線的端面點，用AL命令由線生成螺旋面，再用VA命令由面生成一圈螺旋體，根據(jù)螺旋葉片圈數(shù)用VGEN命令復制體生成螺旋葉片體[5]，然后建立攪拌軸實體，最后用VADD命令合并生成的所有實體。并且通過定制ANSYS圖形用戶界面

（GUI），實現(xiàn)多參數(shù)的對話框輸入。

3.2 程序設計及說明

3.2.1 主要參數(shù)：

arg1——攪拌軸外徑；

arg2——螺旋葉片外徑；

arg3——螺旋葉片厚度；

arg4——螺旋葉片螺距；

arg5——螺旋葉片圈數(shù)；

arg6——螺旋高度；

arg7——循環(huán)度數(shù)；

arg8——攪拌器偏心距；

arg9——攪拌器的安裝距離；

arg10——攪拌器軸向安裝；

theta——中間變量；

zz——中間變量。

3.2.2 初始化ANSYS環(huán)境

FINISH

/CLEAR

/BATCH

/FILNAME,Blender

/TITLE,The Process of creating the blender parametric modeling

3.2.3 定義幾何尺寸參數(shù)

通過多參數(shù)輸入對話框進行賦值。

MULTIPRO,’start’,9

*cset,1,3,arg1,’Valid Turns Number of the Blender(mm):’,110(攪拌軸外徑)

*cset,4,6,arg2,’Valid Turns Number of the Blender(mm):’,600(螺旋葉片外徑)

*cset,7,9,arg3,’Valid Turns Number of the Blender(mm):’,8(螺旋葉片厚度)

*cset,10,12,arg4,’Valid Turns Number of the Blender(mm):’,400(螺旋葉片螺距)

*cset,13,15,arg5,’Valid Turns Number of the Blender(mm):’,4(螺旋葉片圈數(shù))

*cset,16,18,arg7,’Valid Turns Number of the Blender():’,45(螺旋度數(shù))

*cset,19,21,arg8,’Valid Turns Number of the Blender(mm):’,50(攪拌器偏心距)

*cset,22,24,arg9,’Valid Turns Number of the Blender(mm):’,100(攪拌器安裝距離)

*cset,25,27,arg10,’Valid Turns Number of the Blender():’,60(攪拌器軸向安裝角)

MULTIPRO,’end’

*IF,BUTTON,EQ,1,THEN

/EOF

*ENDIF

3.2.4 螺桿式攪拌器建模

/units,si !單位制的設置

*AFUN,deg !角度單位的設置為度

arg6=arg5*arg4+arg3/(45)

theta=0

zz=0

/VIEW,1,0.7,-0.5,-0.5 !轉換視角

/ANG,1,-65

csys,0 !激活笛卡爾坐標系

WPAVE,arg8,,arg9 !移動工作面

wpro,,,arg10 !工作平面繞Y軸旋轉60°

CSWPLA,101,1 !工作平面處建立局坐標系（柱坐標系）

（1）創(chuàng)建螺旋線上的關鍵點。

*get,N_kp,kp,0,num,max!查詢當前已有實體關鍵點的最大編號返回給N_kp

N_kp=N_kp+1

NUMSTR,kp,N_kp !當前所建實體模型關鍵點從KP_N+1開始編號

*DO,i,1,17,2

K,N_kp+i,arg1/2,theta,zz

K,N_kp+i+1,arg2/2,theta,zz

theta=theta+arg7

zz=zz+arg4/8

*ENDDO

（2）創(chuàng)建螺旋線。

*get,N_LINE,LINE,0,num,max!查詢當前已有實體線的最大編號返回給N_LINE

N_LINE=N_LINE+1

NUMSTR,LINE,N_LINE !當前所建實體模型線從N_LINE+1開始編號

*DO,i,1,15,2

L,N_kp+i,N_kp+i+2

*ENDDO

*DO,i,1,15,2

L,N_kp+i+1,N_kp+i+3

*ENDDO

（3）合并曲線。

*DO,i,1,7,1

LCOMB,N_LINE,N_LINE+i

LCOMB,N_LINE+8,N_LINE+i+8

*ENDDO

NUMCMP,LINE !壓縮線編號

*get,N_LINE,LINE,0,num,max

NUMSTR,LINE,N_LINE

LGEN,2,N_LINE-1,N_LINE,1,,,arg3/cos(45),0,0,0!復制曲線

（4）連接關鍵點生成面。

L,N_kp,N_kp+1 !連接端面1的4個關鍵點

L,N_kp+1,N_kp+2

L,N_kp+2,N_kp+4

L,N_kp+4,N_kp

L,N_kp+3,N_kp+5 !連接端面2的4個關鍵點

L,N_kp+5,N_kp+18

L,N_kp+18,N_kp+17

L,N_kp+17,N_kp+3

（5）將坐標系轉換成直角坐標系。

csys,101

CSWPLA,102,0

（6）生成螺旋面。

*get,N_AREA,AREA,0,num,max

NUMSTR,AREA,N_AREA+1

AL,N_LINE+3,N_LINE+4,N_LINE+5,N_LINE+6 !端面1

AL,N_LINE+7,N_LINE+8,N_LINE+9,N_LINE+10 !端面2

AL,N_LINE-1,N_LINE,N_LINE+4,N_LINE+9!其余4個面

AL,N_LINE+1,N_LINE+2,N_LINE+6,N_LINE+7

AL,N_LINE-1,N_LINE+1,N_LINE+3,N_LINE+10

AL,N_LINE,N_LINE+2,N_LINE+5,N_LINE+8

（7）創(chuàng)建螺桿攪拌器實體。

*get,N_volu,VOLU,0,NUM,MAX !當前體的最大編號返回給N_volu

NUMSTR,VOLU,N_volu+1 !體的編號從N_volu+1開始

VA,N_AREA+1,N_AREA+2,N_AREA+3,N_AREA+4,

N_AREA+5,N_AREA+6!由面生成一個螺旋體

VGEN,arg5,N_volu+1,,,,,arg4,0,1,0 !復制生成4個螺旋

CYL4,0,0,arg1/2,,,,arg6 !生成攪拌軸

vsel,s,volu,,N_volu+1,N_volus+1+arg5

VADD,ALL !合并體

3.3 程序的運行

把上述建立螺旋式攪拌器的程序代碼，存入一宏文件中，命名為BlenderMacro.mac，以方便建立螺旋式攪拌器模型時調(diào)用，或者也可以以文本文件的格式保存，并通過菜單形式加載，點擊“File>Read Input from”，將會彈出一個加載文件對話框，選擇文本文件（本文定義為Blender.txt）后單擊OK，出現(xiàn)多參數(shù)輸入對話框，通過多參數(shù)輸入對話框進行賦值，即可生成相對應的螺桿式攪拌器實體模型。

4 結束語

本文利用APDL語言的參數(shù)化建模技術，成功實現(xiàn)了螺桿式攪拌器的參數(shù)化建模，提高了此類模型的建模效率。實踐證明，用APDL參數(shù)化設計語言并借助UIDL界面設計語言，能方便地定制用戶自己的有限元分析程序，實現(xiàn)有限元分析過程的參數(shù)化，對工程實踐具有重要的指導作用。同時文中給出了參數(shù)化建模實現(xiàn)的全部源代碼，對同類零件的建模具有一定參考價值。

[1]鄭津洋，董其伍，桑芝富.過程設備設計[M].北京：化學工業(yè)出版社，2001.

[2]龔曙光.ANSYS工程應用實例解析[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003.

[3]鐘世金，莫江濤，王靜文，劉舜堯.基于ANSYS的螺旋結構參數(shù)化建模[J].有色設備，2005，(1)：9-11.

[4]博弈創(chuàng)作室.APDL參數(shù)化有限元分析技術及其應用實例[M].北京：中國水利水電出版社，2003.

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