基于APDL的漏磁檢測有限元分析系統(tǒng)

楊 林，程 濤，宋小春

（1湖北工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院，湖北 武漢430068；2湖北省現(xiàn)代制造質(zhì)量工程重點實驗室，湖北 武漢430068）

漏磁無損檢測方法具有檢測靈敏度高、檢測速度快以及對鐵磁性材料內(nèi)外表面缺陷均有較好檢測能力等優(yōu)點，在鋼管、鋼板等鐵磁性構(gòu)件的快速自動化檢測方面表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢［1－3］.其中，磁化是漏磁檢測的前提，如果構(gòu)件沒有被磁化到合適的程度，缺陷就很難在其表面形成可被檢出的漏磁場，或者因形成的漏磁場很弱而被噪聲淹沒，影響到漏磁檢測系統(tǒng)的檢測精度和靈敏度.因此，進(jìn)行漏磁檢測系統(tǒng)設(shè)計前，一般需根據(jù)檢測對象的結(jié)構(gòu)尺寸，仿真計算并分析外加勵磁場對檢測對象磁化飽和程度的影響，以優(yōu)化勵磁裝置磁路結(jié)構(gòu)并確定其參數(shù).由于ANSYS軟件具有計算精度高、結(jié)果顯示方式靈活多樣等優(yōu)點，因此，其磁場分析模塊在漏磁檢測有限元分析方面得到廣泛應(yīng)用［4－5］，特別是其提供的參數(shù)化設(shè)計語言（ANSYS Para metric Design Language，APDL）功能為模型參數(shù)修改和重復(fù)計算提供了極大的方便.然而，由于漏磁檢測對象多樣，其建模和網(wǎng)格劃分方法各異，對勵磁裝置進(jìn)行優(yōu)化時需反復(fù)更改結(jié)構(gòu)參數(shù)，計算并分析結(jié)果，因此，提高有限元軟件的操作友好性和計算效率，是有限元軟件用戶關(guān)注的主要問題.為此，本文根據(jù)漏磁檢測有限元分析實際需要，分析了基于ANSYS參數(shù)化設(shè)計語言、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和VC＋＋程序設(shè)計方法的有限元軟件二次開發(fā)技術(shù)，設(shè)計并實現(xiàn)了一套仿真計算過程對用戶透明的漏磁檢測有限元計算軟件.

1 基于VC和ANSYS的漏磁有限元分析軟件設(shè)計

1.1 軟件基本架構(gòu)

軟件的基本架構(gòu)主要包括對用戶透明的運算系統(tǒng)、文件系統(tǒng)以及可視化用戶界面等（圖1）.其中，軟件的運算系統(tǒng)由大量抽象的APDL模版文件組成，每個APDL模版文件主要包括數(shù)值計算以及ANSYS命令封裝.根據(jù)檢測對象（管、桿、板材等）、磁化方式（周向和軸向）等不同，每個APDL模版文件對應(yīng)著一種具體的漏磁檢測有限元分析模型；用戶界面包括用戶參數(shù)輸入界面和有限元計算結(jié)果顯示界面.通過VC＋＋與ANSYS軟件之間的通訊，實現(xiàn)模版文件選擇、參數(shù)設(shè)置與傳遞、有限元計算和結(jié)果顯示等.

圖1 軟件基本架構(gòu)

軟件運行時，首先對用戶設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行后臺處理，生成APDL計算模版文件，即漏磁檢測有限元分析的參數(shù)化設(shè)計代碼；然后，通過VC＋＋程序設(shè)計的界面，輸入相關(guān)參數(shù)，并更新模版文件中的特定參數(shù)，從而獲得ANSYS可執(zhí)行的命令流批處理文件.程序運行流程如圖2所示.

圖2 程序運行流程

1.2 APDL模板文件設(shè)計

APDL是一種解釋性的高級程序語言，提供一般程序語言的功能，如數(shù)值運算、邏輯運算、重復(fù)執(zhí)行命令和用戶程序以及訪問ANSYS有限元數(shù)據(jù)庫等.抽象模版文件通過APDL完成參數(shù)化建模、材料定義、網(wǎng)格劃分、載荷和邊界條件定義、分析控制和求解以及參數(shù)化后處理結(jié)果的顯示等，從而實現(xiàn)參數(shù)化有限元分析的全過程.ANSYS自動生成的日志文件（文件格式為＊.log）是模版文件設(shè)計的基礎(chǔ).抽象模版文件由于缺乏具體的參數(shù)數(shù)值，沒有指定求解方式等具體內(nèi)容，因此只有通過用戶界面交互操作，輸入具體的參數(shù)，才能在VC＋＋程序中組合形成分析流程完整的模版文件.

將漏磁檢測有限元分析輸出的日志文件進(jìn)行修改和簡化，并對待定參數(shù)進(jìn)行特殊標(biāo)記，即可得到用于漏磁檢測有限元分析的APDL模版文件.該模版文件主要包括8個部分：定義單元類型；定義檢測對象、磁體、銜鐵及空氣材料屬性；建立漏磁檢測有限元分析幾何模型；規(guī)劃模型的網(wǎng)格劃分；劃分網(wǎng)格；確定邊界條件；選擇求解類型；后處理定義（結(jié)果顯示以及輸出）.在使用過程中，VC編寫程序通過逆向原理，將用戶輸入的具體數(shù)值自動替換待定參數(shù)，即可生成具體可運行的APDL命令流.

1.3 VC＋＋與ANSYS軟件的接口

本系統(tǒng)采用參數(shù)化設(shè)計方法，使用APDL語言編寫漏磁檢測有限元分析程序，基于Visual Studio2005編寫自主軟件平臺，實現(xiàn)參數(shù)的傳遞和結(jié)果的顯示.因此，VC＋＋與ANSYS軟件之間的通訊需完成以下任務(wù)：使用VC＋＋編寫的自主化軟件調(diào)用ANSYS、自主化軟件讀取APDL文件、存儲及調(diào)用用戶每次計算輸入的參數(shù)組.有關(guān)VC＋＋調(diào)用ANSYS軟件的方法在ANSYS幫助文件［6］中都有所表述，其程序設(shè)計邏輯流程見圖3.首先是確定程序運行的工作目錄，并獲取ANSYS的安裝目錄，以便調(diào)用ANSYS程序及其附屬參數(shù)，為后續(xù)運行做準(zhǔn)備.需要說明的是：

1）應(yīng)該正確選用產(chǎn)品特征碼，因為不同的分析類型選用不同的產(chǎn)品特征碼，漏磁檢測屬于電磁場分析，因此其選擇的特征碼應(yīng)為emag；

2）因為ANSYS軟件讀取命令流的字符要求為ASCII，因此模版代碼或者生成的具體APDL運行文件須保存為ASCII格式；

3）參數(shù)化設(shè)計語言中的部分命令在安裝目錄下才有效，若程序預(yù)處理時將其定義其他目錄，則該命令會失效，如命令流中／show語句只能在程序目錄中生成圖形文件，否則，鋼管及銜鐵中的磁力線分布、漏磁場的磁通密度等將均無法顯示；

4）在調(diào)用ANSYS前，需配置資源目錄，如模版文件的存放地址、現(xiàn)有分析方案的參數(shù)數(shù)據(jù)庫等，如果不進(jìn)行配置，則程序后續(xù)運行毫無意義.

圖3 VC＋＋調(diào)用ANSYS軟件流程

1.4 界面設(shè)計方法

相比傳統(tǒng)的可視化界面，F(xiàn)lash界面美觀且開發(fā)周期短.相同效果的軟件界面，F(xiàn)lash還可以節(jié)約代碼編寫量.為此，本文主要分析VC＋＋與Flash之間的數(shù)據(jù)交換、Flash在VC＋＋程序中的右鍵屏蔽以及Flash窗口控制命令向VC＋＋程序傳遞等問題.

1.4.1 VC＋＋與Flash軟件之間的數(shù)據(jù)交換VC＋＋編譯器通常會給Active X控件提供相應(yīng)的封裝包，該包提供當(dāng)前控件的所有功能.針對Flash，VC＋＋提供了CWnd封裝包——CShockwaveFlash.在Flash腳本語言2.0版本中，F(xiàn)lash與VC＋＋程序之間的命令傳遞只有FSCo mmand，這種方式無法傳遞參數(shù)及數(shù)據(jù).而在本系統(tǒng)中，因為軟件要選擇分析類型，調(diào)用有限元分析參數(shù)庫，并且還要返回數(shù)據(jù)組成APDL文件，所以使用該版本無法滿足其界面交互要求.

而As3.0提供了外部應(yīng)用程序接口，能異步調(diào)用且返回調(diào)用參數(shù)值，其Exter nal Interf ace方式給程序設(shè)計帶來了極大的便利.這樣，F(xiàn)lash程序通過Exter nal Interf ace即能與CShock waveFlash進(jìn)行通訊，其過程如圖4所示.

圖4 Flash與VC＋＋通訊過程

VC＋＋軟件編譯器通過CShock waveFlash控件，為Exter nal Interface提供了一個事件接收器Flash Call.Flash Call事件的響應(yīng)參數(shù)為request，其在External Interface的調(diào)用過程中，讀取的數(shù)據(jù)以XML方式進(jìn)行封裝.Flash為了獲取調(diào)用Exter nal Interface的方法名和參數(shù)，需先解析request封裝的XML包.本系統(tǒng)處理Flash Call事件采用void方法，返回數(shù)據(jù)使用Set Ret ur n Val ue方法.其中，返回的數(shù)據(jù)也必須是符合Flash規(guī)范的XML格式.例如，要返回X ML數(shù)據(jù)組，把XML添加到〈string〉〈／string〉中，最后Flash平臺通過new XML（str）的方法動態(tài)生成數(shù)據(jù)項.

1.4.2 屏蔽軟件界面的右鍵信息 自主開發(fā)的軟件在使用過程中，往往不希望用戶在軟件界面中右鍵彈出Flash屬性菜單.雖然VC＋＋控件提供的Set Menu方法能屏蔽絕大部分菜單，但Flash版權(quán)信息無法消除.為此，可以截獲組件的 WM＿RBUTTONDOWN消息實現(xiàn)對Flash右鍵菜單的屏蔽.這樣，軟件操作時可以監(jiān)聽并截獲用戶的右鍵消息，并將消息傳遞到其他類，而不傳遞到Flash控件中去.

在VC＋＋8.0平臺中實現(xiàn)方法如下：CShockwaveFlash派生新的類dull，然后監(jiān)聽WM＿RBUTTONDOWN消息，直接在消息處理函數(shù)中注釋掉父類，最后將Flash對象的類修改為新的派生類Dull即可.

1.4.3 Flash控制命令的傳遞 Flash通過使用fsco mmand命令可以實現(xiàn)退出等功能.但是，由于VC＋＋設(shè)計的軟件平臺將Flash嵌入軟件內(nèi)部，因此Flash的退出命令不能直接控制軟件窗體的整體退出.為此，可以在工程項目的對話框CUIShow Dlg類聲明中添加DECLARE＿EVENTSINK MAP（）和消息映射

af x＿msg void On FSCo mmand Flash（LCTSTR co mmand.LCTSTR ar gs）；

這樣，當(dāng)用戶進(jìn)行窗口最大化、最小化操作時，工程文件中CUIShow Dlg的 WM＿SIZE響應(yīng)通常會把Flash控件布滿整個窗口.不過，這種實現(xiàn)方式可能會造成Flash界面頻繁閃爍.為此，系統(tǒng)采用先重載控件和對話框擦除背景事件，再用代碼防止控件重繪自身的方式來實現(xiàn)窗口控制.

2 運行結(jié)果分析

基于上述方法設(shè)計的漏磁檢測有限元分析軟件界面如圖5所示.

圖5 軟件系統(tǒng)操作界面

首先，用戶可以根據(jù)實際的漏磁檢測物理模型選擇磁化方式和檢測方案；然后，系統(tǒng)根據(jù)用戶的選項，從后臺讀取相關(guān)APDL模版文件，并提示用戶輸入模版文件中的待定參數(shù)；接著，軟件開始進(jìn)行有限元計算，并可根據(jù)用戶需要以多種形式顯示計算結(jié)果，圖6所示即為鋼管周向磁化漏磁檢測有限元計算結(jié)果的兩種顯示方式.

圖6 計算結(jié)果顯示

由于軟件的核心計算功能是通過ANSYS完成的，因此其計算結(jié)果具有一定的準(zhǔn)確性和可靠性.同時，通過全中文化的界面，用戶只需進(jìn)行簡單的方案選擇和參數(shù)設(shè)置即可完成從有限元建模到數(shù)值計算、結(jié)果顯示等全過程，其不僅極大地簡化了有限元計算過程，還提高了計算效率，使初學(xué)者或一般工程技術(shù)人員都能有效進(jìn)行漏磁檢測有限元分析.

3 結(jié)論

根據(jù)漏磁檢測有限元計算原理，基于ANSYS參數(shù)化設(shè)計語言、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和VC＋＋程序設(shè)計方法，開發(fā)了一套漏磁檢測有限元專用分析軟件.運行結(jié)果表明，該軟件不僅簡化了漏磁檢測有限元分析過程，提高有限元計算效率，而且計算結(jié)果準(zhǔn)確可靠，為漏磁檢測系統(tǒng)勵磁裝置和傳感器優(yōu)化設(shè)計提供了一種有效的仿真分析工具.

［1］康宜華，石曉鵬.基于單一軸向磁化的鋼管高速漏磁檢測方法［J］.機械工程學(xué)報，2010，46（10）：8－13.

［2］宋小春，黃松嶺，趙 偉，等.高清晰度儲罐底板漏磁檢測器的研制［J］.化工自動化及儀表，2007，34（1）：77－80.

［3］宋小春，黃松嶺，趙 偉.天然氣長輸管道裂紋的無損檢測方法［J］.天然氣工業(yè)，2006，26（7）：103－106.

［4］李路明，張家駿，李振星，等.用有限元方法優(yōu)化漏磁檢測［J］.無損檢測，1997，19（6）：154－158.

［5］李鶯鶯，靳世久，魏茂安.管道漏磁法檢測的ANSYS仿真研究［J］.無損檢測，2005，27（2）：72－76.

［6］博嘉科技.有限元分析軟件——ANSYS融會與貫通［M］，北京：中國水利水電出版社，2002.