基于VB和ANSYS的波紋管設(shè)計(jì)軟件開發(fā)

李慧芳　葉夢(mèng)思　錢才富

摘要： 為精確設(shè)計(jì)波紋管，使其適應(yīng)復(fù)雜的運(yùn)營(yíng)條件，利用VB語言，結(jié)合有限元分析軟件ANSYS，研發(fā)一款應(yīng)用于無加強(qiáng)U型波紋管及帶加強(qiáng)環(huán)Ω型波紋管的設(shè)計(jì)軟件。該軟件具有波紋管常規(guī)設(shè)計(jì)、有限元分析和輕量化設(shè)計(jì)等功能，可提高設(shè)計(jì)效率，降低設(shè)計(jì)人員的工作負(fù)荷，保證波紋管的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

關(guān)鍵詞：波紋管； 優(yōu)化； 輕量化； 有限元

中圖分類號(hào)： TH703.2； TP311.52

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

Abstract：To design bellows accurately to adapt to complex operation conditions， utilizing VB language， combined with finite element analysis software ANSYS， a design software for unreinforced U-type bellows and Ω-type bellows with reinforcement ring is developed. The software has several functions including bellows general design， finite element analysis， lightweight design， and so on. It can improve the design efficiency， reduce the workload of the designer， and ensure the safety and economy of the bellows.

Key words：bellows； optimization； lightweight； finite element

0 引 言

近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，各種語言編寫的工程設(shè)計(jì)軟件不斷涌現(xiàn)。這些軟件可以大大提高設(shè)計(jì)效率和精度。同時(shí)，將編程軟件與工程分析設(shè)計(jì)軟件（如ANSYS、CAD和Creo等）結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的快速數(shù)值模擬，達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。趙禹丞[1]研發(fā)波紋管膨脹節(jié)軟件，運(yùn)用VB語言，實(shí)現(xiàn)無加強(qiáng)U型、加強(qiáng)U型和加強(qiáng)Ω型波紋管應(yīng)力、疲勞壽命、失穩(wěn)壓力校核及剛度計(jì)算的自動(dòng)化。張文[2]研發(fā)的金屬波紋管膨脹節(jié)計(jì)算機(jī)輔助軟件包括設(shè)計(jì)計(jì)算模塊、焊接工藝模塊、成本核算模塊、設(shè)計(jì)說明書模塊、繪圖模塊和數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)波紋管設(shè)計(jì)、校核、制造成本核算和圖紙輸出等功能。沈玉堂等[3]針對(duì)波紋管材料非線性和幾何非線性特性，編寫有限元程序分析其應(yīng)力和應(yīng)變，并開發(fā)出一套基于Visual C++6.0和Fortran PowerStation 4.0的波紋管有限元分析軟件，可大大提高波紋管有限元分析的效率。

KIM等[4]利用AutoCAD的AutoLISP語言開發(fā)3種焊接金屬波紋管計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，該軟件通過操作者輸入的內(nèi)外徑、厚度和波峰高度等參數(shù)快速準(zhǔn)確地得到波紋管形狀，并利用ANSYS Workbench得到波紋管應(yīng)力分布。方京哲[5]在AutoCAD環(huán)境下開發(fā)出3種S型金屬波紋管的自動(dòng)化設(shè)計(jì)軟件，可實(shí)現(xiàn)波紋管二維、三維繪圖和尺寸自動(dòng)標(biāo)注。孫愛芳等[6]以波高h(yuǎn)、單層名義厚度t、層數(shù)m和波數(shù)n作為設(shè)計(jì)變量，以滿足強(qiáng)度、穩(wěn)定性和疲勞壽命條件下的總體剛度和質(zhì)量最小為目標(biāo)函數(shù)，利用ANSYS對(duì)U型波紋管結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，獲得較好的優(yōu)化效果。CHUGUNOV等[7]以Visual Studio C++為開發(fā)環(huán)境，在SolidWorks 平臺(tái)上開發(fā)波紋管優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，該軟件根據(jù)波紋管結(jié)構(gòu)類型建立數(shù)據(jù)庫(kù)，可在操作者輸入的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，自動(dòng)建立波紋管三維模型；同時(shí)，編寫外接程序，采用面向?qū)ο蟮姆椒ㄟB接SolidWorks，實(shí)現(xiàn)波紋管的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

本文研發(fā)一款集波紋管常規(guī)設(shè)計(jì)、有限元分析設(shè)計(jì)和有限元輕量化設(shè)計(jì)功能為一體的波紋管設(shè)計(jì)軟件。該軟件的優(yōu)勢(shì)在于無須多次試算，不要求設(shè)計(jì)者具有很好的有限元分析知識(shí)和ANSYS操作技能，即可進(jìn)行波紋管有限元分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 波紋管設(shè)計(jì)軟件功能和設(shè)計(jì)原理

1.1 波紋管設(shè)計(jì)軟件功能

波紋管設(shè)計(jì)軟件分為波紋管常規(guī)設(shè)計(jì)校核、有限元分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)3個(gè)模塊，波紋管設(shè)計(jì)軟件功能和操作流程見圖1，波紋管設(shè)計(jì)軟件菜單見圖2。

打開軟件，進(jìn)入“菜單”頁(yè)，新建文件之后，即可進(jìn)行參數(shù)輸入，參數(shù)輸入界面見圖3（只展示帶加強(qiáng)環(huán)Ω型波紋管軟件操作界面和分析過程）。在完成波紋管設(shè)計(jì)條件、幾何參數(shù)和材料參數(shù)設(shè)定后，點(diǎn)擊“計(jì)算”按鈕，即可進(jìn)行波紋管修正因數(shù)計(jì)算或讀取。本軟件將GB/T 12777—2008標(biāo)準(zhǔn)中的表A.2～4數(shù)值記錄在Excel中，并將該表保存在軟件的安裝路徑下。軟件通過訪問Excel中的表格可讀出修正因數(shù)，修正因數(shù)讀取流程見圖4。

將每張表視為一個(gè)矩陣U，i為矩陣的行數(shù)，j為矩陣的列數(shù)。完成修正因數(shù)讀取后，即可進(jìn)行設(shè)計(jì)、校核模塊的選擇：若進(jìn)行常規(guī)設(shè)計(jì)，點(diǎn)擊“計(jì)算”下的“常規(guī)設(shè)計(jì)計(jì)算”即可；若進(jìn)行有限元分析或優(yōu)化設(shè)計(jì)，則需先設(shè)置ANSYS計(jì)算文件的保存路徑和ANSYS加載。完成設(shè)計(jì)計(jì)算后，點(diǎn)擊“結(jié)果”下的相應(yīng)選項(xiàng)，即可彈出校核結(jié)果，見圖5。若已完成優(yōu)化設(shè)計(jì)，則點(diǎn)擊“查看優(yōu)化后結(jié)構(gòu)參數(shù)按鈕”即可進(jìn)入優(yōu)化結(jié)果界面，見圖6。常規(guī)設(shè)計(jì)模塊主要依據(jù)GB/T 12777—2008和GB 16749—1997標(biāo)準(zhǔn)中的公式進(jìn)行設(shè)計(jì)校核。

1.2 有限元分析模塊設(shè)計(jì)原理

結(jié)構(gòu)或設(shè)備的有限元分析過程包括幾何模型建立、網(wǎng)格模型建立、邊界條件加載、求解和結(jié)果提取等步驟。由于圓形波紋管結(jié)構(gòu)和載荷都關(guān)于中心軸對(duì)稱，因此采用8節(jié)點(diǎn)二維軸對(duì)稱PLANE183單元對(duì)波紋管進(jìn)行有限元分析，波紋管單波網(wǎng)格模型見圖7。波紋管的層與層之間以及外層與加強(qiáng)環(huán)間建立無摩擦接觸，波紋管單波接觸單元見圖8。分別計(jì)算在壓力載荷工況和位移載荷工況下的應(yīng)力值并進(jìn)行校核。內(nèi)壓工況載荷和位移工況載荷示意分別見圖9和10。在內(nèi)壓載荷工況下，波紋管內(nèi)施加壓力，兩端施加軸向約束；在位移載荷工況下，波紋管一端施加軸向約束，另一端施加位移載荷。求解完成后，對(duì)波紋管進(jìn)行應(yīng)力線性化處理，讀取每條路徑上的應(yīng)力值并寫入矩陣中，將最大值以“txt”文件形式輸出，以便軟件讀取。由于設(shè)計(jì)者不與ANSYS進(jìn)行交互操作，因此在軟件的開發(fā)過程中需要運(yùn)用APDL語言將上述步驟進(jìn)行參數(shù)化。

1.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊設(shè)計(jì)原理

ANSYS優(yōu)化設(shè)計(jì)主要分為3個(gè)步驟：

（1） 分析文件的生成。該分析文件應(yīng)該包含1個(gè)完整的有限元分析過程，即包括材料定義、有限元模型建立、邊界條件加載、求解和結(jié)果提取步驟。該文件應(yīng)該保存為ANSYS可以讀取的“LGW”或者“LOG”文件，以便于執(zhí)行優(yōu)化步驟時(shí)讀取。

（2） 優(yōu)化變量聲明。波紋管設(shè)計(jì)軟件的輕量化設(shè)計(jì)模塊以波紋管的質(zhì)量為目標(biāo)函數(shù)，以波紋管在各工況下的許用應(yīng)力、設(shè)計(jì)疲勞壽命、臨界失穩(wěn)壓力為狀態(tài)變量，以波紋管波形參數(shù)為設(shè)計(jì)變量，對(duì)波紋管進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。

（3） 選取優(yōu)化方法并進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。該軟件選用子問題逼近法進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，使用所有的狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù)逼近公差，是用途較為廣泛的優(yōu)化方法。將優(yōu)化結(jié)果寫入矩陣中，并以“txt”文件格式輸出。

優(yōu)化數(shù)據(jù)流向見圖11。由步驟（1）生成的分析文件自動(dòng)生成循環(huán)文件，并在優(yōu)化過程中不斷循環(huán)迭代，優(yōu)化數(shù)據(jù)庫(kù)記錄每一次迭代后的結(jié)果，并不斷生成新的優(yōu)化數(shù)據(jù)文件，最后輸出優(yōu)化結(jié)果。[7]

2 波紋管設(shè)計(jì)軟件應(yīng)用實(shí)例

分析軟件計(jì)算結(jié)果可知，優(yōu)化后波紋管質(zhì)量較優(yōu)化前顯著減小，說明運(yùn)用有限元法對(duì)波紋管進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)具有較好的應(yīng)用前景。

2.1 無加強(qiáng)U型波紋管設(shè)計(jì)實(shí)例

無加強(qiáng)U型波紋管示意見圖12。U型波紋管設(shè)計(jì)條件幾何參數(shù)和材料參數(shù)分別見表1～3，相關(guān)計(jì)算因數(shù)見表4，校核結(jié)果見表5，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表6。由此可知，無加強(qiáng)U型波紋管常規(guī)設(shè)計(jì)所得應(yīng)力與有限元計(jì)算結(jié)果間誤差較小，且都小于許用應(yīng)力。波紋管優(yōu)化后質(zhì)量是優(yōu)化前質(zhì)量的65.7%，輕量化效果較好。

2.2 帶加強(qiáng)環(huán)Ω型波紋管設(shè)計(jì)實(shí)例

帶加強(qiáng)環(huán)Ω型波紋管示意見圖13。Ω型波紋管設(shè)計(jì)條件、幾何參數(shù)和材料參數(shù)分別見表7～9，加強(qiáng)環(huán)材料參數(shù)見表10，相關(guān)計(jì)算因數(shù)見表11，校核結(jié)果和優(yōu)化后結(jié)構(gòu)參數(shù)分別見表12和13。

由此可以看出，該帶加強(qiáng)環(huán)的Ω型波紋管輕量化設(shè)計(jì)后的質(zhì)量是優(yōu)化前質(zhì)量的81.1%，優(yōu)化效果較好。同時(shí)，常規(guī)設(shè)計(jì)計(jì)算與有限元分析所得的應(yīng)力值差距

較大，有限元分析計(jì)算得到的壓力引起的

波紋管周向薄膜應(yīng)力σ2是常規(guī)設(shè)計(jì)所得值的2倍多，其余應(yīng)力和性能參數(shù)值相差較小，且都小于許用值。分析σ2的常規(guī)設(shè)計(jì)計(jì)算見式（1）和（2）。[9]波紋管大圓弧被假設(shè)為一個(gè)圓環(huán)薄殼，見圖12。[8]

實(shí)際的波紋管是由一大一小2個(gè)開口圓弧組成的，有限元分析壓力引起的波紋管周向薄膜應(yīng)力云圖見圖13。由此可知，由壓力引起的波紋管周向最大應(yīng)力并非出現(xiàn)在大圓弧上，而是在大、小圓弧的過渡處，且越接近波峰應(yīng)力越小，在大圓弧波峰處周向設(shè)計(jì)溫度下彈性模量Eb，t（MPa）1.95×105 室溫下彈性模量Eb，20（MPa）1.95×10.5 設(shè)計(jì)溫度下許用應(yīng)力[σ]b，t（MPa）138設(shè)計(jì)溫度下材料屈服應(yīng)力σs，t（MPa）180密度/（kg/m3）7 930膨脹節(jié)縱向焊接接頭因數(shù)Cwb1薄膜應(yīng)力最小。提取波峰處應(yīng)力線性化后的波紋管周向薄膜應(yīng)力，內(nèi)層σ2=31.47 MPa，外層σ2=28.08 MPa，與常規(guī)設(shè)計(jì)結(jié)果較接近。

3 結(jié) 論

研發(fā)一款應(yīng)用于無加強(qiáng)U型波紋管和帶加強(qiáng)環(huán)Ω型波紋管的設(shè)計(jì)軟件，該軟件可實(shí)現(xiàn)波紋管的常規(guī)設(shè)計(jì)、有限元分析和輕量化設(shè)計(jì)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）設(shè)計(jì)人員只需輸入波紋管的設(shè)計(jì)條件、初始結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料參數(shù)，軟件可自動(dòng)讀取修正因數(shù)并進(jìn)行校核，若校核不通過，設(shè)計(jì)人員可僅改動(dòng)某些參數(shù)即再次進(jìn)行核算。該軟件大大提高設(shè)計(jì)效率，降低設(shè)計(jì)人員的工作負(fù)荷。

（2）該軟件不要求設(shè)計(jì)人員掌握有限元分析知識(shí)和ANSYS軟件操作技能，只需要簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)輸入即可完成波紋管有限元分析和性能參數(shù)計(jì)算。

（3）在滿足波紋管操作工況和許用應(yīng)力的條件下，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備質(zhì)量最輕。通過分析實(shí)例可看出，波紋管設(shè)計(jì)軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊的優(yōu)化效果較好，可提高設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性。

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（編輯 付宇靚）