在ANSYS中实现螺杆式搅拌器的参数化建模

付 磊，李 良，郑明训

（四川理工学院机械工程学院，四川自贡643000）

搅拌操作是化工反应过程的重要环节，其原理涉及流体力学、传热、传质及化学反应等多种过程。搅拌器是搅拌单元设备的关键部件，是反应釜的核心，它直接影响着搅拌单元设备的传质、传热能力，从而影响着化学反应过程及产品质量[1]。常用的搅拌器有推进式、涡轮式、框式、螺杆式、螺带式等。其中螺杆式搅拌器的搅拌性能好，效率高，能耗低，在搅拌反应釜中广泛应用。

ANSYS有限元分析程序是著名的CAE供应商美国ANSYS公司的产品，主要用于结构、热、流体和电磁四大物理场独立或耦合分析的CAE工具[2]。ANSYS有限元分析包括前处理、求解和后处理三个基本过程。前处理主要进行单元选用、材料定义、创建CAD模型和划分网格，最终得到一个完整的有限元模型。

螺杆式搅拌器的叶片是螺旋结构，螺旋结构如弹簧、螺纹等在工程中应用广泛，借助ANSYS对其进行分析，具有重要的现实意义。几何模型的建立，是进行有限元分析的基础，对于有些特殊的螺旋实体模型，在ANSYS中不能直接利用已有的命令直接生成[3]。本文尝试利用ANSYS提供的二次开发工具，实现螺杆式搅拌器的参数化建模，为此类结构的建模提供一种通用有效的方法。

1 ANSYS二次开发工具

有限元软件ANSYS具有良好的开放性，可以根据需要二次开发，进行功能扩充和系统集成，生成具有专业特点的用户子系统。其主要的二次开发工具有3个：

（1）UIDL是ANSYS提供的一种图形界面设计语言，用于在系统主菜单上添加用户菜单项、用户对话框等，实现参数输入，为程序设计友好的用户界面，并能对底层的程序代码进行封装，使用户不必了解程序的实现过程，也能方便地使用该程序。

（2）APDL是ANSYS参数设计语言，是一种类似FORTRAN的解释性语言，具有变量、数组、函数、循环、分支、判断等编程要素，用于把ANSYS用户操作过程以命令方式组织起来，形成用户宏程序[4]。利用它能实现有限元模型的参数化建模、加载、求解和后处理，提高分析过程的自动化和程序代码的重用性。

（3）UPFS（User Programmable Features）。是 ANSYS 提供的连接用户应用程序的工具，利用它所提供的l0个FORTRAN接口程序，通过把用户应用程序作为接口程序的子程序或函数，就可以将用户应用程序连接到ANSYS中。连接后的用户应用程序，可以读取ANSYS数据库信息，并调用其内部子程序。

2 实体模型的建立

实体模型的建立，是进行有限元分析的基础。在ANSYS中建模有两种方式：

第一种是通过交互方式，用户的指令可以通过鼠标点击菜单项选取和执行，也可以在命令输入窗口通过键盘输入，这种建模方式方便、直观，随时可以查看结果，但是使用者必须熟悉该软件；

第二种是用ANSYS的APDL语言在记事本中直接输入命令行，然后存到一个批处理文件中，在以后进行同样工作时，由ANSYS自动读人并执行，在进行某些重复性较高的工作和进行参数化建模时，能有效地提高工作速度。

本文采用第二种建模方式。此外，ANSYS还提供了较为灵活的图形接口及数据接口，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Proe、UG等。但是通过接口引入的图形可能要发生一些变化，需要先修正几何模型，特别是复杂大型结构更易出现模型信息丢失的现象，而且当输入的模型如果不适于网格划分时，则需要大量的修补工作。

对于有些特殊的几何实体模型（比如渐开线齿轮、螺旋弹簧等实体模型的建立等），本文中的螺杆式搅拌器模型在ANSYS中不能直接利用已有的命令直接生成。若能熟练地使用APDL语言，利用相应的数学表达式，设计相应实体的生成程序，便能自动完成建模或实现某些功能，会使分析更为简单有效。

3 螺杆搅拌器的参数化建模

3.1 建模原理

将模型的主要几何特征参数化，这是参数化建模的关键。螺杆式搅拌器的螺旋叶片，主要特征是螺旋内径、螺旋外径、螺距；螺杆搅拌器实体参数化建模的关键，是要生成一条符合螺杆搅拌器螺旋叶片参数要求的螺旋线，ANSYS中没有提供生成螺旋线的命令。本文根据螺旋叶片螺旋线的参数方程，利用APDL语言编程来建立螺旋线，先建立关键点，连接关键点生成螺旋线，用LGEN命令按螺旋叶片厚度复制螺旋线，连接线的端面点，用AL命令由线生成螺旋面，再用VA命令由面生成一圈螺旋体，根据螺旋叶片圈数用VGEN命令复制体生成螺旋叶片体[5]，然后建立搅拌轴实体，最后用VADD命令合并生成的所有实体。并且通过定制ANSYS图形用户界面

（GUI），实现多参数的对话框输入。

3.2 程序设计及说明

3.2.1 主要参数：

arg1——搅拌轴外径；

arg2——螺旋叶片外径；

arg3——螺旋叶片厚度；

arg4——螺旋叶片螺距；

arg5——螺旋叶片圈数；

arg6——螺旋高度；

arg7——循环度数；

arg8——搅拌器偏心距；

arg9——搅拌器的安装距离；

arg10——搅拌器轴向安装；

theta——中间变量；

zz——中间变量。

3.2.2 初始化ANSYS环境

FINISH

/CLEAR

/BATCH

/FILNAME,Blender

/TITLE,The Process of creating the blender parametric modeling

3.2.3 定义几何尺寸参数

通过多参数输入对话框进行赋值。

MULTIPRO,’start’,9

*cset,1,3,arg1,’Valid Turns Number of the Blender(mm):’,110(搅拌轴外径)

*cset,4,6,arg2,’Valid Turns Number of the Blender(mm):’,600(螺旋叶片外径)

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

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

*cset,13,15,arg5,’Valid Turns Number of the Blender(mm):’,4(螺旋叶片圈数)

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

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

*cset,22,24,arg9,’Valid Turns Number of the Blender(mm):’,100(搅拌器安装距离)

*cset,25,27,arg10,’Valid Turns Number of the Blender():’,60(搅拌器轴向安装角)

MULTIPRO,’end’

*IF,BUTTON,EQ,1,THEN

/EOF

*ENDIF

3.2.4 螺杆式搅拌器建模

/units,si !单位制的设置

*AFUN,deg !角度单位的设置为度

arg6=arg5*arg4+arg3/(45)

theta=0

zz=0

/VIEW,1,0.7,-0.5,-0.5 !转换视角

/ANG,1,-65

csys,0 !激活笛卡尔坐标系

WPAVE,arg8,,arg9 !移动工作面

wpro,,,arg10 !工作平面绕Y轴旋转60°

CSWPLA,101,1 !工作平面处建立局坐标系（柱坐标系）

（1）创建螺旋线上的关键点。

*get,N_kp,kp,0,num,max!查询当前已有实体关键点的最大编号返回给N_kp

N_kp=N_kp+1

NUMSTR,kp,N_kp !当前所建实体模型关键点从KP_N+1开始编号

*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）创建螺旋线。

*get,N_LINE,LINE,0,num,max!查询当前已有实体线的最大编号返回给N_LINE

N_LINE=N_LINE+1

NUMSTR,LINE,N_LINE !当前所建实体模型线从N_LINE+1开始编号

*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）合并曲线。

*DO,i,1,7,1

LCOMB,N_LINE,N_LINE+i

LCOMB,N_LINE+8,N_LINE+i+8

*ENDDO

NUMCMP,LINE !压缩线编号

*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!复制曲线

（4）连接关键点生成面。

L,N_kp,N_kp+1 !连接端面1的4个关键点

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 !连接端面2的4个关键点

L,N_kp+5,N_kp+18

L,N_kp+18,N_kp+17

L,N_kp+17,N_kp+3

（5）将坐标系转换成直角坐标系。

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个面

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）创建螺杆搅拌器实体。

*get,N_volu,VOLU,0,NUM,MAX !当前体的最大编号返回给N_volu

NUMSTR,VOLU,N_volu+1 !体的编号从N_volu+1开始

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

N_AREA+5,N_AREA+6!由面生成一个螺旋体

VGEN,arg5,N_volu+1,,,,,arg4,0,1,0 !复制生成4个螺旋

CYL4,0,0,arg1/2,,,,arg6 !生成搅拌轴

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

VADD,ALL !合并体

3.3 程序的运行

把上述建立螺旋式搅拌器的程序代码，存入一宏文件中，命名为BlenderMacro.mac，以方便建立螺旋式搅拌器模型时调用，或者也可以以文本文件的格式保存，并通过菜单形式加载，点击“File>Read Input from”，将会弹出一个加载文件对话框，选择文本文件（本文定义为Blender.txt）后单击OK，出现多参数输入对话框，通过多参数输入对话框进行赋值，即可生成相对应的螺杆式搅拌器实体模型。

4 结束语

本文利用APDL语言的参数化建模技术，成功实现了螺杆式搅拌器的参数化建模，提高了此类模型的建模效率。实践证明，用APDL参数化设计语言并借助UIDL界面设计语言，能方便地定制用户自己的有限元分析程序，实现有限元分析过程的参数化，对工程实践具有重要的指导作用。同时文中给出了参数化建模实现的全部源代码，对同类零件的建模具有一定参考价值。

[1]郑津洋，董其伍，桑芝富.过程设备设计[M].北京：化学工业出版社，2001.

[2]龚曙光.ANSYS工程应用实例解析[M].北京：机械工业出版社，2003.

[3]钟世金，莫江涛，王静文，刘舜尧.基于ANSYS的螺旋结构参数化建模[J].有色设备，2005，(1)：9-11.

[4]博弈创作室.APDL参数化有限元分析技术及其应用实例[M].北京：中国水利水电出版社，2003.

[5]龚曙光，谢桂兰.ANSYS操作命令与参数化编程[M].北京：机械工业出版社，2004.