面向相变材料温度场模拟的ANSYS二次开发

程晓敏，蒋立靖

(武汉理工大学材料科学与工程学院，湖北 武汉 430070)

随着全球工业的快速发展，能源的需求量不断增加，能源短缺问题越来越为人们所重视。太阳能以其无限再生、清洁无污染、方便的特点，成为现代生活中应用最普遍的一种新能源，但其利用受到地理、昼夜和季节等规律性变化的影响，以及阴晴云雨等随机因素的制约。为了保持供热装置稳定不间断地运行，热能的储存技术日益引起人们的关注。利用相变储热材料进行能量储存是一项新型环保节能技术。相变储热系统是太阳能热利用中最重要的单元设备[1]。

对于相变储热系统，一方面要设计相变储热装置，另一方面要研究新型相变材料。如果利用实验和经验来研究不同相变材料的传热性能和储热室的传热效率，需要花费大量的时间和精力，并且不能完整地预测温度场的分布情况。笔者利用ANSYS软件[2]的二次开发功能，以VB为工具，运用APDL语言，这对ANSYS进行二次开发，建立相变储热系统的分析系统，这对储热装置的设计和材料的选择具有重要的指导意义。

1 ANSYS二次开发技术

APDL是一种解释性语言，具有一般程序语言的功能，如参数、宏、缩写、标量、向量及矩阵运算、重复执行命令、用户程序以及访问ANSYS有限元数据库等，另外还提供简单界面定制功能，可实现参数交互输入、消息机制、界面驱动和运行应用程序等[3]。

APDL语言主要是将ANSYS软件从建模、加载分析到求解的全过程参数化，并生成参数化语言，将这些参数语言写入ANSYS软件可以辨认的宏文件，实现ANSYS的自动分析求解。在参数化分析过程中可以简单地修改其中的参数，从而反复分析各种尺寸、不同载荷大小的多种设计方案或者序列性产品，提高分析效率[4]。

虽然ANSYS软件带有参数化程序设计语言，但完全用APDL编写宏的方法也存在以下不足:APDL语言较难控制程序的进程;利用APDL虽然能够进行简单的界面设计，但其功能不够强大，交互性差[5]。因此，有必要利用Visual Basic对ANSYS进行二次开发。

Visual Basic是在BASIC语言基础上发展起来的，它提供的可视化设计平台将Windows界面设计的复杂性“封装”起来，开发人员不必为界面的设计而编写大量的程序代码，只需按设计的要求，用系统提供的工具在屏幕上画出各种对象即可[6]。借助Visual Basic前台开发友好、方便、易用的人机交互界面，对复杂、难于理解和掌握的ANSYS命令流进行后台封装，用户只需在前台界面的引导下输入尺寸、材料性能和载荷参数，即可调用后台的ANSYS命令进行计算，分析计算后把计算结果返回给用户，进行后处理。系统具有较强的实际问题处理能力，即使从未深入学习过ANSYS软件的工程设计人员也能较好地进行有限元分析。

2 用户界面开发

图1是利用VB对ANSYS进行二次开发的工作流程图。用户输入基本参数和载荷参数，即可调用后台ANSYS命令流，ANSYS会自动启动，完成建模、加载和求解一系列过程，最后ANSYS把保存的求解结果返回给用户，用户可查询最后的计算结果，再对其进行后处理和结果分析[7]。

图1 系统工作流程图

在Visual Basic 6.0集成开发环境中，生成一个普通工程，建立8个窗体:系统主界面form1、基本参数设置界面form2(如图2(a))、模型预览图form3、加载计算界面 form4(如图2(b))、结果查询界面form5(如图2(c))、温度场分布图form6、时间历程图form7和路径映射图form8。

图2 基本参数设置、加载计算和结果查询界面图

3 程序设计

将Visual Basic集成开发环境开发的ANSYS软件程序调用的方法封装在控件command的click事件中，并生成用APDL语言编写的宏文件，提交ANSYS软件程序进行批处理操作。

3.1 ANSYS宏文件创建

在VB中建立ANSYS的命令流文件，并写入相应的APDL语句，在界面中点击控件command时，系统会自动读入命令流文件，并自动调用ANSYS计算出用户需要的结果，这就是利用VB对ANSYS进行二次开发的基本原理[8]。使用以下VB程序代码来生成命令流。

Open App.Path＆" hermal.txt"For Output As#1

//在App.path文件夹下新建thermal.txt，并将APDL命令写入thermal.txt

求解计算结束后，在 form3、form6、form7和form8窗口中添加image控件，在Private Sub Form_Load(){…}中添加以下代码:

Image1.Picture=LoadPicture(App.Path＆" hermal00X.jpg")

//调用结果显示图(X=0，1，2，3)

系统会自动将模型预览图、温度分布图、时间历程图和路径映射图分别命名为thermal000，thermal001，thermal002，thermal003，以 jpg 格式保存。

3.2 ANSYS宏文件调用

所有的ANSYS命令流编写完成后，就用VB将ANSYS作为子程序调用。ANSYS提供的批处理运行模式可以使ANSYS在后台运行，使其自动调用已保存好的宏文件，将运行结果输出到OUT文件并保存到相应的磁盘中，再将计算结果返回给VB的输出界面，这就是所谓的封装[9]。封装有很多方法，笔者采用 SHELL[10]函数，调用程序的代码如下:

其中:“ansys100.exe”中的100为 ANSYS的版本代号;ANE3FL为产品特征代码;-dir F:study-j exercise为ANSYS启动时默认的磁盘及文件名;-b为ANSYS的批处理模式;-i F:study hermal.txt为存放输入命令流文件的磁盘名及文件名;-o F:study hermal.out为存放输出结果的磁盘名及文件名。

4 应用实例

为了检验该功能模块的应用效果，可通过一个实例应用来示范。以镁合金相变材料的传热为例，利用该系统对相变储热材料的温度场进行模拟[11]。由于高温相变储热材料在相变温度下会发生相变，使得相变后合金形状不稳定，并且在高温下遇空气容易被氧化，因此需要对其进行封装。模拟装置是一个套管结构，采用钢管材质(Cr25Ni20)对储热材料进行封装。设定套管外管直径为54 mm，内管直径为42 mm，管长度为0.1 m。由于长径比远远大于1，可以认为该装置的传导方向为沿径向和轴向，在建立模型时将问题简化为二维模型[12]。套管外利用空气介质传热给镁合金相变材料，设定空气的入口温度为500℃，对流传热系数为7 W/(m2·K)，材料的初始温度为400℃。温度为400℃的镁合金相变材料导热系数为105 W/(m·K)，比热为962.8 J/(kg·K)。

进入查询结果的界面form5，在“时间设置”中输入时间，点击查看温度分布图时，最终结果将返回到界面form6用image1控件进行显示，如图3所示。

图3 温度分布界面图

返回界面form5，在“时间历程设置”中输入中心节点的坐标值，点击查看时间历程图时，结果用界面form7中的image1进行显示，如图4所示。

图4 中心点时间历程界面图

返回界面form5，在“路径映射设置”中输入两个径向坐标值，点击路径映射图时，结果用界面form8中的image1控件进行显示，如图5所示。

图5 X轴上节点路径映射界面图

其中，图3表示经过一段时间后内管相变材料和外管不锈钢的温度分布情况，图4表示中心节点的温度随时间的变化曲线，图5表示经过一段时间后X轴上节点温度随距离的变化曲线。

5 结论

(1)高温相变储热系统模拟功能模块提供了友好、直观的前台窗口化界面，在VB前台界面通过输入各种不同的参数，就能实现ANSYS后台自动模拟的功能，避免了ANSYS既费时又繁琐的建模求解等操作过程，较大地提高了工作效率。

(2)利用VB开发的相应热分析功能模块，具有较强处理实际问题的能力，研究者可以直接利用其进行温度场的模拟，过程简单、快捷，降低了研究的难度。

(3)从ANSYS模拟的温度分布图可以看出，经过一段时间后，封装在套管内的镁合金温度分布均匀，而钢管的温度呈梯度分布，表明镁合金相变材料的传热速度快，作为储热介质具有良好的应用前景。

[1] 侯欣宾，崔海亭.高温相变蓄热在空间太阳能热动力发电系统的应用[J].河北科技大学学报，2001，22(2):1-7.

[2] ANSYS Inc.ANSYS thermal analysis guide release 5.4[M].[S.l.]:SAP.IP Inc，1997:43-105.

[3] 博弈工作室.APDL参数化有限元分析技术及应用实例[M].北京:中国水利水电出版社，2004:76-143.

[4] 陈珂，张茂.基于ANSYS的参数化设计与分析方法[J].机械工程师，2007(1):82-83.

[5] ANSYS Inc.The APDL programmer's guide[M].[S.l.]:[s.n.]，1994:34-79.

[6] 谈冉.Visual Basic程序设计教程[M].武汉:武汉理工大学出版社，2006:65-142.

[7] 王庆五，左昉，胡仁喜.ANSYS10.0机械设计高级应用实例[M].北京:机械工业出版社，2006:87-165.

[8] 邱向荣，陈炽坤.基于VB的ANSYS二次开发在起重机设计中的应用[J].起重运输机械，2007(5):41-43.

[9] SHAO J，XIANG Z F，WANG P.Secondary development technology of ANSYS based on VB[J].Journal of Chongqing Vocational＆ Technical Institute，2006(2):144-145.

[10] 张明华，刘强，袁松梅.基于ANSYS二次开发的机床主轴单元分析系统[J].机床与液压，2008，36(2):11-13.

[11] 程晓敏，梅丽君，吴兴文，等.基于ANSYS的储热室隔热性能数值模拟[J].武汉理工大学学报:信息与管理工程版，2010，32(4):519-521.

[12] BELLECCI C，CONTI M.Phase change thermal storage:transient behaviour analysis of a solar receiver/storage module using the enthalpy method[J].Int J Heat Mass Transfer，1993，36(8):2157-2163.