基于VS和ANSYS的水声换能器分析系统设计

文/李涛 胡宝霞 刘卫鹏 田杜养

水声换能器作为水下声信号的发射和接收设备，依然是水下最有效的信息处理装备，它被广泛应用于海洋军事与探测领域。水声换能器的研究与制作，涉及材料、电子、结构、机械等领域，是一门综合性很强的学科。目前，水声换能器的分析方法包括等效网络法和有限元法两种，其中等效网络法要求建立换能器的等效网络模型并求解各个参数，这对于理论深度不够的研究人员来讲存在较大的难度；此外有限元法也要求研究人员具备扎实的力学知识、有限元理论以及工程经验等，且该技术的掌握周期长、难度大。

针对以上问题，本文将VS和ANSYS的APDL结合起来，对ANSYS进行二次开发，利用前者友好交互界面和后者参数化设计的特点，设计出一种用于换能器分析的分析系统。该系统将技术含量较高的有限元法封装起来，换能器工作者只需通过交互界面输入相关参数，剩下的分析将自行完成，扫除了有限元法的应用限制，给工程实际应用带来了极大的便利。

1 基本原理

图1：ANSYS分析换能器流程图

图2：数据匹配仿真软件系统组成示意图

1.1 ANSYS分析换能器的方法

应用ANSYS进行水声换能器的分析，主要涉及到压电和流固两种耦合场分析，其中流固耦合主要针对“水声”问题。可应用于水声换能器的ANSYS分析类型主要包括：

（1）用于分析预应力螺栓引起的换能器应力分布，以及结构或壳体的静水压力问题静态分析；

（2）用于换能器（可包含预应力状态）的谐振频率和振型分析的模态分析；

（3）用于获得换能器在感兴趣频段内的各种响应曲线，包括导纳特性、发射特性等的模态分析。

对于一个换能器问题，通常需要建立两种不同的有限元模型，一种是单纯的换能器模型，即仅包含压电分析而不含流固分析，这种模型用于模拟在空气中的换能器，一般需进行静态分析、模态分析和谐响应分析三个过程，可获得的数据结果包括应力分布、谐振情况、振型特点及换能器在空气中的各种响应曲线等；另一种有限元模型则包含流体(一般为无限边界)，此时除压电耦合外还包括流固耦合，这种模型可分析置于自由场(指无限边界流体)中的换能器特性，一般也需要完成静态、模态及谐响应分析三个过程。利用ANSYS分析换能器的流程如图1所示。

1.2 分析系统设计

系统以读取或输入换能器相关参数为前提，利用ANSYS建立纵振型换能器的有限元3D模型，通过对模型的计算，获得换能器性能的相关参数。系统具备友好的人机交互界面，主要由“参数设置”、“求解设置”、“结果显示”等三大功能模块组成（如图2所示），各功能模块的主要功能如下：

参数设置模块：该模块从数据库中读取各部件的几何尺寸和材料参数，其参数的设置可以是自动输入也可以人工输入。待参数设置完毕后，该模块根据相应的参数设置，调用有限元程序完成换能器的3D实体建模和网格划分。

求解设置模块：该模块自动加载换能器的工作条件，经选定求解环境后（空气中、水中），可进行模态分析（振型、谐振频率计算），据此确定分析的频率范围并进行谐响应分析（导纳计算、发射电压响应计算）。

结果显示模块：该模块主要以曲线、动画等形式显示换能器的分析结果，并存入数据库，以数据表格的形式显示多次设计的结果，以供换能器设计者对数据进行评价和筛选。

2 ANSYS的二次开发

2.1 VS与ANSYS的接口

实际应用中，Visual Studio调用的是ANSYS的APDL宏文件，具体实现的关键技术是VS如何调用ANSYS的APDL宏文件。本软件将多个换能器的各种分析一次性进行完毕，无需人为进行较为繁琐的操作，在程序设计方面考虑将两软件的接口设计为子函数形式，后台每进行一次分析调用即可，减少无意义的代码量。子函数部分代码如下所示：

此全局函数需要两个输入参数，一个是APDL文件所在的文件夹，一个是APDL文件的文件名。通过读取该APDL文件获得换能器的参数和分析指令，接下来后台调用ANSYS软件进行指令执行，执行结束后可以得到ANSYS软件生成的各类结果文件。此全局函数中包括了ANSYS的exe文件所在路径，路径发生更改时需要及时对其更改，否则将无法调用ANSYS软件进行分析。

图3：Excel数据形式

图4：水声换能器分析系统主界面

2.2 ANSYS宏的封装

利用VS软件对ANSYS软件进行后台时需要读写APDL语言进行操作，因此将APDL宏封装在VS软件可读的文件中是很有必要的，以下是VS语言对APDL宏的封装过程。

根据现有的分析类别新建一个txt类型的文件用于存储APDL宏。ANSYS分析软件在对换能器进行分析时，首先需要将换能器参数输入，接下来需要进行一系列的操作才可以得到分析结果。与此相对应，将APDL语言分为数据部分和指令部分两大模块，这两个模块都需要存储在APDL宏文件中。在进行相应的分析类型时，分别将换能器的各个参数与对应的变量名相对应，并写入APDL宏文件数据部分和指令部分两大模块中去。部分代码如下：

2.3 数据交互

系统将Excel软件与ANSYS软件建立起数据交互联系，以便于数据的导入与导出。VS调用ANSYS软件时，可以通过Excel表格批量导入换能器各部件的材料参数，ANSYS分析运行结束后会生成相对应的结果文件，系统以Excel表格的形式将结果输出，以便分析和提取有用的数据。数据形式如图3所示。

图5：系统数据导入截图

3 分析系统的实现

基于VS调用ANSYS进行二次开发的思想，设计了水声换能器分析系统，其界面如图4所示。界面主要由数据导入区域、分析类型区域、参数设定区域、结果显示区域及相关控件构成。其中数据导入区域可选择数据输入的形式；分析类型区域可选择是单个换能器分析还是批量换能器分析；分析参数设定区域用于设定分析过程中所需的参数；结果显示区域用于选择所需显示的结果类型。

这里，以2个前辐射头（编号1、2），1种压电片（编号1），1个预应力螺杆（编号1）和1个后质量块（编号1）为例，利用所开发的系统进行分析。在分析系统界面中，点击“自动导入”按钮，选择相应的数据库文件，将数据库中数据导入软件，如图5所示。

选择“组合分析”按钮，并设置分析参数为：模态阶数20、分析频率范围为11000Hz—20000Hz，如图4所示。点击“开始分析”按钮，软件调用ANSYS进行后台分析，分析结束后，软件将提示分析结束。在“结果显示”区域，输入换能器序号和振形阶数，点击“振形图”等，结果如图6所示。点击“数据导出”按钮，软件将自动跳转至工作目录，选择需要导出的excel工作文件，并点击保存。保存成功后，软件将进行相应的提示，在工作目录中，方可查找导出的计算结果。

图6：“振形图”结果显示

4 结束语

本文通过VS对ANSYS的调用，ANSYS宏的封装及数据接口等技术的研究，实现了ANSYS的二次开发，设计了一种适用于水声换能器分析的分析系统。该系统具有界面友好简单、利于操作等特点，能够对水声换能器的性能进行仿真分析，并对换能器性能的分析结果进行了可视化显示，为水声换能器的分析和设计提供了便利和技术支持。