基于VB和ANSYS的波纹管设计软件开发
作者：李慧芳　叶梦思　钱才富
来源：《计算机辅助工程》2018年第04期
        摘要： 为精确设计波纹管，使其适应复杂的运营条件，利用VB语言，结合有限元分析软件ANSYS，研发一款应用于无加强U型波纹管及带加强环Ω型波纹管的设计软件。该软件具有波纹管常规设计、有限元分析和轻量化设计等功能，可提高设计效率，降低设计人员的工作负荷，保证波纹管的安全性和经济性。
        关键词：波纹管； 优化； 轻量化； 有限元
        中图分类号： TH703.2； TP311.52
        文献标志码： 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 devel
oped. 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，随着计算机技术的快速发展，各种语言编写的工程设计软件不断涌现。这些软件可以大大提高设计效率和精度。同时，将编程软件与工程分析设计软件（如ANSYS、CAD和Creo等）结合，可实现对设备的快速数值模拟，达到优化设计的目的。赵禹丞[1]研发波纹管膨胀节软件，运用VB语言，实现无加强U型、加强U型和加强Ω型波纹管应力、疲劳寿命、失稳压力校核及刚度计算的自动化。张文[2]研发的金属波纹管膨胀节计算机辅助软件包括设计计算模块、焊接工艺模块、成本核算模块、设计说明书模块、绘图模块和数据库管理模块，能够实现波纹管设计、校核、制造成本核算和图纸输出等功能。沈玉堂等[3]针对波纹管材料非线性和几何非线性特性，编写有限元程序分析其应力和应变，并开发出一套基于Visual C++6.0和Fortran PowerStation 4.0的波纹管有限元分析软件，可大大提高波纹管有限
元分析的效率。
        KIM等[4]利用AutoCAD的AutoLISP语言开发3种焊接金属波纹管计算机辅助设计软件，该软件通过操作者输入的内外径、厚度和波峰高度等参数快速准确地得到波纹管形状，并利用ANSYS Workbench得到波纹管应力分布。方京哲[5]在AutoCAD环境下开发出3种S型金属波纹管的自动化设计软件，可实现波纹管二维、三维绘图和尺寸自动标注。孙爱芳等[6]以波高h、单层名义厚度t、层数m和波数n作为设计变量，以满足强度、稳定性和疲劳寿命条件下的总体刚度和质量最小为目标函数，利用ANSYS对U型波纹管结构进行优化设计，获得较好的优化效果。CHUGUNOV等[7]以Visual Studio C++为开发环境，在SolidWorks 平台上开发波纹管优化设计软件，该软件根据波纹管结构类型建立数据库，可在操作者输入的结构数据基础上，自动建立波纹管三维模型；同时，编写外接程序，采用面向对象的方法连接SolidWorks，实现波纹管的优化设计。
        本文研发一款集波纹管常规设计、有限元分析设计和有限元轻量化设计功能为一体的波纹管设计软件。该软件的优势在于无须多次试算，不要求设计者具有很好的有限元分析知识和ANSYS操作技能，即可进行波纹管有限元分析和优化设计。
        1 波纹管设计软件功能和设计原理
        1.1 波纹管设计软件功能
        波纹管设计软件分为波纹管常规设计校核、有限元分析和优化设计3个模块，波纹管设计软件功能和操作流程见图1，波纹管设计软件菜单见图2。
        打开软件，进入“菜单”页，新建文件之后，即可进行参数输入，参数输入界面见图3（只展示带加强环Ω型波纹管软件操作界面和分析过程）。在完成波纹管设计条件、几何参数和材料参数设定后，点击“计算”按钮，即可进行波纹管修正因数计算或读取。本软件将GB/T 12777—2008标准中的表A.2～4数值记录在Excel中，并将该表保存在软件的安装路径下。软件通过访问Excel中的表格可读出修正因数，修正因数读取流程见图4。
        将每张表视为一个矩阵U，i为矩阵的行数，j为矩阵的列数。完成修正因数读取后，即可进行设计、校核模块的选择：若进行常规设计，点击“计算”下的“常规设计计算”即可；若进行有限元分析或优化设计，则需先设置ANSYS计算文件的保存路径和ANSYS加载。完成设计计算后，点击“结果”下的相应选项，即可弹出校核结果，见图5。若已完成优化设计，则点击
“查看优化后结构参数按钮”即可进入优化结果界面，见图6。常规设计模块主要依据GB/T 12777—2008和GB 16749—1997标准中的公式进行设计校核。
        1.2 有限元分析模块设计原理
        结构或设备的有限元分析过程包括几何模型建立、网格模型建立、边界条件加载、求解和结果提取等步骤。由于圆形波纹管结构和载荷都关于中心轴对称，因此采用8节点二维轴对称PLANE183单元对波纹管进行有限元分析，波纹管单波网格模型见图7。波纹管的层与层之间以及外层与加强环间建立无摩擦接触，波纹管单波接触单元见图8。分别计算在压力载荷工况和位移载荷工况下的应力值并进行校核。内压工况载荷和位移工况载荷示意分别见图9和10。在内压载荷工况下，波纹管内施加压力，两端施加轴向约束；在位移载荷工况下，波纹管一端施加轴向约束，另一端施加位移载荷。求解完成后，对波纹管进行应力线性化处理，读取每条路径上的应力值并写入矩阵中，将最大值以“txt”文件形式输出，以便软件读取。由于设计者不与ANSYS进行交互操作，因此在软件的开发过程中需要运用APDL语言将上述步骤进行参数化。
        1.3 优化设计模块设计原理
        ANSYS优化设计主要分为3个步骤：
        （1） 分析文件的生成。该分析文件应该包含1个完整的有限元分析过程，即包括材料定义、有限元模型建立、边界条件加载、求解和结果提取步骤。该文件应该保存为ANSYS可以读取的“LGW”或者“LOG”文件，以便于执行优化步骤时读取。
        （2） 优化变量声明。波纹管设计软件的轻量化设计模块以波纹管的质量为目标函数，以波纹管在各工况下的许用应力、设计疲劳寿命、临界失稳压力为状态变量，以波纹管波形参数为设计变量，对波纹管进行轻量化设计。
        （3） 选取优化方法并进行优化计算。该软件选用子问题逼近法进行优化计算，使用所有的状态变量和目标函数逼近公差，是用途较为广泛的优化方法。将优化结果写入矩阵中，并以“txt”文件格式输出。
        优化数据流向见图11。由步骤（1）生成的分析文件自动生成循环文件，并在优化过程中不断循环迭代，优化数据库记录每一次迭代后的结果，并不断生成新的优化数据文件，最后输出优化结果。[7]
        2 波纹管设计软件应用实例
        分析软件计算结果可知，优化后波纹管质量较优化前显著减小，说明运用有限元法对波纹管进行轻量化设计具有较好的应用前景。
        2.1 无加强U型波纹管设计实例
        无加强U型波纹管示意见图12。U型波纹管设计条件几何参数和材料参数分别见表1～3，相关计算因数见表4，校核结果见表5，优化后的结构参数见表6。由此可知，无加强U型波纹管常规设计所得应力与有限元计算结果间误差较小，且都小于许用应力。波纹管优化后质量是优化前质量的65.7%，轻量化效果较好。
        2.2 带加强环Ω型波纹管设计实例
        带加强环Ω型波纹管示意见图13。Ω型波纹管设计条件、几何参数和材料参数分别见表7～9，加强环材料参数见表10，相关计算因数见表11，校核结果和优化后结构参数分别见表12和13。
        由此可以看出，该带加强环的Ω型波纹管轻量化设计后的质量是优化前质量的81.1%，优化效果较好。同时，常规设计计算与有限元分析所得的应力值差距
        较大，有限元分析计算得到的压力引起的
        波纹管周向薄膜应力σ2是常规设计所得值的2倍多，其余应力和性能参数值相差较小，且都小于许用值。分析σ2的常规设计计算见式（1）和（2）。[9]波纹管大圆弧被假设为一个圆环薄壳，见图12。[8]
        实际的波纹管是由一大一小2个开口圆弧组成的，有限元分析压力引起的波纹管周向薄膜应力云图见图13。由此可知，由压力引起的波纹管周向最大应力并非出现在大圆弧上，而是在大、小圆弧的过渡处，且越接近波峰应力越小，在大圆弧波峰处周向设计温度下弹性模量Eb，t（MPa）1.95×105 室温下弹性模量Eb，vb软件开发20（MPa）1.95×10.5 设计温度下许用应力[σ]b，t（MPa）138设计温度下材料屈服应力σs，t（MPa）180密度/（kg/m3）7 930膨胀节纵向焊接接头因数Cwb1薄膜应力最小。提取波峰处应力线性化后的波纹管周向薄膜应力，内层σ2=31.47 MPa，外层σ2=28.08 MPa，与常规设计结果较接近。
        3 结 论
        研发一款应用于无加强U型波纹管和带加强环Ω型波纹管的设计软件，该软件可实现波纹管的常规设计、有限元分析和轻量化设计，具有以下优点：
        （1）设计人员只需输入波纹管的设计条件、初始结构参数和材料参数，软件可自动读取修正因数并进行校核，若校核不通过，设计人员可仅改动某些参数即再次进行核算。该软件大大提高设计效率，降低设计人员的工作负荷。
        （2）该软件不要求设计人员掌握有限元分析知识和ANSYS软件操作技能，只需要简单数据输入即可完成波纹管有限元分析和性能参数计算。
        （3）在满足波纹管操作工况和许用应力的条件下，可实现设备质量最轻。通过分析实例可看出，波纹管设计软件优化设计模块的优化效果较好，可提高设备的经济性。