全缠绕复合气瓶Ansys参数化结构分析

复合材料气瓶逐渐取代钢制气瓶并得到广泛应用。介绍全缠绕复合气瓶的ANSYS参数化设计过程，并使用ANSYS提供的APDL参数设计语言编制复合气瓶及其内衬铝胆的建模和分析程序，借助子VC++开发出友好的可视化用户界面，通过在设计的对话框中修改复合气瓶相应的设计参数而实现系列产品的设计与分析，从而形成复合气瓶专用的有限元分析软件。

复合气瓶通常由金属内衬外缠绕复合材料增强层复合而成，根据复合材料增强结构分为筒身段环向缠绕增强和全缠绕复合材料增强两类。由于复合材料具有比其它工程材料更高的比强度和比刚度，因此复合气瓶可明显提高压力容器的可靠性、安全性、承载能力、使用寿命，减小高压容器的质量。目前复合气瓶已广泛用作航空、航天压力容器、压缩天然气(CNG)汽车气瓶、呼吸气瓶等。

为使复合气瓶的设计和制造能满足实际使用中对强度和寿命的要求，同时解决因复合材料和金属内衬材料在强度性能上差别大，复合材料高强性能否充分发挥的问题，必须对复合气瓶进行弹塑性分析。由于复合材料全缠绕气瓶结构的复杂性，单纯依据理论解析方法很难实现，而采用有限元结构分析方法是目前较可行的解决途径。嵇醒，佟丽莉等已采用该软件对复合气瓶进行结构分析。

然而ANSYS有限元软件大型化和通用化的特点，使其变得庞大而繁杂，一般工程人员要掌握该软件并应用到复合气瓶的设计中存在较大难度，因此根据复合气瓶结构分析的特点，设计出基于ANSYS使工程人员能够容易掌握和操作的复合气瓶专用的二次开发程序，具有一定工程应用价值。

笔者采用VC ++高级语言与ANSYS软件APDL二次开发语言相结合，借助VC++开发出友好的可视化用户界面，使非专业用户轻松对气瓶的结构、材料、载荷等参数进行修改，并直接生成用于ANSYS结构分析的APDL程序;借助VC++对ANSYS进行封装，应用ANSYS软件功能强大的结构分析功能对所要求的复合气瓶进行结构分析并生成有用的文本、图片及动画文件，用于分析结果使用，最后在用户界面内查看和分析有用的结果。本复合气瓶专用设计分析程序，可通过简单的修改复合气瓶的某些参数实现多种设计方案的分析与比较，从而优化设计，或对系列产品进行结构设计与分析。

1设计思路

1.1基于ANSYS的有限元参数化基本思路与步骤

根据具体工程结构的设计特点与分析要求，用参数描述其特征尺寸及其它相关数据，并在建立有限元模型与分析时，以参数表征其过程，从而实现可变结构参数的有限元分析这是一种采用语言描述法进行结构的参数化设计，而后进行有限元分析的方法。实施时具体步骤如下:①根据模型的几何结构、特征形状抽象出描述模型的特征参数，并对模型适当简化。②建立包含实体建模、分析过程、结果处理过程的用ANSYS的命令流文件。③用APDL语言将抽象出的特征参数代替建模中的参数，构成可变参数的有限元分析。④根据设计分析要求，将参数赋于不同的特征值，并进行有限元计算分析，获取结果。前3步工作完成后，在进行结构分析时只需重复第4步就可不断获得新的有限元分析结果。甚至对于不了解有限元的具体分析过程与建模方法的人员使用起来也很方便自如。

1.2 APDL命令流文件的内容

参数化有限元分析的核心内容是编制可变参数的有限元分析命令流文件，应包含以下四项内容:①以变量形式定义特征参数并赋值;②用特征参数表征的实体建模过程描述;③分析类型与分析过程的定义;④分析结果的读取与处理定义。

有限元分析命令流文件可采用ANSYS命令，根据APDL语言的语法要求，使用文本编辑器进行编写时，只需根据分析模型的参数值，对特征参数的数值进行修改即可获得新的分析流程文件。

1.3利用Visual C++实现对ANSYS的封装

Visual C ++6.0是一种面向对象的集成编程环境，可开发出友好图形用户界面。利用VC 实现对ANSYS的封装。其程序设计结构如图1所示。

该程序实现的功能有:①模型各参数通过对话框输人;②根据输入的参数自动形成相应的APDL命令文本;③程序自动调用ANSYS批处理功能并执行该APDL命令文本;④分析结果文件能直接查看。

2 ANSYS参数化结构分析的实现

2.1全缠绕复合气瓶ANSYS有限元建模

根据复合气瓶弹塑性结构分析的特点，选择两种单元，即线性的层合壳单元，he1199和非线性层合壳单元shell9l,ahe1199处理碳纤维/环氧复合材料等缠绕层，ahell9l具有材料非线性处理功能，用来处理铝合金等金属内衬层，利用单元自身具有的节点偏置功能，将两种单元连接起来。选择单元类型命令格式为:

ET,1,SHELL99

ET,2,SHELL91，,1

因气瓶结构材料和载荷具有轴对称特点，所以采用1/2实体建模，以简化有限元模型。

采用自底向上的方法构建复合气瓶的实体模型，即在构造实体模型时，首先定义关键点，再利用这些关键点定义较高级的实体图元(即线、面、体)。通过计算各关键点坐标，先定义各个关键点，再生成气瓶的轮廓线，通过轮廓线绕轴线旋转生成外形曲面。通过映射网格划分工具，在控制网格密度的情况下，对压力容器的几何模型进行网格划分，网格密度参数的控制是参数化设计中重要的控制参数，生成的有限元模型如图2所示。复合材料缠绕层和内衬金属材料的刚度和强度差别较大，因此复合气瓶在内压作用下会出现内衬材料已达屈服极限而复合材料层仍处在低应力水平的现象，为解决该问题，工程上通常采用自紧工艺，即在气瓶固化完成后.在水压试验之前，使气瓶经受一次高于检验压力的自紧压力循环，因此自紧压力是复合气瓶设计中重要的参数。本程序是用幕载荷步施加内压力，具体施加步长如图3所示，第一载荷步为自紧压力，第二载荷步为卸载，第三载荷步为施加到最大设计承载压力，每个载荷步分为10个子步，通过确定子步的数值可确定工作压力和检验压力的计算结果。

对该气瓶在载荷步3施加90MPa的内压，命令如下:

最后利用*DIM定义数组及*vFILL给数组元素赋值获取。

2.2 利用Visual C ++实现对ANSYS的封装

在Visual C++中要启动其它应用程序，有多个函数可使用，例如WinExec、ShellExecute 和CreateProcese函数等。利用CreatePrecees函数可创建一个进程去执行其它程序，可指定进程的安全属性、继承信息和该进程的优先级。ANSYS提供了一种批处理方式的格式:“Ansys80-i lnputName-Out-putName".其中InputName和OutNaroe分别为输入和输出文件名，采用VC语言设计用户界面，通过调用ANSYS程序，从而实现对ANSYS程序的封装。

VC开发的全缠绕复合气瓶的ANSYS参数化结构分析应用程序的界面图4所示。点击界面中的各个参数输人按扭，弹出参数输人对话框，输人各相应的参数，点击“确定”，则参数传递APDL数据中，形成APDL批处理文本并保存。

在Visual C++中形成APDL批处理文本的部分程序代码如下:

其材料参数输入对话框如图5所示，可参数化设定复合缠绕层及内衬层材料的材料属性。气瓶的几何尺寸参数通过界面设定，如图6所示，其余界面略。

通过界面参数化设定的参数都可利用VC++程序传递到APDL批处理文本中，从而形成完

整的复合气瓶结构分析APDL命令流文件，点击运行ANSYS按钮，则直接调用ANSYS程序并在后台对生成的APDL命令流文件进行计算。一般用户完全不需要了解ANSYS程序复杂的建模和运行过程。运行结束后点击“查看结果”，得到结果如图7所示。

这样，利用编写的外部程序输人ANSYS所需的建模参数，然后调用ANSYS进行后台处理，并在指定的ANSYS工作目录中读取ANSYS的输出结果文件和屏幕显示图像。达到参数的外部输入，结果的外部调用，过程的后台运行，从而实现对ANSYS的封装。

3 结语

笔者介绍复合气瓶的ANSYS参数化结构分析的设计思想和过程，并利用VC对其进行封装，APDL语言是实现此项功能的基础，利用APDL语言和VC相结合，可开发出专用的便于用户使用的有限元二次开发程序，主要优点为:

(1)在参数化分析过程中可以简单的修改其中的参数达到反复分析各种尺寸、不同载荷大小的多种设计方案或序列性产品，从而提高分析效率，减小分析成本。

(2)VC环境下采用VC与有限元分析软件相结合的参数化建模与分析具有强大的适用性和通用性，同时可缩短研发周期，使非专业人员可在程序引导下进行操作，并得到所需的结果，对设计与生产实践具有一定的现实意义。

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