基于VS和ANSYS的水聲換能器分析系統(tǒng)設計

文/李濤 胡寶霞 劉衛(wèi)鵬 田杜養(yǎng)

水聲換能器作為水下聲信號的發(fā)射和接收設備，依然是水下最有效的信息處理裝備，它被廣泛應用于海洋軍事與探測領域。水聲換能器的研究與制作，涉及材料、電子、結構、機械等領域，是一門綜合性很強的學科。目前，水聲換能器的分析方法包括等效網(wǎng)絡法和有限元法兩種，其中等效網(wǎng)絡法要求建立換能器的等效網(wǎng)絡模型并求解各個參數(shù)，這對于理論深度不夠的研究人員來講存在較大的難度；此外有限元法也要求研究人員具備扎實的力學知識、有限元理論以及工程經(jīng)驗等，且該技術的掌握周期長、難度大。

針對以上問題，本文將VS和ANSYS的APDL結合起來，對ANSYS進行二次開發(fā)，利用前者友好交互界面和后者參數(shù)化設計的特點，設計出一種用于換能器分析的分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)將技術含量較高的有限元法封裝起來，換能器工作者只需通過交互界面輸入相關參數(shù)，剩下的分析將自行完成，掃除了有限元法的應用限制，給工程實際應用帶來了極大的便利。

1 基本原理

圖1：ANSYS分析換能器流程圖

圖2：數(shù)據(jù)匹配仿真軟件系統(tǒng)組成示意圖

1.1 ANSYS分析換能器的方法

應用ANSYS進行水聲換能器的分析，主要涉及到壓電和流固兩種耦合場分析，其中流固耦合主要針對“水聲”問題?？蓱糜谒晸Q能器的ANSYS分析類型主要包括：

（1）用于分析預應力螺栓引起的換能器應力分布，以及結構或殼體的靜水壓力問題靜態(tài)分析；

（2）用于換能器（可包含預應力狀態(tài)）的諧振頻率和振型分析的模態(tài)分析；

（3）用于獲得換能器在感興趣頻段內(nèi)的各種響應曲線，包括導納特性、發(fā)射特性等的模態(tài)分析。

對于一個換能器問題，通常需要建立兩種不同的有限元模型，一種是單純的換能器模型，即僅包含壓電分析而不含流固分析，這種模型用于模擬在空氣中的換能器，一般需進行靜態(tài)分析、模態(tài)分析和諧響應分析三個過程，可獲得的數(shù)據(jù)結果包括應力分布、諧振情況、振型特點及換能器在空氣中的各種響應曲線等；另一種有限元模型則包含流體(一般為無限邊界)，此時除壓電耦合外還包括流固耦合，這種模型可分析置于自由場(指無限邊界流體)中的換能器特性，一般也需要完成靜態(tài)、模態(tài)及諧響應分析三個過程。利用ANSYS分析換能器的流程如圖1所示。

1.2 分析系統(tǒng)設計

系統(tǒng)以讀取或輸入換能器相關參數(shù)為前提，利用ANSYS建立縱振型換能器的有限元3D模型，通過對模型的計算，獲得換能器性能的相關參數(shù)。系統(tǒng)具備友好的人機交互界面，主要由“參數(shù)設置”、“求解設置”、“結果顯示”等三大功能模塊組成（如圖2所示），各功能模塊的主要功能如下：

參數(shù)設置模塊：該模塊從數(shù)據(jù)庫中讀取各部件的幾何尺寸和材料參數(shù)，其參數(shù)的設置可以是自動輸入也可以人工輸入。待參數(shù)設置完畢后，該模塊根據(jù)相應的參數(shù)設置，調(diào)用有限元程序完成換能器的3D實體建模和網(wǎng)格劃分。

求解設置模塊：該模塊自動加載換能器的工作條件，經(jīng)選定求解環(huán)境后（空氣中、水中），可進行模態(tài)分析（振型、諧振頻率計算），據(jù)此確定分析的頻率范圍并進行諧響應分析（導納計算、發(fā)射電壓響應計算）。

結果顯示模塊：該模塊主要以曲線、動畫等形式顯示換能器的分析結果，并存入數(shù)據(jù)庫，以數(shù)據(jù)表格的形式顯示多次設計的結果，以供換能器設計者對數(shù)據(jù)進行評價和篩選。

2 ANSYS的二次開發(fā)

2.1 VS與ANSYS的接口

實際應用中，Visual Studio調(diào)用的是ANSYS的APDL宏文件，具體實現(xiàn)的關鍵技術是VS如何調(diào)用ANSYS的APDL宏文件。本軟件將多個換能器的各種分析一次性進行完畢，無需人為進行較為繁瑣的操作，在程序設計方面考慮將兩軟件的接口設計為子函數(shù)形式，后臺每進行一次分析調(diào)用即可，減少無意義的代碼量。子函數(shù)部分代碼如下所示：

此全局函數(shù)需要兩個輸入?yún)?shù)，一個是APDL文件所在的文件夾，一個是APDL文件的文件名。通過讀取該APDL文件獲得換能器的參數(shù)和分析指令，接下來后臺調(diào)用ANSYS軟件進行指令執(zhí)行，執(zhí)行結束后可以得到ANSYS軟件生成的各類結果文件。此全局函數(shù)中包括了ANSYS的exe文件所在路徑，路徑發(fā)生更改時需要及時對其更改，否則將無法調(diào)用ANSYS軟件進行分析。

圖3：Excel數(shù)據(jù)形式

圖4：水聲換能器分析系統(tǒng)主界面

2.2 ANSYS宏的封裝

利用VS軟件對ANSYS軟件進行后臺時需要讀寫APDL語言進行操作，因此將APDL宏封裝在VS軟件可讀的文件中是很有必要的，以下是VS語言對APDL宏的封裝過程。

根據(jù)現(xiàn)有的分析類別新建一個txt類型的文件用于存儲APDL宏。ANSYS分析軟件在對換能器進行分析時，首先需要將換能器參數(shù)輸入，接下來需要進行一系列的操作才可以得到分析結果。與此相對應，將APDL語言分為數(shù)據(jù)部分和指令部分兩大模塊，這兩個模塊都需要存儲在APDL宏文件中。在進行相應的分析類型時，分別將換能器的各個參數(shù)與對應的變量名相對應，并寫入APDL宏文件數(shù)據(jù)部分和指令部分兩大模塊中去。部分代碼如下：

2.3 數(shù)據(jù)交互

系統(tǒng)將Excel軟件與ANSYS軟件建立起數(shù)據(jù)交互聯(lián)系，以便于數(shù)據(jù)的導入與導出。VS調(diào)用ANSYS軟件時，可以通過Excel表格批量導入換能器各部件的材料參數(shù)，ANSYS分析運行結束后會生成相對應的結果文件，系統(tǒng)以Excel表格的形式將結果輸出，以便分析和提取有用的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)形式如圖3所示。

圖5：系統(tǒng)數(shù)據(jù)導入截圖

3 分析系統(tǒng)的實現(xiàn)

基于VS調(diào)用ANSYS進行二次開發(fā)的思想，設計了水聲換能器分析系統(tǒng)，其界面如圖4所示。界面主要由數(shù)據(jù)導入?yún)^(qū)域、分析類型區(qū)域、參數(shù)設定區(qū)域、結果顯示區(qū)域及相關控件構成。其中數(shù)據(jù)導入?yún)^(qū)域可選擇數(shù)據(jù)輸入的形式；分析類型區(qū)域可選擇是單個換能器分析還是批量換能器分析；分析參數(shù)設定區(qū)域用于設定分析過程中所需的參數(shù)；結果顯示區(qū)域用于選擇所需顯示的結果類型。

這里，以2個前輻射頭（編號1、2），1種壓電片（編號1），1個預應力螺桿（編號1）和1個后質(zhì)量塊（編號1）為例，利用所開發(fā)的系統(tǒng)進行分析。在分析系統(tǒng)界面中，點擊“自動導入”按鈕，選擇相應的數(shù)據(jù)庫文件，將數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)導入軟件，如圖5所示。

選擇“組合分析”按鈕，并設置分析參數(shù)為：模態(tài)階數(shù)20、分析頻率范圍為11000Hz—20000Hz，如圖4所示。點擊“開始分析”按鈕，軟件調(diào)用ANSYS進行后臺分析，分析結束后，軟件將提示分析結束。在“結果顯示”區(qū)域，輸入換能器序號和振形階數(shù)，點擊“振形圖”等，結果如圖6所示。點擊“數(shù)據(jù)導出”按鈕，軟件將自動跳轉(zhuǎn)至工作目錄，選擇需要導出的excel工作文件，并點擊保存。保存成功后，軟件將進行相應的提示，在工作目錄中，方可查找導出的計算結果。

圖6：“振形圖”結果顯示

4 結束語

本文通過VS對ANSYS的調(diào)用，ANSYS宏的封裝及數(shù)據(jù)接口等技術的研究，實現(xiàn)了ANSYS的二次開發(fā)，設計了一種適用于水聲換能器分析的分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有界面友好簡單、利于操作等特點，能夠?qū)λ晸Q能器的性能進行仿真分析，并對換能器性能的分析結果進行了可視化顯示，為水聲換能器的分析和設計提供了便利和技術支持。