基于ABAQUS的葉片靜力學自動校核平臺二次開發(fā)

摘 要：為了提高旋轉(zhuǎn)設(shè)備葉片的力學性能校核效率，文章借助Python語言，結(jié)合ABAQUS軟件開發(fā)一套用于葉片靜力學自動計算的軟件平臺。該平臺不僅提供基礎(chǔ)的葉片模型讀取功能，還具備網(wǎng)格自動剖分能力，免去了人工操作中的誤差。同時，該平臺還支持一鍵加載邊界條件、自動計算和導出完整報告的功能，大大減少了手工操作中的復雜性和煩瑣性。結(jié)果表明，該平臺計算相同模型用時僅為傳統(tǒng)方法的1/4，不僅降低了設(shè)計階段的時間成本，還為工程師騰出更多的時間進行優(yōu)化和改進，確保旋轉(zhuǎn)設(shè)備的葉片設(shè)計更加精確和高效。

關(guān)鍵詞：靜力學計算；數(shù)值仿真；聯(lián)合仿真；平臺開發(fā)；B/S架構(gòu)

中圖分類號：TP311；TP319 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2024）08-0045-06

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.08.011

0 引 言

葉片是壓氣機及汽輪機中的重要部件，葉片強度是保證壓氣機的關(guān)鍵參數(shù)，為避免發(fā)生裂紋、斷裂等事故，需要在設(shè)計階段對葉片強度進行校核，保證機組的可靠性[1，2]。在設(shè)計階段需要根據(jù)圖紙繪制出三維模型后，對其進行靜力學計算。在整個計算校核過程中，涉及網(wǎng)格剖分、邊界條件加載、峰值應力篩選及撰寫報告等功能。對于同一款壓氣機而言，每一級葉片的計算步驟是相同的，因此可以使用自動化的方法來代替人工進行復雜重復的計算操作。常規(guī)計算環(huán)節(jié)中，需要涉及前處理和實際計算兩款軟件?？畿浖f(xié)同計算需要一定的軟件操作背景[3-12]，不能滿足高效分析的要求，并且用于靜力學評估的ABAQUS軟件能夠通過Python語言調(diào)用相關(guān)計算模塊。因此開發(fā)了一款操作方便、針對性強，操作效率高的仿真平臺，以期提高計算校核效率。

1 總體架構(gòu)及技術(shù)路線

仿真平臺采用B/S架構(gòu)進行開發(fā)，使得用戶可以在任何支持Web瀏覽器上訪問和使用。該架構(gòu)不僅大大簡化了用戶的訪問過程，也為后臺提供了強大的可擴展性和靈活性。平臺的前端設(shè)計致力于為用戶提供一個直觀且用戶友好的交互界面。用戶可以通過簡潔的上傳功能，輕松提交幾何模型文件。一旦模型上傳完成，平臺會自動進行網(wǎng)格剖分，并實時顯示其結(jié)果，這使得用戶可以直觀地查看和確認模型的精度和復雜性。此外，界面還設(shè)計了一系列設(shè)置面板，用戶可以方便地配置求解參數(shù)信息，如材料屬性、加載和邊界條件等，確保計算的準確性。

平臺的后端計算模塊是其核心組成部分。它主要負責處理前端發(fā)送的數(shù)據(jù)和執(zhí)行復雜的有限元分析。利用Python語言，平臺為有限元模型設(shè)置了各種邊界條件，如固定、自由、旋轉(zhuǎn)等，確保模型的物理性質(zhì)得到準確的描述。此外，通過設(shè)計各種求解參數(shù)，如分析類型、求解器選擇等，平臺可以根據(jù)不同的工程需求進行優(yōu)化。為了實現(xiàn)高效且準確的仿真分析，后端計算模塊自動調(diào)用了業(yè)界領(lǐng)先的ABAQUS軟件。這不僅保證了計算結(jié)果的準確性，也大大簡化了用戶的操作過程，使其不必手動設(shè)置和啟動ABAQUS的計算過程。

1.1 總體架構(gòu)

仿真平臺采用了精心設(shè)計的多層架構(gòu)以滿足現(xiàn)代工程分析的需求，架構(gòu)主要分為展示層、業(yè)務層、數(shù)據(jù)層、接口層和資源層。首先，展示層直觀地面向用戶，涵蓋了結(jié)構(gòu)仿真的各個方面，如模型上傳、可視化、仿真設(shè)置以及結(jié)果的呈現(xiàn)和報告生成，旨在為用戶提供流暢且高效的操作體驗。在業(yè)務層，平臺通過自動化的網(wǎng)格生成技術(shù)、靈活的邊界條件加載以及多種腳本執(zhí)行策略，處理復雜的仿真邏輯，確保結(jié)果的準確性。數(shù)據(jù)層則負責管理和存儲仿真過程中涉及的眾多數(shù)據(jù)，從基本的幾何模型到復雜的材料屬性，都經(jīng)過精心組織和優(yōu)化。接口層是平臺與外部軟件交互的關(guān)鍵，包括與前處理工具ANSA、仿真大戶ABAQUS和常用的Office軟件的無縫連接，使得數(shù)據(jù)交換和結(jié)果處理變得輕而易舉。最后，資源層為整個平臺提供堅實的基礎(chǔ)，不僅支持了核心的仿真程序，還提供了穩(wěn)定的PHP運行環(huán)境、高性能的Nginx服務器和MySQL數(shù)據(jù)庫，確保整個仿真過程無論規(guī)模大小都能流暢運行。

通過分層的架構(gòu)的開發(fā)可以使得程序結(jié)構(gòu)清晰，方便擴展與升級，可維護性強。平臺架構(gòu)圖如圖1所示。

1.2 技術(shù)路線

通過獨立的應用程序，實現(xiàn)軸流壓氣機葉片自動化仿真分析平臺的交互、幾何展示、結(jié)果展示的功能；基于ABAQUS進行二次開發(fā)實現(xiàn)壓氣機葉片模型仿真流程自動化的功能，實現(xiàn)模型的求解設(shè)置等功能，然后進行后處理，提取計算結(jié)果，生成后處理的結(jié)果數(shù)據(jù)，并保存到數(shù)據(jù)庫和結(jié)果文件庫。軟件讀取提取的結(jié)果數(shù)據(jù)和后處理文件數(shù)據(jù)在軟件界面上進行后處理展示和自動按照模板生成仿真報告。技術(shù)路線如圖2所示。

2 平臺開發(fā)

2.1 需求分析

經(jīng)過深入的需求功能分析，軟件被結(jié)構(gòu)化地劃分為若干核心模塊。這種模塊化設(shè)計確保了每個功能部分的獨立性，同時也保障了與其他部分的無縫協(xié)同。對應于每一個模塊，都有詳細的需求分析表，如表1所示。這些表格列明了模塊的主要功能、預期的輸入/輸出、用戶交互方式等關(guān)鍵信息。這樣的細致組織方式為軟件的完整性、后續(xù)測試、維護和升級提供了強有力的支撐。

2.2 開發(fā)環(huán)境

該仿真平臺采用B/S網(wǎng)頁開發(fā)方式，充分考慮了現(xiàn)代Web應用的靈活性和可訪問性。為了確保前后端的高效協(xié)同，選擇了業(yè)界廣泛認可的技術(shù)堆棧。前端主要基于HTML5、CSS和JavaScript構(gòu)建，確保界面的現(xiàn)代感與兼容性，同時能夠在各種設(shè)備上提供一致的用戶體驗。服務端則采用PHP語言進行開發(fā)，結(jié)合了Python腳本來處理更為復雜的仿真邏輯。PHP不僅提供了強大的Web開發(fā)能力，還確保了與后端Python腳本的無縫集成。

支持軟件方面，ABAQUS和ANSA為平臺提供了專業(yè)的仿真和前處理功能，使得模型準備和結(jié)果分析變得更加高效。在框架選擇上，ThinkCMF負責處理后端的數(shù)據(jù)管理和路由，而BootStrap和Jquery則在前端提供了快速的響應式設(shè)計和交互功能。在開發(fā)過程中，為了確保代碼質(zhì)量和提高開發(fā)效率，團隊使用了PHPStorm和PyCharm這兩款業(yè)界頂級的集成開發(fā)環(huán)境。所有關(guān)于開發(fā)技術(shù)的細節(jié)都被仔細記錄在“開發(fā)技術(shù)明細表”中，具體明細表如表2所示。

2.3 開發(fā)結(jié)果

2.3.1 網(wǎng)格自動化建模

針對專業(yè)人員存在軟件的個性化設(shè)計需求，ANSA提供基于腳本語言Python的開放接口，使得用戶可以通過腳本編程，實現(xiàn)軟件的拓展、定制，基于腳本語言的二次開發(fā)是實現(xiàn)通用商業(yè)軟件功能專業(yè)化、知識產(chǎn)權(quán)自主化的有效途徑。

使用前處理軟件ANSA的API調(diào)用幾何識別和網(wǎng)格建模的相關(guān)命令，可以實現(xiàn)葉片輪盤的幾何識別，根據(jù)用戶提供的建模需求實現(xiàn)對特定面的網(wǎng)格細分處理，完成幾何表面的網(wǎng)格劃分。殼單元網(wǎng)格質(zhì)量檢查后即可完成體網(wǎng)格劃分，導出inp格式的網(wǎng)格模型。網(wǎng)格自動化剖分結(jié)果如圖3所示。

2.3.2 仿真計算及自動化

ABAQUS軟件提供基于腳本語言Python的開放接口，使得用戶可以基于腳本語言進行二次開發(fā)，實現(xiàn)自身的定制化需求。根據(jù)ANSA軟件自動導出的inp文件自動導入ABAQUS，根據(jù)以下三種仿真分析需求：

1）溫度場計算分析：根據(jù)提供的葉片及輪盤溫度邊界條件，進行葉片輪盤的三維溫度場計算。

2）對有限元模型加載溫度場、離心力和氣流力進行靜強度計算。

3）進行接觸設(shè)置、工況設(shè)置、完成進行三維模型的振動計算分析和共振計算分析。

4）仿真計算需調(diào)用ABAQUS自身的計算模塊進行仿真計算。

根據(jù)需求使用Python調(diào)用ABAQUS開發(fā)后的計算結(jié)果如圖4、圖5所示。

2.3.3 仿真后處理報告自動生成

針對仿真流程，開發(fā)后處理結(jié)果提取、數(shù)據(jù)接口，完成仿真報告提取查看，報告自動生成的功能。主要通過數(shù)據(jù)來源的定義可以選擇來自哪些數(shù)據(jù)結(jié)果的哪些數(shù)據(jù)塊，數(shù)據(jù)塊通過標識進行區(qū)分，以便能夠抓取，通過來源定義，執(zhí)行IO操作抓取相關(guān)計算結(jié)果的數(shù)據(jù)以及對報告模板進行渲染，生成相關(guān)報告。自動導出報告如圖6所示。

2.4 項目管理

為了使仿真工作更加有序和高效，平臺特別提供了一個獨立的項目管理模塊來對仿真業(yè)務流程進行管理。這一設(shè)計思路確保了整個仿真流程的清晰性和連續(xù)性。每一次的仿真工作不再是孤立的操作，而是以項目的形式存在，確保了從初步模型的建立到最后結(jié)果的輸出，所有步驟都在一個統(tǒng)一的框架下進行。

每一個項目下，具體的操作和步驟被轉(zhuǎn)化為“任務”，這種任務化管理方式為工程師提供了清晰的工作路徑。這些任務在數(shù)據(jù)庫中以條目形式存儲，確保了數(shù)據(jù)的完整性和持久性。為了方便用戶進行任務跟蹤和管理，平臺提供了一個直觀且用戶友好的界面。此外，篩選、查看和修改任務也被設(shè)計得十分簡潔和高效，無論是新手還是經(jīng)驗豐富的工程師都能輕松上手。

關(guān)于項目任務管理的具體界面和功能細節(jié)，如圖7所示，其中詳細展示了各項功能的布局和操作流程。

2.5 關(guān)鍵開發(fā)技術(shù)

ABAQUS提供基于腳本語言Python的開放接口，使得用戶可以通過腳本編程，實現(xiàn)軟件的拓展、定制。ABAQUS的Scripting技術(shù)功能是其強大自動化能力的體現(xiàn)。這一功能允許用戶直接運行腳本命令，從而實現(xiàn)各種文件操作、窗體交互以及特定事件的處理。例如，用戶可以編寫腳本批量導入模型、批量更改材料屬性或自動設(shè)置邊界條件。這種自動化處理大大提高了仿真效率，降低了重復操作的機會，從而提高了整體的工作效率和結(jié)果的準確性。

通過集成OLE Automation技術(shù)，ABAQUS進一步加強了其自動化開發(fā)能力。這種技術(shù)使得ABAQUS可以與其他應用程序（如Office應用或自定義的軟件工具）無縫交互，從而實現(xiàn)更高級的仿真自動化功能，如自動生成仿真報告或與其他軟件共享數(shù)據(jù)。ABAQUS部分接口定義如圖8所示。

2.6 平臺功能測試驗證

測試是平臺開發(fā)的一項重點內(nèi)容，通過對測試結(jié)果的分析，得到對軟件質(zhì)量的評價，評估測試測試執(zhí)行和測試計劃是否符合，同時分析系統(tǒng)存在的缺陷，為修復和預防bug提供建議。平臺功能測試分為通用功能測試、基礎(chǔ)功能測試和核心功能測試三部分。根據(jù)用戶實際操作流程編寫測試用例后進行測試。在測試時統(tǒng)計使用平臺計算的操作時間和常規(guī)方法的操作時間，二者對比詳細內(nèi)容如表3所示。可以發(fā)現(xiàn)，在滿足功能要求的基礎(chǔ)上，使用平臺進行計算同一個葉片所需的時間僅為常規(guī)操作方法計算時間的1/4，顯著提高了計算效率。

3 結(jié) 論

通過借助Python語言，結(jié)合ABAQUS提供的開發(fā)接口，開發(fā)出了一套用于葉片靜力學自動計算的軟件平臺。該平臺實現(xiàn)了葉片模型讀取、網(wǎng)格自動剖分、邊界條件加載、自動計算及導出報告的功能。通過測試環(huán)節(jié)驗證了平臺的功能可用性。該平臺提高了設(shè)計階段的計算分析效率，為設(shè)計壓氣機葉片提供了高效便捷的計算工具。

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作者簡介：陸海峰（1994—），男，漢族，新疆哈密人，NVH科主管，碩士，研究方向：NVH仿真分析及開發(fā)。

收稿日期：2023-09-04

Secondary Development of Blade Statics Automatic Verification Platform

Based on ABAQUS

LU Haifeng

（Yiduo Information Technology （Shanghai） Co.， Ltd.， Shanghai 201100， China）

Abstract： In order to improve the mechanical performance verification efficiency of rotating equipment blades， this paper uses Python language and ABAQUS software to develop a software platform for automatic calculation of blade statics. This platform not only provides basic blade model reading functions， but also has the ability for automatic mesh generation， eliminating errors in manual operations. At the same time， the platform also supports functions of one click loading of boundary conditions， automatic calculation， and exporting of complete reports， greatly reducing the complexity and tedious nature of manual operations. The results show that the platform only takes 1/4 of the traditional method to calculate the same model， which not only reduces the time cost in the design phase， but also frees up more time for engineers to optimize and improve the platform， ensuring that the blade design of rotating equipment is more accurate and efficient.

Keywords： statics calculation; numerical simulation; co-simulation; platform development; B/S architecture