Design for Manufacturing软件：Ansys二次开发_（14）.Ansys自动化仿真流程设计

企业开发 2025-04-11 20:40
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Ansys自动化仿真流程设计

在上一节中，我们了解了Ansys的基本功能和应用领域。接下来，我们将深入探讨如何通过Ansys的二次开发来实现自动化仿真流程设计。自动化仿真流程设计可以显著提高仿真效率，减少人为错误，并使仿真过程更加标准化和可重复。本节将介绍Ansys的自动化仿真流程设计的原理和内容，并通过具体的代码示例来说明如何实现这些自动化流程。

在这里插入图片描述

1. 自动化仿真流程设计的原理

自动化仿真流程设计的核心在于将仿真过程中的各个步骤通过编程语言和脚本进行连接和控制。Ansys提供了多种接口和工具，允许用户通过脚本语言（如Python、APDL）来控制仿真过程。这些接口可以实现从模型创建、材料属性设置、网格划分、边界条件应用、求解设置到结果后处理的全过程自动化。

1.1 Ansys的脚本接口

Ansys提供了多个脚本接口，其中最常用的是APDL（Ansys Parametric Design Language）和Python。APDL是一种专门用于Ansys的脚本语言，可以直接调用Ansys的命令来实现仿真过程的自动化。Python则是一种更通用的脚本语言，通过Ansys的Python接口（如ansys-mapdl-core）可以更灵活地控制仿真过程。

1.1.1 APDL接口

APDL是一种基于文本的脚本语言，用于编写Ansys的命令文件。通过编写APDL脚本，可以实现模型的创建、网格划分、求解设置等步骤的自动化。APDL脚本可以在Ansys Workbench或Ansys Mechanical中运行，也可以通过命令行启动Ansys来运行。

示例：创建一个简单的梁模型


/FILNAME, beam

/PREP7

! 定义材料属性

MP, EX, 1, 210E9

MP, DENS, 1, 7800

MP, PRXY, 1, 0.3



! 创建梁模型

ET, 1, BEAM188

BLOCK, 0, 1, 0, 1, 0, 10

ESIZE, 1

MESH, ALL



! 应用边界条件

D, 1, ALL

D, 10, ALL, 0, 0, 0, 0, 0, -1000



! 求解设置

/SOLU

ANTYPE, STATIC

SOLVE



! 结果后处理

/POST1

PLDISP, 1

PRRSOL, U, SUM
1.1.2 Python接口

Python接口提供了更高级的编程能力和更好的灵活性。通过ansys-mapdl-core库，可以在Python环境中调用Ansys的命令，实现更复杂的自动化流程。Python接口还可以与现有的Python生态系统（如NumPy、Pandas、Matplotlib等）集成，提升数据处理和可视化的效率。

示例：使用Python创建和运行一个简单的梁模型


# 导入必要的库

from ansys.mapdl.core import launch_mapdl



# 启动Ansys

mapdl = launch_mapdl()



# 定义材料属性

mapdl.mp('ex', 1, 210E9)  # 弹性模量

mapdl.mp('dens', 1, 7800)  # 密度

mapdl.mp('prxy', 1, 0.3)  # 泊松比



# 创建梁模型

mapdl.et(1, 'BEAM188')  # 定义单元类型

mapdl.block(0, 1, 0, 1, 0, 10)  # 创建块体

mapdl.etype(1)  # 设置单元类型

mapdl.esize(1)  # 设置单元大小

mapdl.mesh('all')  # 网格划分



# 应用边界条件

mapdl.d(1, 'all')  # 固定端

mapdl.d(10, 'all', 0, 0, 0, 0, 0, -1000)  # 载荷端



# 求解设置

mapdl.slashsolu()  # 进入求解模块

mapdl.antype('static')  # 静态分析

mapdl.solve()  # 求解



# 结果后处理

mapdl.post1()  # 进入后处理模块

mapdl.pldisp(1)  # 绘制位移图

mapdl.prrsol('u', 'sum')  # 输出位移结果



# 关闭Ansys

mapdl.exit()

2. 自动化仿真流程设计的内容

2.1 模型创建自动化

模型创建是仿真流程的起点，通过脚本可以自动化生成复杂的几何模型和有限元模型。Ansys提供了多种几何建模工具，如SolidWorks、AutoCAD等，这些工具可以通过API与Ansys进行集成，实现几何模型的导入和自动化处理。

2.1.1 使用Python创建几何模型

# 导入必要的库

from ansys.mapdl.core import launch_mapdl

import numpy as np



# 启动Ansys

mapdl = launch_mapdl()



# 创建一个复杂的几何模型

mapdl.prep7()  # 进入前处理模块

mapdl.k(1, 0, 0, 0)  # 创建关键点

mapdl.k(2, 1, 0, 0)

mapdl.k(3, 1, 1, 0)

mapdl.k(4, 0, 1, 0)



mapdl.l(1, 2)  # 创建线

mapdl.l(2, 3)

mapdl.l(3, 4)

mapdl.l(4, 1)



mapdl.al(1, 2, 3, 4)  # 创建面

mapdl.v(1)  # 创建体



# 定义材料属性

mapdl.mp('ex', 1, 210E9)  # 弹性模量

mapdl.mp('dens', 1, 7800)  # 密度

mapdl.mp('prxy', 1, 0.3)  # 泊松比



# 设置单元类型

mapdl.et(1, 'SOLID185')  # 定义单元类型

mapdl.etype(1)  # 设置单元类型



# 网格划分

mapdl.esize(1)  # 设置单元大小

mapdl.mesh('all')  # 网格划分



# 关闭Ansys

mapdl.exit()

2.2 材料属性设置自动化

材料属性的设置是仿真过程中的重要步骤。通过脚本可以自动化设置材料属性，避免在手动设置过程中出现错误。Ansys支持多种材料模型，包括线性弹性、塑性、超弹性等，这些材料模型可以通过脚本进行参数化设置。

2.2.1 使用APDL设置线性弹性材料

/PREP7

! 定义材料属性

MP, EX, 1, 210E9

MP, DENS, 1, 7800

MP, PRXY, 1, 0.3



! 定义材料模型

MAT, 1

TB, ELAS, 1, 0

TB, EX, 1, 0, 210E9

TB, DENS, 1, 0, 7800

TB, PRXY, 1, 0, 0.3
2.2.2 使用Python设置线性弹性材料

# 导入必要的库

from ansys.mapdl.core import launch_mapdl



# 启动Ansys

mapdl = launch_mapdl()



# 定义材料属性

mapdl.mp('ex', 1, 210E9)  # 弹性模量

mapdl.mp('dens', 1, 7800)  # 密度

mapdl.mp('prxy', 1, 0.3)  # 泊松比



# 定义材料模型

mapdl.mat(1)

mapdl.tb('ELAS', 1, 0)

mapdl.tbdata('EX', 210E9)

mapdl.tbdata('DENS', 7800)

mapdl.tbdata('PRXY', 0.3)



# 关闭Ansys

mapdl.exit()

2.3 网格划分自动化

网格划分是有限元分析中的关键步骤，网格质量直接影响仿真结果的准确性。通过脚本可以自动化进行网格划分，设置网格大小、类型和质量控制参数。Ansys提供了多种网格划分方法，如自由网格划分、映射网格划分等。

2.3.1 使用APDL进行自由网格划分

/PREP7

! 创建几何模型

BL, 0, 1, 0, 1, 0, 10



! 设置单元类型

ET, 1, BEAM188



! 网格划分

ESIZE, 1

MESH, ALL
2.3.2 使用Python进行映射网格划分

# 导入必要的库

from ansys.mapdl.core import launch_mapdl



# 启动Ansys

mapdl = launch_mapdl()



# 创建几何模型

mapdl.prep7()  # 进入前处理模块

mapdl.bl(0, 1, 0, 1, 0, 10)  # 创建块体



# 设置单元类型

mapdl.et(1, 'SOLID185')  # 定义单元类型

mapdl.etype(1)  # 设置单元类型



# 映射网格划分

mapdl.esize(1)  # 设置单元大小

mapdl.mshkey(1)  # 设置映射网格划分

mapdl.mesh('all')  # 网格划分



# 关闭Ansys

mapdl.exit()

2.4 边界条件应用自动化

边界条件的设置是仿真过程中的另一个重要步骤。通过脚本可以自动化应用各种边界条件，如固定约束、载荷、温度等。Ansys支持多种边界条件类型，这些边界条件可以通过脚本进行参数化设置和应用。

2.4.1 使用APDL应用固定约束和载荷

/PREP7

! 创建几何模型

BL, 0, 1, 0, 1, 0, 10



! 设置单元类型

ET, 1, BEAM188



! 网格划分

ESIZE, 1

MESH, ALL



! 应用边界条件

D, 1, ALL  ! 固定端

D, 10, ALL, 0, 0, 0, 0, 0, -1000  ! 载荷端
2.4.2 使用Python应用固定约束和载荷

# 导入必要的库

from ansys.mapdl.core import launch_mapdl



# 启动Ansys

mapdl = launch_mapdl()



# 创建几何模型

mapdl.prep7()  # 进入前处理模块

mapdl.bl(0, 1, 0, 1, 0, 10)  # 创建块体



# 设置单元类型

mapdl.et(1, 'BEAM188')  # 定义单元类型

mapdl.etype(1)  # 设置单元类型



# 网格划分

mapdl.esize(1)  # 设置单元大小

mapdl.mesh('all')  # 网格划分



# 应用边界条件

mapdl.d(1, 'all')  # 固定端

mapdl.d(10, 'all', 0, 0, 0, 0, 0, -1000)  # 载荷端



# 关闭Ansys

mapdl.exit()

2.5 求解设置自动化

求解设置包括选择分析类型、设置求解参数、求解控制等步骤。通过脚本可以自动化设置求解参数和求解控制，确保求解过程的高效和准确。Ansys支持多种分析类型，如静态分析、动态分析、热分析等。

2.5.1 使用APDL进行静态分析求解设置

/SOLU

ANTYPE, STATIC  ! 静态分析

SOLVE  ! 求解
2.5.2 使用Python进行静态分析求解设置

# 导入必要的库

from ansys.mapdl.core import launch_mapdl



# 启动Ansys

mapdl = launch_mapdl()



# 求解设置

mapdl.slashsolu()  # 进入求解模块

mapdl.antype('static')  # 静态分析

mapdl.solve()  # 求解



# 关闭Ansys

mapdl.exit()

2.6 结果后处理自动化

结果后处理包括提取仿真结果、绘制图表、生成报告等步骤。通过脚本可以自动化提取和处理仿真结果，生成可视化图表和报告。Ansys提供了多种结果后处理工具，如位移、应力、应变等结果的提取和绘制。

2.6.1 使用APDL进行结果后处理

/POST1

PLDISP, 1  ! 绘制位移图

PRRSOL, U, SUM  ! 输出位移结果
2.6.2 使用Python进行结果后处理

# 导入必要的库

from ansys.mapdl.core import launch_mapdl



# 启动Ansys

mapdl = launch_mapdl()



# 结果后处理

mapdl.post1()  # 进入后处理模块

mapdl.pldisp(1)  # 绘制位移图

mapdl.prrsol('u', 'sum')  # 输出位移结果



# 关闭Ansys

mapdl.exit()

3. 实战案例：自动化仿真流程设计

在实际工程应用中，自动化仿真流程设计可以显著提高工作效率和仿真结果的可靠性。本节将通过一个具体的案例来展示如何通过脚本实现从模型创建到结果后处理的全过程自动化。

3.1 案例背景

假设我们需要对一个复杂的结构进行静态分析，该结构由多个梁和板组成。我们需要通过脚本实现以下步骤：

  1. 创建几何模型。

  2. 设置材料属性。

  3. 进行网格划分。

  4. 应用边界条件。

  5. 求解设置。

  6. 结果后处理。

3.2 案例实现

3.2.1 创建几何模型

# 导入必要的库

from ansys.mapdl.core import launch_mapdl



# 启动Ansys

mapdl = launch_mapdl()



# 创建几何模型

mapdl.prep7()  # 进入前处理模块

mapdl.k(1, 0, 0, 0)  # 创建关键点

mapdl.k(2, 1, 0, 0)

mapdl.k(3, 1, 1, 0)

mapdl.k(4, 0, 1, 0)

mapdl.k(5, 0, 0, 10)

mapdl.k(6, 1, 0, 10)

mapdl.k(7, 1, 1, 10)

mapdl.k(8, 0, 1, 10)



mapdl.l(1, 2)  # 创建线

mapdl.l(2, 3)

mapdl.l(3, 4)

mapdl.l(4, 1)

mapdl.l(5, 6)

mapdl.l(6, 7)

mapdl.l(7, 8)

mapdl.l(8, 5)

mapdl.l(1, 5)

mapdl.l(2, 6)

mapdl.l(3, 7)

mapdl.l(4, 8)



mapdl.al(1, 2, 3, 4)  # 创建面

mapdl.al(5, 6, 7, 8)

mapdl.al(1, 2, 6, 5)

mapdl.al(2, 3, 7, 6)

mapdl.al(3, 4, 8, 7)

mapdl.al(4, 1, 5, 8)



mapdl.v(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8)  # 创建体
3.2.2 设置材料属性

# 设置材料属性

mapdl.mp('ex', 1, 210E9)  # 弹性模量

mapdl.mp('dens', 1, 7800)  # 密度

mapdl.mp('prxy', 1, 0.3)  # 泊松比



# 定义材料模型

mapdl.mat(1)

mapdl.tb('ELAS', 1, 0)

mapdl.tbdata('EX', 210E9)

mapdl.tbdata('DENS', 7800)

mapdl.tbdata('PRXY', 0.3)
3.2.3 网格划分

# 设置单元类型

mapdl.et(1, 'SOLID185')  # 定义单元类型

mapdl.etype(1)  # 设置单元类型



# 网格划分

mapdl.esize(1)  # 设置单元大小

mapdl.mshkey(1)  # 设置映射网格划分

mapdl.mesh('all')  # 网格划分
3.2.4 应用边界条件

# 应用边界条件

mapdl.d(1, 'all')  # 固定端

mapdl.d(8, 'all', 0, 0, 0, 0, 0, -1000)  # 载荷端
3.2.5 求解设置

# 求解设置

mapdl.slashsolu()  # 进入求解模块

mapdl.antype('static')  # 静态分析

mapdl.solve()  # 求解
3.2.6 结果后处理

# 结果后处理

mapdl.post1()  # 进入后处理模块

mapdl.pldisp(1)  # 绘制位移图

mapdl.prrsol('u', 'sum')  # 输出位移结果



# 关闭Ansys

mapdl.exit()

3.3 案例总结

通过上述Python脚本，我们成功实现了从模型创建、材料属性设置、网格划分、边界条件应用、求解设置到结果后处理的全过程自动化。这种方式不仅提高了仿真效率，还减少了人为错误，使仿真过程更加标准化和可重复。

3.4 进一步扩展

在实际应用中，自动化仿真流程设计还可以进一步扩展到以下几个方面：

  1. 多工况分析：通过循环和条件判断，自动化运行多个工况的仿真。

  2. 参数化分析：通过定义变量和函数，实现模型参数的自动调整和分析。

  3. 批处理仿真：将多个仿真任务打包成批处理任务，实现批量运行和结果汇总。

  4. 数据可视化：利用Python的可视化库（如Matplotlib、Plotly等），生成更丰富的图表和报告。

3.4.1 多工况分析示例

# 导入必要的库

from ansys.mapdl.core import launch_mapdl



# 启动Ansys

mapdl = launch_mapdl()



# 定义多个工况的载荷

loads = [1000, 2000, 3000]



# 循环运行多个工况

for load in loads:

    # 重新创建模型

    mapdl.prep7()

    mapdl.k(1, 0, 0, 0)

    mapdl.k(2, 1, 0, 0)

    mapdl.k(3, 1, 1, 0)

    mapdl.k(4, 0, 1, 0)

    mapdl.k(5, 0, 0, 10)

    mapdl.k(6, 1, 0, 10)

    mapdl.k(7, 1, 1, 10)

    mapdl.k(8, 0, 1, 10)

    

    mapdl.l(1, 2)

    mapdl.l(2, 3)

    mapdl.l(3, 4)

    mapdl.l(4, 1)

    mapdl.l(5, 6)

    mapdl.l(6, 7)

    mapdl.l(7, 8)

    mapdl.l(8, 5)

    mapdl.l(1, 5)

    mapdl.l(2, 6)

    mapdl.l(3, 7)

    mapdl.l(4, 8)

    

    mapdl.al(1, 2, 3, 4)

    mapdl.al(5, 6, 7, 8)

    mapdl.al(1, 2, 6, 5)

    mapdl.al(2, 3, 7, 6)

    mapdl.al(3, 4, 8, 7)

    mapdl.al(4, 1, 5, 8)

    

    mapdl.v(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8)

    

    # 设置材料属性

    mapdl.mp('ex', 1, 210E9)

    mapdl.mp('dens', 1, 7800)

    mapdl.mp('prxy', 1, 0.3)

    

    # 定义材料模型

    mapdl.mat(1)

    mapdl.tb('ELAS', 1, 0)

    mapdl.tbdata('EX', 210E9)

    mapdl.tbdata('DENS', 7800)

    mapdl.tbdata('PRXY', 0.3)

    

    # 设置单元类型

    mapdl.et(1, 'SOLID185')

    mapdl.etype(1)

    

    # 网格划分

    mapdl.esize(1)

    mapdl.mshkey(1)

    mapdl.mesh('all')

    

    # 应用边界条件

    mapdl.d(1, 'all')

    mapdl.d(8, 'all', 0, 0, 0, 0, 0, -load)

    

    # 求解设置

    mapdl.slashsolu()

    mapdl.antype('static')

    mapdl.solve()

    

    # 结果后处理

    mapdl.post1()

    mapdl.pldisp(1)

    mapdl.prrsol('u', 'sum')

    

    # 保存结果

    mapdl.save(f'beam_load_{
      
      load}.db')



# 关闭Ansys

mapdl.exit()

3.5 总结

本节通过具体的案例和代码示例，详细介绍了如何通过Ansys的脚本接口实现自动化仿真流程设计。我们从模型创建、材料属性设置、网格划分、边界条件应用、求解设置到结果后处理，逐步展示了如何利用APDL和Python脚本实现全流程自动化。这种方式不仅可以提高仿真效率，还可以确保仿真过程的一致性和可靠性，为实际工程应用提供了强大的支持。

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