Design for Manufacturing软件：Ansys二次开发_（7）.AnsysMechanicalAPIDevelopment

AnsysMechanicalAPIDevelopment

1. 引言

在现代工程设计中，Ansys Mechanical 是一款广泛使用的有限元分析软件，它能够帮助工程师进行结构、热、流体等多种物理场的仿真分析。然而，对于复杂的设计流程和自动化需求，仅依靠手动操作是远远不够的。通过 Ansys Mechanical API 进行二次开发，可以大大提升工作效率，实现自动化仿真、数据处理和结果分析。本节将详细介绍 Ansys Mechanical API 的基本原理和开发方法，帮助读者掌握如何利用 API 进行高效的二次开发。

在这里插入图片描述

2. Ansys Mechanical API 概述

Ansys Mechanical API 是一个强大的工具，允许用户通过编程语言（如 Python）与 Ansys Mechanical 进行交互。API 提供了一系列的方法和属性，可以用来创建、修改和控制仿真模型，执行分析任务，以及处理仿真结果。通过 API，用户可以实现以下功能：

自动化模型创建和修改
批量运行仿真分析
自定义后处理和结果可视化
集成其他软件和工具

2.1 API 的工作原理

Ansys Mechanical API 通过与 Ansys Mechanical 的内部数据结构和计算引擎进行通信，实现对仿真模型的控制。API 的核心是 Mechanical 类，它提供了与 Ansys Mechanical 交互的主要接口。通过实例化 Mechanical 类，用户可以连接到 Ansys Mechanical 会话，并使用其提供的方法和属性进行操作。

2.2 API 的安装和配置

在使用 Ansys Mechanical API 之前，需要确保 Ansys Mechanical 已安装并配置好。此外，还需要安装 Python 和 AnsysMechanicalAPI 库。以下是一些基本的安装步骤：

安装 Ansys Mechanical：确保安装了最新版本的 Ansys Mechanical。
安装 Python：建议使用 Python 3.7 或更高版本。
安装 AnsysMechanicalAPI 库：可以通过 pip 安装该库。


pip install ansys-mechanical-api

配置环境变量：确保 Ansys Mechanical 的安装路径已添加到系统环境变量中。

2.3 API 的基本用法

以下是一个简单的示例，展示了如何使用 Ansys Mechanical API 连接到 Ansys Mechanical 会话并创建一个基本的模型。


# 导入 Ansys Mechanical API 库

from ansys.mechanical.core import launch_mechanical



# 启动 Ansys Mechanical 会话

mech = launch_mechanical()



# 创建一个新的仿真项目

project = mech.project



# 添加一个新的模型

model = project.geometry_models.add()



# 创建一个立方体几何体

box = model.geometry.boxes.add()



# 设置立方体的尺寸

box.width = 10

box.height = 10

box.depth = 10



# 保存项目

project.save("example.rst")



# 关闭 Ansys Mechanical 会话

mech.exit()

2.4 API 的主要模块

Ansys Mechanical API 提供了多个模块，每个模块负责不同的功能。以下是一些主要模块的概述：

project：管理项目级别的操作，如创建和保存项目。
geometry：处理几何体的创建和修改。
mesh：控制网格划分。
analysis：管理分析任务的设置和执行。
results：处理仿真结果的提取和分析。

3. 模型创建和修改

在 Ansys Mechanical 中，模型的创建和修改是仿真分析的基础。通过 API，用户可以自动化地创建几何体、网格和材料属性，从而大大提高建模效率。

3.1 创建几何体

Ansys Mechanical API 提供了多种方法来创建几何体。以下是一个创建圆柱体的示例：


# 导入 Ansys Mechanical API 库

from ansys.mechanical.core import launch_mechanical



# 启动 Ansys Mechanical 会话

mech = launch_mechanical()



# 创建一个新的仿真项目

project = mech.project



# 添加一个新的模型

model = project.geometry_models.add()



# 创建一个圆柱体几何体

cylinder = model.geometry.cylinders.add()



# 设置圆柱体的参数

cylinder.radius = 5

cylinder.height = 20

cylinder.position = (0, 0, 0)



# 保存项目

project.save("cylinder_example.rst")



# 关闭 Ansys Mechanical 会话

mech.exit()

3.2 修改几何体

用户可以通过 API 修改已创建的几何体。以下是一个修改圆柱体半径的示例：


# 导入 Ansys Mechanical API 库

from ansys.mechanical.core import launch_mechanical



# 启动 Ansys Mechanical 会话

mech = launch_mechanical()



# 打开已有的仿真项目

project = mech.open_project("cylinder_example.rst")



# 获取模型

model = project.geometry_models[0]



# 获取圆柱体

cylinder = model.geometry.cylinders[0]



# 修改圆柱体的半径

cylinder.radius = 10



# 保存项目

project.save()



# 关闭 Ansys Mechanical 会话

mech.exit()

3.3 创建复杂几何体

通过组合多个几何体，可以创建复杂的模型。以下是一个创建复合几何体的示例：


# 导入 Ansys Mechanical API 库

from ansys.mechanical.core import launch_mechanical



# 启动 Ansys Mechanical 会话

mech = launch_mechanical()



# 创建一个新的仿真项目

project = mech.project



# 添加一个新的模型

model = project.geometry_models.add()



# 创建一个立方体几何体

box = model.geometry.boxes.add()

box.width = 10

box.height = 10

box.depth = 10

box.position = (0, 0, 0)



# 创建一个圆柱体几何体

cylinder = model.geometry.cylinders.add()

cylinder.radius = 5

cylinder.height = 20

cylinder.position = (5, 5, 0)



# 将圆柱体与立方体进行布尔运算

boolean_op = model.geometry.boolean_operations.add()

boolean_op.operands = [box, cylinder]

boolean_op.operation_type = "SUBTRACT"



# 保存项目

project.save("complex_geometry_example.rst")



# 关闭 Ansys Mechanical 会话

mech.exit()

4. 网格划分

网格划分是有限元分析的重要步骤，通过 API 可以实现自动化的网格划分。以下是一些常见的网格划分操作示例。

4.1 创建网格

以下是一个创建网格的基本示例：


# 导入 Ansys Mechanical API 库

from ansys.mechanical.core import launch_mechanical



# 启动 Ansys Mechanical 会话

mech = launch_mechanical()



# 打开已有的仿真项目

project = mech.open_project("complex_geometry_example.rst")



# 获取模型

model = project.geometry_models[0]



# 创建一个网格

mesh = model.mesh.add()



# 设置网格参数

mesh.element_type = "SOLID186"

mesh.size = 2



# 生成网格

mesh.generate()



# 保存项目

project.save()



# 关闭 Ansys Mechanical 会话

mech.exit()

4.2 修改网格参数

用户可以通过 API 修改网格参数，如元素类型和网格尺寸。以下是一个修改网格参数的示例：


# 导入 Ansys Mechanical API 库

from ansys.mechanical.core import launch_mechanical



# 启动 Ansys Mechanical 会话

mech = launch_mechanical()



# 打开已有的仿真项目

project = mech.open_project("complex_geometry_example.rst")



# 获取模型

model = project.geometry_models[0]



# 获取网格

mesh = model.mesh[0]



# 修改网格参数

mesh.element_type = "SOLID187"

mesh.size = 1



# 重新生成网格

mesh.generate()



# 保存项目

project.save()



# 关闭 Ansys Mechanical 会话

mech.exit()

4.3 自定义网格划分

对于复杂的几何体，用户可能需要进行更精细的网格划分。以下是一个自定义网格划分的示例：


# 导入 Ansys Mechanical API 库

from ansys.mechanical.core import launch_mechanical



# 启动 Ansys Mechanical 会话

mech = launch_mechanical()



# 打开已有的仿真项目

project = mech.open_project("complex_geometry_example.rst")



# 获取模型

model = project.geometry_models[0]



# 获取网格

mesh = model.mesh[0]



# 创建一个自定义网格划分

custom_mesh = mesh.custom_meshes.add()



# 设置自定义网格划分的参数

custom_mesh.element_shape = "HEXAHEDRAL"

custom_mesh.size = 0.5

custom_mesh.refinement_level = 2



# 生成自定义网格

custom_mesh.generate()



# 保存项目

project.save()



# 关闭 Ansys Mechanical 会话

mech.exit()

5. 材料属性设置

材料属性是有限元分析中不可或缺的一部分。通过 API，用户可以自动化地设置材料属性，提高建模效率。

5.1 添加材料

以下是一个添加材料的示例：


# 导入 Ansys Mechanical API 库

from ansys.mechanical.core import launch_mechanical



# 启动 Ansys Mechanical 会话

mech = launch_mechanical()



# 打开已有的仿真项目

project = mech.open_project("complex_geometry_example.rst")



# 获取模型

model = project.geometry_models[0]



# 添加一个新的材料

material = model.materials.add("Steel")



# 设置材料属性

material.youngs_modulus = 210e9  # 杨氏模量

material.poisson_ratio = 0.3     # 泊松比

material.density = 7850          # 密度



# 保存项目

project.save()



# 关闭 Ansys Mechanical 会话

mech.exit()

5.2 修改材料属性

以下是一个修改材料属性的示例：


# 导入 Ansys Mechanical API 库

from ansys.mechanical.core import launch_mechanical



# 启动 Ansys Mechanical 会话

mech = launch_mechanical()



# 打开已有的仿真项目

project = mech.open_project("complex_geometry_example.rst")



# 获取模型

model = project.geometry_models[0]



# 获取已有的材料

material = model.materials[0]



# 修改材料属性

material.youngs_modulus = 200e9  # 杨氏模量

material.poisson_ratio = 0.33    # 泊松比

material.density = 7900          # 密度



# 保存项目

project.save()



# 关闭 Ansys Mechanical 会话

mech.exit()

5.3 分配材料

以下是一个分配材料的示例：


# 导入 Ansys Mechanical API 库

from ansys.mechanical.core import launch_mechanical



# 启动 Ansys Mechanical 会话

mech = launch_mechanical()



# 打开已有的仿真项目

project = mech.open_project("complex_geometry_example.rst")



# 获取模型

model = project.geometry_models[0]



# 获取已有的几何体

geometry = model.geometry[0]



# 获取已有的材料

material = model.materials[0]



# 分配材料

geometry.material = material



# 保存项目

project.save()



# 关闭 Ansys Mechanical 会话

mech.exit()

6. 分析任务设置

分析任务设置包括定义载荷、约束和分析类型等。通过 API，用户可以自动化地设置这些参数，提高分析效率。

6.1 定义载荷

以下是一个定义载荷的示例：


# 导入 Ansys Mechanical API 库

from ansys.mechanical.core import launch_mechanical



# 启动 Ansys Mechanical 会话

mech = launch_mechanical()



# 打开已有的仿真项目

project = mech.open_project("complex_geometry_example.rst")



# 获取模型

model = project.geometry_models[0]



# 添加一个力载荷

load = model.loads.add("Force")



# 设置力载荷的参数

load.magnitude = 1000  # 力的大小

load.direction = (0, 1, 0)  # 力的方向

load.location = (0, 0, 0)  # 力的作用位置



# 保存项目

project.save()



# 关闭 Ansys Mechanical 会话

mech.exit()

6.2 定义约束

以下是一个定义约束的示例：


# 导入 Ansys Mechanical API 库

from ansys.mechanical.core import launch_mechanical



# 启动 Ansys Mechanical 会话

mech = launch_mechanical()



# 打开已有的仿真项目

project = mech.open_project("complex_geometry_example.rst")



# 获取模型

model = project.geometry_models[0]



# 添加一个固定约束

constraint = model.constraints.add("Fixed")



# 设置约束的位置

constraint.location = (0, 0, 0)



# 保存项目

project.save()



# 关闭 Ansys Mechanical 会话

mech.exit()

6.3 设置分析类型

以下是一个设置分析类型的示例：


# 导入 Ansys Mechanical API 库

from ansys.mechanical.core import launch_mechanical



# 启动 Ansys Mechanical 会话

mech = launch_mechanical()



# 打开已有的仿真项目

project = mech.open_project("complex_geometry_example.rst")



# 获取模型

model = project.geometry_models[0]



# 设置分析类型为静态分析

model.analysis_type = "STATIC"



# 保存项目

project.save()



# 关闭 Ansys Mechanical 会话

mech.exit()

7. 批量运行仿真分析

在实际工程中，往往需要进行多次仿真分析，以评估不同参数对结果的影响。通过 API，可以实现批量运行仿真分析，提高工作效率。

7.1 创建多个仿真项目

以下是一个创建多个仿真项目的示例：


# 导入 Ansys Mechanical API 库

from ansys.mechanical.core import launch_mechanical



# 启动 Ansys Mechanical 会话

mech = launch_mechanical()



# 定义项目列表

projects = ["project1.rst", "project2.rst", "project3.rst"]



# 循环创建项目

for project_name in projects:

    # 创建一个新的仿真项目

    project = mech.project



    # 添加一个新的模型

    model = project.geometry_models.add()



    # 创建一个立方体几何体

    box = model.geometry.boxes.add()

    box.width = 10

    box.height = 10

    box.depth = 10

    box.position = (0, 0, 0)



    # 添加一个新的材料

    material = model.materials.add("Steel")

    material.youngs_modulus = 210e9

    material.poisson_ratio = 0.3

    material.density = 7850



    # 分配材料

    box.material = material



    # 添加一个力载荷

    load = model.loads.add("Force")

    load.magnitude = 1000

    load.direction = (0, 1, 0)

    load.location = (0, 0, 0)



    # 添加一个固定约束

    constraint = model.constraints.add("Fixed")

    constraint.location = (0, 0, 0)



    # 设置分析类型为静态分析

    model.analysis_type = "STATIC"



    # 保存项目

    project.save(project_name)



# 关闭 Ansys Mechanical 会话

mech.exit()

7.2 批量运行仿真

以下是一个批量运行仿真的示例：


# 导入 Ansys Mechanical API 库

from ansys.mechanical.core import launch_mechanical



# 启动 Ansys Mechanical 会话

mech = launch_mechanical()



# 定义项目列表

projects = ["project1.rst", "project2.rst", "project3.rst"]



# 循环打开项目并运行仿真

for project_name in projects:

    # 打开项目

    project = mech.open_project(project_name)



    # 获取模型

    model = project.geometry_models[0]



    # 运行仿真

    model.run_analysis()



    # 保存项目

    project.save()



    # 关闭项目

    project.close()



# 关闭 Ansys Mechanical 会话

mech.exit()

8. 结果处理和可视化

仿真结果的处理和可视化是有限元分析的重要步骤。通过 API，用户可以自动化地提取和处理仿真结果，并生成自定义的可视化图表。

8.1 提取仿真结果

以下是一个提取仿真结果的示例：


# 导入 Ansys Mechanical API 库

from ansys.mechanical.core import launch_mechanical



# 启动 Ansys Mechanical 会话

mech = launch_mechanical()



# 打开已有的仿真项目

project = mech.open_project("project1.rst")



# 获取模型

model = project.geometry_models[0]



# 获取仿真结果

results = model.results



# 提取位移结果

displacement = results.get_displacement()



# 提取应力结果

stress = results.get_stress()



# 打印位移和应力结果

print("Displacement Result: ", displacement)

print("Stress Result: ", stress)



# 保存项目

project.save()



# 关闭 Ansys Mechanical 会话

mech.exit()

8.2 结果可视化

通过 API 提取仿真结果后，用户可以使用各种数据处理和可视化库（如 Matplotlib 和 NumPy）来生成图表和图像。以下是一个生成位移结果可视化图表的示例：


# 导入 Ansys Mechanical API 库

from ansys.mechanical.core import launch_mechanical

import matplotlib.pyplot as plt

import numpy as np



# 启动 Ansys Mechanical 会话

mech = launch_mechanical()



# 打开已有的仿真项目

project = mech.open_project("project1.rst")



# 获取模型

model = project.geometry_models[0]



# 获取仿真结果

results = model.results



# 提取位移结果

displacement = results.get_displacement()



# 提取应力结果

stress = results.get_stress()



# 将位移结果转换为 NumPy 数组

displacement_array = np.array(displacement)



# 绘制位移结果的散点图

plt.figure(figsize=(10, 6))

plt.scatter(displacement_array[:, 0], displacement_array[:, 1], c=displacement_array[:, 2], cmap='viridis')

plt.colorbar(label='Displacement (m)')

plt.xlabel('X Position (m)')

plt.ylabel('Y Position (m)')

plt.title('Displacement Results')

plt.grid(True)

plt.show()



# 保存项目

project.save()



# 关闭 Ansys Mechanical 会话

mech.exit()

8.3 自定义结果处理

除了基本的位移和应力结果，API 还支持提取其他类型的仿真结果，如应变、温度等。用户可以根据需要自定义结果处理方法。以下是一个提取应变结果并生成图表的示例：


# 导入 Ansys Mechanical API 库

from ansys.mechanical.core import launch_mechanical

import matplotlib.pyplot as plt

import numpy as np



# 启动 Ansys Mechanical 会话

mech = launch_mechanical()



# 打开已有的仿真项目

project = mech.open_project("project1.rst")



# 获取模型

model = project.geometry_models[0]



# 获取仿真结果

results = model.results



# 提取应变结果

strain = results.get_strain()



# 将应变结果转换为 NumPy 数组

strain_array = np.array(strain)



# 绘制应变结果的散点图

plt.figure(figsize=(10, 6))

plt.scatter(strain_array[:, 0], strain_array[:, 1], c=strain_array[:, 2], cmap='plasma')

plt.colorbar(label='Strain')

plt.xlabel('X Position (m)')

plt.ylabel('Y Position (m)')

plt.title('Strain Results')

plt.grid(True)

plt.show()



# 保存项目

project.save()



# 关闭 Ansys Mechanical 会话

mech.exit()

9. 集成其他软件和工具

Ansys Mechanical API 不仅可以与 Ansys Mechanical 进行交互，还可以与其他软件和工具集成，实现更复杂的工作流程。以下是一些常见的集成场景。

9.1 与 CAD 软件集成

用户可以通过 API 从 CAD 软件中导入几何模型，进行仿真分析。以下是一个从 CAD 文件导入几何模型的示例：


# 导入 Ansys Mechanical API 库

from ansys.mechanical.core import launch_mechanical



# 启动 Ansys Mechanical 会话

mech = launch_mechanical()



# 创建一个新的仿真项目

project = mech.project



# 添加一个新的模型

model = project.geometry_models.add()



# 从 CAD 文件导入几何模型

cad_file = "path/to/your/cad_file.stp"

model.import_geometry(cad_file)



# 保存项目

project.save("cad_import_example.rst")



# 关闭 Ansys Mechanical 会话

mech.exit()

9.2 与数据处理工具集成

用户可以将仿真结果导出到其他数据处理工具中，进行进一步的分析。以下是一个将仿真结果导出为 CSV 文件的示例：


# 导入 Ansys Mechanical API 库

from ansys.mechanical.core import launch_mechanical

import csv



# 启动 Ansys Mechanical 会话

mech = launch_mechanical()



# 打开已有的仿真项目

project = mech.open_project("project1.rst")



# 获取模型

model = project.geometry_models[0]



# 获取仿真结果

results = model.results



# 提取位移结果

displacement = results.get_displacement()



# 将位移结果写入 CSV 文件

with open("displacement_results.csv", mode='w', newline='') as file:

    writer = csv.writer(file)

    writer.writerow(['X Position (m)', 'Y Position (m)', 'Z Position (m)', 'Displacement (m)'])

    for data in displacement:

        writer.writerow(data)



# 保存项目

project.save()



# 关闭 Ansys Mechanical 会话

mech.exit()

9.3 与自动化工具集成

用户可以将 Ansys Mechanical API 与自动化工具（如 Jenkins 或 GitHub Actions）集成，实现自动化的工作流程。以下是一个使用 Jenkins 进行自动化仿真的示例：

安装 Jenkins：确保 Jenkins 已安装并配置好。
创建 Jenkins 任务：
- 配置源代码管理（如 GitHub）。
- 配置构建触发器（如定期构建或在代码提交时构建）。
- 添加构建步骤，运行 Python 脚本。


# Jenkins 构建步骤中的 Python 脚本

from ansys.mechanical.core import launch_mechanical

import os



# 获取 Jenkins 工作空间路径

workspace = os.environ['WORKSPACE']



# 启动 Ansys Mechanical 会话

mech = launch_mechanical()



# 打开已有的仿真项目

project = mech.open_project(os.path.join(workspace, "project1.rst"))



# 获取模型

model = project.geometry_models[0]



# 运行仿真

model.run_analysis()



# 保存项目

project.save()



# 关闭 Ansys Mechanical 会话

mech.exit()

10. 总结

通过 Ansys Mechanical API，用户可以自动化地创建几何体、划分网格、设置材料属性、定义载荷和约束、设置分析类型、提取和处理仿真结果，以及与各种软件和工具集成。这不仅提高了工作效率，还使得复杂的工作流程更加容易管理和执行。希望本指南能够帮助读者掌握 Ansys Mechanical API 的基本使用方法，从而在工程设计中更好地应用有限元分析技术。