摘 要：为了提高旋转设备叶片的力学性能校核效率，文章借助Python语言，结合ABAQUS软件开发一套用于叶片静力学自动计算的软件平台。该平台不仅提供基础的叶片模型读取功能，还具备网格自动剖分能力，免去了人工操作中的误差。同时，该平台还支持一键加载边界条件、自动计算和导出完整报告的功能，大大减少了手工操作中的复杂性和烦琐性。结果表明，该平台计算相同模型用时仅为传统方法的1/4，不仅降低了设计阶段的时间成本，还为工程师腾出更多的时间进行优化和改进，确保旋转设备的叶片设计更加精确和高效。
关键词：静力学计算；数值仿真；联合仿真；平台开发；B/S架构
中图分类号：TP311；TP319 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2024）08-0045-06
DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.08.011
0 引 言
叶片是压气机及汽轮机中的重要部件，叶片强度是保证压气机的关键参数，为避免发生裂纹、断裂等事故，需要在设计阶段对叶片强度进行校核，保证机组的可靠性[1，2]。在设计阶段需要根据图纸绘制出三维模型后，对其进行静力学计算。在整个计算校核过程中，涉及网格剖分、边界条件加载、峰值应力筛选及撰写报告等功能。对于同一款压气机而言，每一级叶片的计算步骤是相同的，因此可以使用自动化的方法来代替人工进行复杂重复的计算操作。常规计算环节中，需要涉及前处理和实际计算两款软件。跨软件协同计算需要一定的软件操作背景[3-12]，不能满足高效分析的要求，并且用于静力学评估的ABAQUS软件能够通过Python语言调用相关计算模块。因此开发了一款操作方便、针对性强，操作效率高的仿真平台，以期提高计算校核效率。
1 总体架构及技术路线
仿真平台采用B/S架构进行开发，使得用户可以在任何支持Web浏览器上访问和使用。该架构不仅大大简化了用户的访问过程，也为后台提供了强大的可扩展性和灵活性。平台的前端设计致力于为用户提供一个直观且用户友好的交互界面。用户可以通过简洁的上传功能，轻松提交几何模型文件。一旦模型上传完成，平台会自动进行网格剖分，并实时显示其结果，这使得用户可以直观地查看和确认模型的精度和复杂性。此外，界面还设计了一系列设置面板，用户可以方便地配置求解参数信息，如材料属性、加载和边界条件等，确保计算的准确性。
平台的后端计算模块是其核心组成部分。它主要负责处理前端发送的数据和执行复杂的有限元分析。利用Python语言，平台为有限元模型设置了各种边界条件，如固定、自由、旋转等，确保模型的物理性质得到准确的描述。此外，通过设计各种求解参数，如分析类型、求解器选择等，平台可以根据不同的工程需求进行优化。为了实现高效且准确的仿真分析，后端计算模块自动调用了业界领先的ABAQUS软件。这不仅保证了计算结果的准确性，也大大简化了用户的操作过程，使其不必手动设置和启动ABAQUS的计算过程。
1.1 总体架构
仿真平台采用了精心设计的多层架构以满足现代工程分析的需求，架构主要分为展示层、业务层、数据层、接口层和资源层。首先，展示层直观地面向用户，涵盖了结构仿真的各个方面，如模型上传、可视化、仿真设置以及结果的呈现和报告生成，旨在为用户提供流畅且高效的操作体验。在业务层，平台通过自动化的网格生成技术、灵活的边界条件加载以及多种脚本执行策略，处理复杂的仿真逻辑，确保结果的准确性。数据层则负责管理和存储仿真过程中涉及的众多数据，从基本的几何模型到复杂的材料属性，都经过精心组织和优化。接口层是平台与外部软件交互的关键，包括与前处理工具ANSA、仿真大户ABAQUS和常用的Office软件的无缝连接，使得数据交换和结果处理变得轻而易举。最后，资源层为整个平台提供坚实的基础，不仅支持了核心的仿真程序，还提供了稳定的PHP运行环境、高性能的Nginx服务器和MySQL数据库，确保整个仿真过程无论规模大小都能流畅运行。
通过分层的架构的开发可以使得程序结构清晰，方便扩展与升级，可维护性强。平台架构图如图1所示。
1.2 技术路线
通过独立的应用程序，实现轴流压气机叶片自动化仿真分析平台的交互、几何展示、结果展示的功能；基于ABAQUS进行二次开发实现压气机叶片模型仿真流程自动化的功能，实现模型的求解设置等功能，然后进行后处理，提取计算结果，生成后处理的结果数据，并保存到数据库和结果文件库。软件读取提取的结果数据和后处理文件数据在软件界面上进行后处理展示和自动按照模板生成仿真报告。技术路线如图2所示。
2 平台开发
2.1 需求分析
经过深入的需求功能分析，软件被结构化地划分为若干核心模块。这种模块化设计确保了每个功能部分的独立性，同时也保障了与其他部分的无缝协同。对应于每一个模块，都有详细的需求分析表，如表1所示。这些表格列明了模块的主要功能、预期的输入/输出、用户交互方式等关键信息。这样的细致组织方式为软件的完整性、后续测试、维护和升级提供了强有力的支撑。
2.2 开发环境
该仿真平台采用B/S网页开发方式，充分考虑了现代Web应用的灵活性和可访问性。为了确保前后端的高效协同，选择了业界广泛认可的技术堆栈。前端主要基于HTML5、CSS和JavaScript构建，确保界面的现代感与兼容性，同时能够在各种设备上提供一致的用户体验。服务端则采用PHP语言进行开发，结合了Python脚本来处理更为复杂的仿真逻辑。PHP不仅提供了强大的Web开发能力，还确保了与后端Python脚本的无缝集成。
支持软件方面，ABAQUS和ANSA为平台提供了专业的仿真和前处理功能，使得模型准备和结果分析变得更加高效。在框架选择上，ThinkCMF负责处理后端的数据管理和路由，而BootStrap和Jquery则在前端提供了快速的响应式设计和交互功能。在开发过程中，为了确保代码质量和提高开发效率，团队使用了PHPStorm和PyCharm这两款业界顶级的集成开发环境。所有关于开发技术的细节都被仔细记录在“开发技术明细表”中，具体明细表如表2所示。
2.3 开发结果
2.3.1 网格自动化建模
针对专业人员存在软件的个性化设计需求，ANSA提供基于脚本语言Python的开放接口，使得用户可以通过脚本编程，实现软件的拓展、定制，基于脚本语言的二次开发是实现通用商业软件功能专业化、知识产权自主化的有效途径。
使用前处理软件ANSA的API调用几何识别和网格建模的相关命令，可以实现叶片轮盘的几何识别，根据用户提供的建模需求实现对特定面的网格细分处理，完成几何表面的网格划分。壳单元网格质量检查后即可完成体网格划分，导出inp格式的网格模型。网格自动化剖分结果如图3所示。
2.3.2 仿真计算及自动化
ABAQUS软件提供基于脚本语言Python的开放接口，使得用户可以基于脚本语言进行二次开发，实现自身的定制化需求。根据ANSA软件自动导出的inp文件自动导入ABAQUS，根据以下三种仿真分析需求：
1）温度场计算分析：根据提供的叶片及轮盘温度边界条件，进行叶片轮盘的三维温度场计算。
2）对有限元模型加载温度场、离心力和气流力进行静强度计算。
3）进行接触设置、工况设置、完成进行三维模型的振动计算分析和共振计算分析。
4）仿真计算需调用ABAQUS自身的计算模块进行仿真计算。
根据需求使用Python调用ABAQUS开发后的计算结果如图4、图5所示。
2.3.3 仿真后处理报告自动生成
针对仿真流程，开发后处理结果提取、数据接口，完成仿真报告提取查看，报告自动生成的功能。主要通过数据来源的定义可以选择来自哪些数据结果的哪些数据块，数据块通过标识进行区分，以便能够抓取，通过来源定义，执行IO操作抓取相关计算结果的数据以及对报告模板进行渲染，生成相关报告。自动导出报告如图6所示。
2.4 项目管理
为了使仿真工作更加有序和高效，平台特别提供了一个独立的项目管理模块来对仿真业务流程进行管理。这一设计思路确保了整个仿真流程的清晰性和连续性。每一次的仿真工作不再是孤立的操作，而是以项目的形式存在，确保了从初步模型的建立到最后结果的输出，所有步骤都在一个统一的框架下进行。
每一个项目下，具体的操作和步骤被转化为“任务”，这种任务化管理方式为工程师提供了清晰的工作路径。这些任务在数据库中以条目形式存储，确保了数据的完整性和持久性。为了方便用户进行任务跟踪和管理，平台提供了一个直观且用户友好的界面。此外，筛选、查看和修改任务也被设计得十分简洁和高效，无论是新手还是经验丰富的工程师都能轻松上手。
关于项目任务管理的具体界面和功能细节，如图7所示，其中详细展示了各项功能的布局和操作流程。
2.5 关键开发技术
ABAQUS提供基于脚本语言Python的开放接口，使得用户可以通过脚本编程，实现软件的拓展、定制。ABAQUS的Scripting技术功能是其强大自动化能力的体现。这一功能允许用户直接运行脚本命令，从而实现各种文件操作、窗体交互以及特定事件的处理。例如，用户可以编写脚本批量导入模型、批量更改材料属性或自动设置边界条件。这种自动化处理大大提高了仿真效率，降低了重复操作的机会，从而提高了整体的工作效率和结果的准确性。
通过集成OLE Automation技术，ABAQUS进一步加强了其自动化开发能力。这种技术使得ABAQUS可以与其他应用程序（如Office应用或自定义的软件工具）无缝交互，从而实现更高级的仿真自动化功能，如自动生成仿真报告或与其他软件共享数据。ABAQUS部分接口定义如图8所示。
2.6 平台功能测试验证
测试是平台开发的一项重点内容，通过对测试结果的分析，得到对软件质量的评价，评估测试测试执行和测试计划是否符合，同时分析系统存在的缺陷，为修复和预防bug提供建议。平台功能测试分为通用功能测试、基础功能测试和核心功能测试三部分。根据用户实际操作流程编写测试用例后进行测试。在测试时统计使用平台计算的操作时间和常规方法的操作时间，二者对比详细内容如表3所示。可以发现，在满足功能要求的基础上，使用平台进行计算同一个叶片所需的时间仅为常规操作方法计算时间的1/4，显著提高了计算效率。
3 结 论
通过借助Python语言，结合ABAQUS提供的开发接口，开发出了一套用于叶片静力学自动计算的软件平台。该平台实现了叶片模型读取、网格自动剖分、边界条件加载、自动计算及导出报告的功能。通过测试环节验证了平台的功能可用性。该平台提高了设计阶段的计算分析效率，为设计压气机叶片提供了高效便捷的计算工具。
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作者简介：陆海峰（1994—），男，汉族，新疆哈密人，NVH科主管，硕士，研究方向：NVH仿真分析及开发。
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
