专利名称：利用参数化建模控制电加热炉熔融矿石的方法
技术领域：
本发明涉及到电加热炉熔融矿石领域，具体的说是利用參数化建模控制电加热炉熔融矿石的方法。
背景技术：
熔融矿石材料在现代エ业体系中应用十分广泛，其熔融产品主要是作为下游エ业材料的初加工原料而得到应用。电加热炉内熔融矿石过程涉及热传导、对流和辐射的多重传热方式的耦合，且矿石材料在炉内布置属于多孔介质，而多孔介质高温辐射与相变过程异常复杂。因此，目前 熔融矿石电加热炉内传热过程的实验研究极少报道，电加热炉的设计和施工主要依赖于经验，缺乏系统的、科学的理论依据；而且，在使用电加热炉熔融矿石时也是根据经验来设定通电电流和电压，不仅会造成电能的浪费，而且也有可能造成矿石熔融达不到要求。
发明内容
本发明的目的在于提供ー种利用參数化建模控制电加热炉熔融矿石的方法，在熔融矿石过程中对熔融过程实现精确控制，避免仅凭经验所造成的电能浪费，提高熔融质量。本发明的技术解决方案是首先，利用APDL语言编制电加热炉熔融矿石过程分析的前处理、加载求解、后处理通用程序；其次，利用VB语言设计出方便的图形化參数输入界面，方便用户完成电加热炉结构、材料、运行等參数输入，进而将此參数生成相应的APDL命令流，补充写入編制的APDL程序；接着，调用ANSYS计算程序，自动读取并执行APDL程序，进而自动完成电加热炉熔融矿石过程分析，获得计算结果；最后，通过VB结果后处理界面提取计算结果数据，并同时完成远程数据交互。其中，该利用參数化建模控制电加热炉熔融矿石的方法包括以下步骤
步骤一、用APDL语言编制电加热炉熔融矿石的过程分析处理程序，该过程分析处理程序采用txt文本格式并嵌入到VB程序开发的软件中；所述VB程序开发的软件，具备脱离VB环境单独执行的功能，且具有可视化的输入和输出人机交互界面；所述电加热炉熔融矿石过程分析处理程序，其流程如下
1)根据电加热炉的结构參数建立三维或ニ维物理模型，然后对电极、炉内物料和炉壁进行分区画网格，得到电加热炉的物理网格模型；
2)设置计算參数,包括边界条件、起始条件以及载荷步加载求解參数；所述的边界条件为传热理论中定义的第一类边界条件；所述初始条件为在熔融过程开始时，电加热炉内碳棒的通电电流和电压參数，以及初始的炉体壁面温度；所述载荷步加载求解參数为ANSYS计算软件的计算思路，其具体流程如下
a)首先指定求解类型，稳态分析或瞬态分析，若求解类型为稳态分析，则进入步骤b)；
b)定义计算终止时间；c)指定求解子歩数；
d)打开自动步长；
e)施加载荷；
f)开始求解；
g)得到求解结果；
若求解类型为瞬态分析，则先进行稳态分析，即进行步骤b)到步骤g)的操作，然后将 步骤g)的求解结果作为瞬态分析的初始条件，随后再次进行步骤b)到步骤g)的操作；
3)编写反映矿石熔融过程的多物理场特征模型，即将通电过程、生热过程和热传递过程中的热量传递通过物理规律描述出来，其中，通电生热过程采用欧姆定律描述，热传递过程采用热传导和热辐射两种传热方式描述，且整个过程遵循能量守恒定律；
4)按载荷步进行求解，直至计算时间结束；
步骤ニ、通过步骤一中软件的人机交互界面输入待熔融矿石的參数以及所要施加的电流和电压參数，运行该软件后生成相应的APDL命令流，该生成的APDL命令流自动补充写入步骤一中編制的电加热炉熔融矿石过程分析处理程序内，同时生成ANSYS计算软件识别的mac格式的APDL宏文件，完成电加热炉模型的建立；
步骤三、调用ANSYS计算软件处理步骤ニ生成的APDL宏文件，自动求解后得到运行结果即为电加热炉内温度场和物料相态；
步骤四、判断在步骤四的參数下得出的电加热炉内温度场和物料相态是否可以将矿石熔融到预定的状态，若不能，则返回步骤ニ，若能，则进入步骤五；
步骤五、将该參数输入电加热炉的控制系统内控制电加热炉在此參数下运行将矿石熔融到预定状态。其中，所述VB程序开发的软件，其人机交互界面具有菜单操作和选项卡操作，菜单有实验平台、数值模拟、实验报告、结果显示、外接程序、工具和帮助，选项卡有结构參数、运行參数、材料属性和计算；所述VB程序开发的软件具有数据通讯功能，计算过程中实时读取远程数据库中保存的远程数据，并判断其与原始输入參数是否有更新，若有更新，则重新生成APDL宏文件、并执行步骤三，若无更新，则继续按载荷步计算，直至计算时间结束，具体做法为计算过程开始使用的为原始输入參数，在进行载荷步计算吋，每ー载荷步计算结束，均保存计算結果，此时读取远程数据库中的參数，这些參数是指前述的计算參数，比如碳棒的通电电流或者通电时间等參数，如果这些參数改变，则计算过程中断，重新生成宏文件，前面计算结果直接作为下ー载荷步计算的初始条件和边界条件直接带入下一步计算中。现有技术中的ANSYS软件具有強大的求解器和前、后处理功能，为解决复杂、庞大的工程项目提供了ー个强有力的工具。然而，正是由于ANSYS的通用性特点，使其对不同行业的专业性模块的分析不具有针对性，复杂的英文界面和繁琐的分析步骤都给从事有限元分析的技术人员造成了很大的障碍。另外，虽然ANSYS有较强大的前、后处理功能，但使用者必须具有较高的相关力学知识和丰富的分析经验，在几何建模简化和力学建模等前处理方面需要花费很多时间和精力。APDL虽然功能強大，但完全用APDL编写的宏存在以下不足
(I)用APDL语言较难控制程序的进程，虽然它提供了循环语句和条件判断语句，但总的来说还是难以用来编写结构清晰的程序；
(2)利用APDL虽然能够进行简单的界面设计，但其功能不够強大，交互性不够流畅。Visual Basic是可视化的程序设计语言,它提供了一套基于Windows平台的可视化编程环境，开发人员不必为界面的设计而编写大量的程序代码，只需按设计的要求，用系统提供的工具在屏幕上画出各种对象即可；Visual Basic采用面向对象的设计方法，从应用领域内的问题着手，以直观自然的方式描述客观世界的实体以其快捷方便受到很多程序设计者的青睐，因此得到了越来越广泛的应用；把VB与ANSYS结合起来开发，可以有效地提高开发设计的效率和质量，充分体现专业化、用户化、便捷化的特点。本发明基于ANSYS有限元方法，开发出VB界面软件实时对电加热炉内熔融矿石过程的多物理场相互耦合问题进行模拟，最后将计算结果数据用于控制电加热炉的实际加热控制，该方法在很大程度降低了 ANSYS的使用难度，面向对象更广，为一般的施工技术人员提供了良好的设计平台；本发明通过參数化建模将整个加热过程中的温度场、物料相态和电加热规律均呈现出来，实验人员能直观的得到不同參数下电加热炉内的温度场等数据，并以此为依据来判定是否能将矿石熔融到预定的状态，然后将该參数应用到电加热炉的控制过程中；同时，根据输入參数的不同得到的温度场、电解热规律不同，为电解热炉的设计制造提供依据。
图1为本发明的程序结构简图。图2为本发明的程序流程示意图。图3为本发明中的人机交互界面图。
具体实施例方式本发明用于实施的硬件环境是四核cpu 2. 7G计算机，4G内存，512显卡，运行的环境是 ANSYS12. 0，Microsoft Visual Basic 6. 0 和 Windows XP64 位系统；ANSYS 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析与一体的大型通用有限元分析软件，ANSYS ParametricDesign Language (APDL參数化设计语言)编程环境。图1为本发明的程序结构简图，由于VB采用事件编程，因此程序的系统框架设计尤为重要；程序系统主要有用户界面前处理、调用ANSYS分析计算和远程交互、结果后处理三个部分组成；用户界面前处理程序实现系统和用户的交互，完成计算參数的输入、APDL宏文件的生成,并调用ANSYS计算程序，完成电加热炉内熔融矿石的传热过程计算分析。首先，利用APDL语言编制电加热炉熔融矿石过程分析的前处理、加载求解、后处理通用程序；其次，利用VB语言设计出方便的图形化參数输入界面，方便用户完成电加热炉结构、材料、运行等參数输入，进而将此參数生成相应的APDL命令流，补充写入編制的APDL程序；接着，调用ANSYS计算程序，自动读取并执行APDL程序，进而自动完成电加热炉熔融矿石过程分析，获得计算结果；最后，通过VB结果后处理界面提取计算结果数据，并同时完成远程数据交互。图2为本发明的程序流程示意图，具体操作如下
步骤一、用APDL语言编制电加热炉熔融矿石的过程分析处理程序，该过程分析处理程序采用txt文本格式并嵌入到VB程序开发的软件中；所述VB程序开发的软件，具备脱离VB环境单独执行的功能，且具有可视化的输入和输出人机交互界面；所述电加热炉熔融矿石过程分析处理程序，其流程如下
1)根据电加热炉的结构參数建立三维或ニ维物理模型，然后对电极、炉内物料和炉壁进行分区画网格，得到电加热炉的物理网格模型；
2)设置计算參数,包括边界条件、起始条件以及载荷步加载求解參数；所述的边界条件为传热理论中定义的第一类边界条件，如为矿石原料相邻的炉体壁面和碳棒表面的温度；所述初始条件为在熔融过程开始时，电加热炉内碳棒的通电电流和电压參数，以及初始的炉体壁面温度；所述载荷步加载求解參数为ANSYS计算软件的计算思路，其具体流程如下
a)首先指定求解类型，稳态分析或瞬态分析，若求解类型为稳态分析，则进入步骤b)；
b)定义计算终止时间；
c)指定求解子歩数；
d)打开自动步长；
e)施加载荷；
f)开始求解；
g)得到求解结果；
若求解类型为瞬态分析，则先进行稳态分析，即进行步骤b)到步骤g)的操作，然后将步骤g)的求解结果作为瞬态分析的初始条件，随后再次进行步骤b)到步骤g)的操作；
3)编写反映矿石熔融过程的多物理场特征模型，即将通电过程、生热过程和热传递过程中的热量传递通过物理规律描述出来，其中，通电生热过程采用欧姆定律描述，热传递过程采用热传导和热辐射两种传热方式描述，且整个过程遵循能量守恒定律；
4)按载荷步进行求解，直至计算时间结束；
步骤ニ、通过步骤一中软件的人机交互界面输入待熔融矿石的參数以及所要施加的电流和电压參数，运行该软件后生成相应的APDL命令流，该生成的APDL命令流自动补充写入步骤一中編制的电加热炉熔融矿石过程分析处理程序内，同时生成ANSYS计算软件识别的mac格式的APDL宏文件，完成电加热炉模型的建立；
步骤三、调用ANSYS计算软件处理步骤ニ生成的APDL宏文件，自动求解后得到运行结果即为电加热炉内温度场和物料相态调用ANSYS方法如下
VB直接采用Shell函数，调用ANSYS以批处理的方式后台运行；具体的调用方法为在 VB 中写入如下语句X = Shell(〃ANSYS 安装路径 \Ansys Inc\vl20\ANSYS\bin\intel\ANSYS120.exe _b -p ane3f I _i inputf ile. mac 宏文件存储路径\ inputf ile. mac -o宏文件存储路径\ outputfile. db 〃，I);其中，_b參数表示ANSYS以批处理方式运行；-p參数表示ANSYS调用模块，ane3fl表示调用ANSYS的多物理场计算模块；inputfile. mac是起始输入文件，实际上是用APDL语言编写的宏文件，把需要在Ansys中自动运行的命令直接写在其中，outputfile. db为输出文件，该文件中配置有ANSYS计算的结果文件，通过后台读取该文件获得ANSYS的计算结果；
步骤四、判断在步骤四的參数下得出的电加热炉内温度场和物料相态是否将矿石熔融到预定的状态，若不能，则返回步骤ニ，若能，则进入步骤五；
步骤五、将该參数输入到电加热炉内并控制电加热炉在此參数下运行将矿石熔融到预定状态。其中，所述VB程序开发的软件具有数据通讯功能，计算过程中实时读取远程数据库中保存的远程数据，并判断其与原始输入參数是否有更新，若有更新，则重新生成APDL宏文件、并执行上述步骤三，若无更新，则继续按载荷步计算，直至计算时间结束，具体做法为计算过程开始使用的为原始输入參数，在进行载荷步计算吋，每ー载荷步计算结束，均保存计算結果，此时读取远程数据库中的參数，这些參数是指前述的计算參数，比如碳棒的通电电流或者通电时间等參数，如果这些參数改变，则计算过程中断，重新生成宏文件，前面计算的结果就直接作为下ー载荷步计算的初始条件和边界条件直接带入下一步计算中；所述VB程序开发的软件，其人机交互界面具有菜单操作和选项卡操作，菜单有实验平台、数值模拟、实验报告、结果显示、外接程序、工具和帮助，选项卡有结构參数、运行參数、材料属性和计算。
权利要求
1.利用参数化建模控制电加热炉熔融矿石的方法，其特征在于首先，利用APDL语言编制电加热炉熔融矿石过程分析的前处理、加载求解、后处理通用程序；其次，利用VB语言设计出方便的图形化参数输入界面，方便用户完成电加热炉结构、材料、运行等参数输入，进而将此参数生成相应的APDL命令流，补充写入编制的APDL程序；接着，调用ANSYS计算程序，自动读取并执行APDL程序，进而自动完成电加热炉熔融矿石过程分析，获得计算结果；最后，通过VB结果后处理界面提取计算结果数据，并同时完成远程数据交互。
2.根据权利要求1所述的利用参数化建模控制电加热炉熔融矿石的方法，其特征在于包括以下步骤 步骤一、用APDL语言编制电加热炉熔融矿石的过程分析处理程序，该过程分析处理程序采用txt文本格式并嵌入到VB程序开发的软件中；所述VB程序开发的软件，具备脱离VB环境单独执行的功能，且具有可视化的输入和输出人机交互界面；所述电加热炉熔融矿石过程分析处理程序，其流程如下 1)根据电加热炉的结构参数建立三维或二维物理模型，然后对电极、炉内物料和炉壁进行分区画网格，得到电加热炉的物理网格模型； 2)设置计算参数,包括边界条件、起始条件以及载荷步加载求解参数；所述的边界条件为传热理论中定义的第一类边界条件；所述初始条件为在熔融过程开始时，电加热炉内碳棒的通电电流和电压参数，以及初始的炉体壁面温度；所述载荷步加载求解参数为ANSYS计算软件的计算思路，其具体流程如下 a)首先指定求解类型，稳态分析或瞬态分析，若求解类型为稳态分析，则进入步骤b)； b)定义计算终止时间； c)指定求解子步数； d)打开自动步长； e)施加载荷； f)开始求解； g)得到求解结果； 若求解类型为瞬态分析，则先进行稳态分析，即进行步骤b)到步骤g)的操作，然后将步骤g)的求解结果作为瞬态分析的初始条件，随后再次进行步骤b)到步骤g)的操作； 3)编写反映矿石熔融过程的多物理场特征模型，即将通电过程、生热过程和热传递过程中的热量传递通过物理规律描述出来，其中，通电生热过程采用欧姆定律描述，热传递过程采用热传导和热辐射两种传热方式描述，且整个过程遵循能量守恒定律； 4)按载荷步进行求解，直至计算时间结束； 步骤二、通过步骤一中软件的人机交互界面输入待熔融矿石的参数以及所要施加的电流和电压参数，运行该软件后生成相应的APDL命令流，该生成的APDL命令流自动补充写入步骤一中编制的电加热炉熔融矿石过程分析处理程序内，同时生成ANSYS计算软件识别的mac格式的APDL宏文件，完成电加热炉模型的建立； 步骤三、调用ANSYS计算软件处理步骤二生成的APDL宏文件，自动求解后得到运行结果即为电加热炉内温度场和物料相态； 步骤四、判断在步骤四的参数下得出的电加热炉内温度场和物料相态是否将矿石熔融到预定的状态，若不能，则返回步骤二，若能，则进入步骤五；步骤五、将该参数输入电加热炉控制系统内并控制电加热炉在此参数下运行将矿石熔融到预定状态。
3.根据权利要求2所述的利用参数化建模控制电加热炉熔融矿石的方法，其特征在于所述VB程序开发的软件，其人机交互界面具有菜单操作和选项卡操作，菜单有实验平台、数值模拟、实验报告、结果显示、外接程序、工具和帮助，选项卡有结构参数、运行参数、 材料属性和计算。
4.根据权利要求2所述的利用参数化建模控制电加热炉熔融矿石的方法，其特征在于所述VB程序开发的软件具有数据通讯功能，计算过程中实时读取远程数据库中保存的远程数据，并判断其与原始输入参数是否有更新，若有更新，则重新生成APDL宏文件、并执行步骤三，若无更新，则继续按载荷步计算，直至计算时间结束，具体做法为计算过程开始使用的为原始输入参数，在进行载荷步计算时，每一载荷步计算结束，均保存计算结果，此时读取远程数据库中的参数，这些参数是指前述的计算参数，为碳棒的通电电流或者通电时间，这些参数改变，则计算过程中断，重新生成宏文件，前面计算的结果就直接作为下一载荷步计算的初始条件和边界条件直接带入下一步计算中。
全文摘要
本发明公开了利用参数化建模控制电加热炉熔融矿石的方法，首先利用APDL语言编制电加热炉熔融矿石的过程分析处理程序，通过该程序完成电加热炉的模型建立以及其内部温度场和物料相态的分布规律，然后以此来判断在此参数下是否将矿石熔融到预定状态。本发明通过参数化建模将整个加热过程中的温度场、物料相态和电加热规律均呈现出来，实验人员能直观的得到不同参数下电加热炉内的温度场等数据，并以此为依据来判定是否能将矿石熔融到预定的状态，然后将该参数应用到电加热炉的控制过程中，同时根据输入参数的不同得到温度场、电解热规律，为电解热炉的设计制造提供依据。
文档编号G06F17/50GK103020337SQ20121049417
公开日2013年4月3日 申请日期2012年11月28日 优先权日2012年11月28日
发明者梁坤峰, 马建伟, 王全海 申请人:河南科技大学东海硅产业节能技术研究院